Alu‐Spritzgießwerkzeuge additiv herstellen

Im Forschungsprojekt „Next Mould“ soll eine Methodik zur additiven Herstellung von Serien-Alu-Hybrid-Spritzgießwerkzeugen erarbeitet werden.

Das Forschungsprojekt „Next Mould“ macht Werkzeugbauer zukunftsfit, denn das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erarbeitung von Designrichtlinien sowie einer Methodik zur additiven Herstellung von Serien‐Alu‐Hybrid‐Spritzgießwerkzeugen mit einer hochverschleißfesten Oberflächenschicht. „Wir wollen mit dem Projekt einen kleinen Meilenstein in der Branche setzen“, bekräftigt Dr. Thomas Seul, Professor für Fertigungstechnik und Werkzeugkonstruktion an der Hochschule Schmalkalden. Prof. Seul, der auch Präsident des VDWF (Verband Deutscher Werkzeug- und Formenbauer) ist, hat das Projekt gemeinsam mit dem Kunststoff-Cluster initiiert.

Werkzeug- und Formenbauer sind, was die Werkstoffauswahl und die Fertigungsverfahren betrifft, meist noch sehr traditionell unterwegs. Etablierte Verfahren und Werkstoffe werden bevorzugt eingesetzt, um den extrem hohen Ansprüchen der Kunden gerecht zu werden. Eine Umstellung der Technologie oder des Werkstoffes ist immer mit Risiken verbunden. So kann ein Ausfall eines Werkzeuges beim Kunden durchaus eine unternehmensgefährdende Situation darstellen.

Schnellere und flexiblere Produktion und Entwicklung, höhere Wirtschaftlichkeit, Qualitätssteigerung, Ressourcenschonung, höhere Energieeffizienz oder die Erschließung neuer Marktfelder sind Herausforderungen, denen sich die Werkzeugbauer derzeit stellen müssen. Eine Voraussetzung, um im internationalen Wettbewerb künftig weiter bestehen zu können, ist deshalb auch, Know-how zu neuen Technologien und Werkstoffen aufzubauen.

Im Projekt „Next Mould“ werden für den Werkzeugbau die Vorteile der Additiven Fertigung mit denen des Lichtbogen- und Rührreibschweißens und den Materialvorzügen von Aluminium und Aluminiumlegierungen, aber auch Stahlkombinationen verbunden.

„Wir wollen mit ,Next Mould‘ Innovation für die Werkzeugbauer vorantreiben und neue Möglichkeiten in der Fertigung aufzeigen“, erklärt Doris Würzlhuber, Projektmanagerin im Kunststoff-Cluster. Die Werkzeugbauer sollen mit den Innovationen vertraut gemacht werden. Eine entsprechende wissenschaftliche Expertise und professionelle Vorarbeit durch die teilnehmenden Universitäten und Fachhochschulen minimieren das Risiko für die Unternehmen.

„Die kleineren, aber auch großen Unternehmen haben oft keine Ressourcen für eigene Forschung in diese Richtung. Eine kollektive Auftragsforschung wie in ,Next Mould‘ ist für Werkzeugbauer deshalb eine ausgezeichnete Möglichkeit, Know-how aufzubauen“, betont die Projektkoordinatorin.

Der Werkstoff Aluminium wird im Werkzeugbau meist nur für Prototypenwerkzeuge oder einfache Formen eingesetzt. Wenige Unternehmen nutzen den Werkstoff zur Herstellung von Aluminium-Serienwerkzeugen, obwohl er den Bau von kostengünstigeren Werkzeugen mit sehr guten thermischen Eigenschaften ermöglicht. Im Projekt wird für die Erhöhung der Verschleißfestigkeit des Aluminiums an Oberflächenbeschichtungen durch die Fachhochschule Wels geforscht.

„Wir testen Verfahren wie Eloxieren, galvanische Verfahren als auch mittels Plasmatechnik abgeschiedene ‚dicke‘ Hartstoffschichten“, erklärt FH-Prof. DI Dr. Daniel Heim von der FH Wels und ergänzt: „Die Verfahren werden nach den Tests bewertet und gegebenenfalls für die Anwendung weiterentwickelt, damit das Verhalten der auf Aluminium erzeugten Oberflächen im Spritzgießprozess mindestens gleichwertig oder besser dem der Formen aus Stahlwerkstoffen ist.“

Additive Fertigungsverfahren haben im Werkzeugbau leider noch eher geringe Bedeutung. Der Einsatz beschränkt sich beim MIG-Schweißen (Metallschweißen mit inerten Gasen) auf Plattieren und Auftragsschweißen, sowie bei pulverbettbasierten Verfahren auf kleinere Teile, die nur relativ langsam, bzw. meist kostenintensiv hergestellt werden können. Um schnell große, kostengünstige, aber auch komplexe Geometrien herzustellen, ist die Additive Fertigung mittels WAAM (Wire-arc Additive Manufacturing – auch bekannt als Lichtbogenschweißen) für den Werkzeugbau interessant. Die Möglichkeiten werden vom Fachgebiet Fertigungstechnik der Technischen Universität Ilmenau gemeinsam mit Fronius, dem österreichischen Experten für Schweißtechnik, ausgelotet.

Manfred Schörghuber, Forschung und Entwicklung bei Fronius über die Vorteile für den Werkzeugbau: „Additiv geschweißte Strukturen haben den Vorteil des einfachen Aussparens von Material im Spritzgusswerkzeug für Kühlzwecke oder zur Gewichtsreduktion. Weiteres Potenzial entsteht in der vielfältigen Konturgestaltung bei gleichzeitiger Ressourcenschonung mit dem Ausgangsmaterials ‚Drahtspule‘ anstatt großer Grundwerkstoffklötze mit viel Zerspanungsaufwand und nachfolgendem Recycling der Späne. Die Reichweite des Roboters bestimmt dabei die maximale Werkzeuggeometrie und bestätigt die enorme Flexibilität des WAAM-Verfahrens.“

Projektpartner in „Next Mould“ sind die Hochschule Schmalkalden (Angewandte Kunststofftechnik), die Technische Universität Ilmenau (Fachgebiet Fertigungstechnik), die FH Oberösterreich Forschungs und Entwicklungs GmbH, die Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe e.V. und der Kunststoff-Cluster. Im Nutzer-Komitee sind 19 österreichische und deutsche Unternehmen vertreten und profitieren von den gemeinsamen Forschungsergebnissen.

kus