Werkzeugbau Rapid Tooling in der Praxis

Wie sinnvoll ist Additive Fertigung für den Werkzeugbau? Feinguss Blank zieht nach zwei Jahren mit einem 3D-Drucker seine erste Bilanz.

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Vor dem Feingussteil steht das Werkzeug beziehungsweise dessen Herstellung. „Hier werden bereits Potenziale durch additive Fertigungsmethoden genutzt“, sagt der Leiter des Bereiches Formenbau bei Blank. „So habe man Ende 2017 den ersten 3D-Drucker im Formenbau bei Blank angeschafft und kann Werkzeuge oder Werkzeugteile auf Basis von Kunstharz additiv herstellen. Ob Rapid Tooling für ein Feingussteil überhaupt in Frage kommt, hängt von mehreren Faktoren ab, wie Geometrie, Genauigkeit und Losgröße.

Zum Ansehen, Anfassen und Testen

Neben den Bauteilen für ein Werkzeug setzen die Mitarbeiter bei Blank den Drucker auch an anderen Stellen des Entstehungsprozesses eines Feingussteils ein. So werden unter anderem auch Teile von Vorrichtungen für nachfolgende Bearbeitungsprozesse gedruckt oder eine entsprechende Vorrichtung, die den anschließenden Prüfprozess des Gussteils im Messlabor erleichtert. „Gerne wird auch für entsprechendes Anschauungsmaterial auf den 3D-Drucker zurückgegriffen“, so der Bereichsleiter. „Es ist einfach etwas anderes, wenn man dem Kunden das spätere Feingussteil in die Hand geben und zeigen kann, wie dieses einmal aussehen wird.“ Das schaffe gegenseitiges Verständnis, betont der Bereichsleiter. Auch Konstruktionsfragen werden oft mit den additiv gefertigten Demo-Version besprochen und geklärt. Schlussendlich nutzen Mitarbeiter die Bauteile, um die Einbausituation des zukünftigen Bauteils in der Endanwendung zu überprüfen.

Veränderte Kühlung des Werkzeugs

Mit der neuen Technik waren aber besonders zu Beginn auch neue Herausforderungen verbunden. Zunächst muss die Geometrie für den Druck geeignet sein, jedoch muss auch die Oberflächenqualität berücksichtigt werden. So ist der Druck bei Sichtteilen oftmals nicht möglich, da die entsprechende Oberflächengüte nicht erreicht werden kann. Zudem muss die längere Abkühlzeit bedacht werden. Durch diese rechnet sich der Werkzeugdruck nur bei Kleinserien. Für große Stückzahlen ist die Taktzeit zwischen dem Einspritzen des Wachses und der Entnahme des fertigen Wachsteils zu groß.

Bei der Maschine, mit der man bei Formenbau Blank druckt, beträgt der Bauraum 250 mm × 250 mm × 200 mm. „Wird bei uns ein Werkzeug gedruckt, besteht dieses aus Kunststoff“, erklärt der Bereichsleiter. „Wird es im Folgeprozess in einen Spritzautomaten zur Herstellung der Wachslinge eingesetzt, erwärmt sich das Werkzeug stetig. Die Wärmeabfuhr ist werkstoffbedingt geringer als bei der Verwendung eines vollgefrästen Aluminiumwerkzeuges. Daher müssen geeignete Maßnahmen zur Kühlung des Werkzeuges umgesetzt werden, um eine wirtschaftliche Fertigung zu erreichen.“ Grundsätzlich kann jedes Werkzeug, das sich durch die klassische mechanische Bearbeitung herstellen lässt, auch im 3D-Druck gefertigt werden. Allerdings muss beachtet werden, dass es bei der Additiven Fertigung zu Qualitätseinbußen kommt. So werden harte Kanten im Werkzeug nicht exakt wiedergegeben, denn Kanten sind im additiv gefertigten Werkzeug immer leicht abgerundet.

Vor- und Nachteile des Rapid Toolings

Somit entscheiden der spätere Einsatz des fertigen Gussteils und die daraus resultierenden Anforderungen an Geometrie und Oberfläche, ob sich Additive Fertigung eignet oder nicht. Für kleine Stückzahlen und Prototypen kann der 3D-Werkzeugdruck durch die schnelle Verfügbarkeit der Form und der späteren Wachsteile allerdings sehr interessant sein. Der Fairness halber muss festgehalten werden, dass ein klassisch in der mechanischen Bearbeitung hergestelltes Werkzeug immer genauer sein wird als ein Gedrucktes. Hier befinden wir uns in einem Bereich von 0,1 bis 0,2 mm.

Die Additive Fertigung bringt entscheidende Vorteile, wie erhöhte Flexibilität und deutlich schnellere Verfügbarkeit. Auch spart man zeitraubende Arbeitsschritte und kann sein time to market optimiert. Der 3D-Druck ist eine lohnende Alternative bei hoch komplexen Bauteilen in kleinen Losgrößen, die schnell und kostengünstig verfügbar sein müssen. Das sieht Feinguss Blank auch so. Allerdings gibt es für den Werkzeugbau einiges zu beachten. Wird das Teil jedoch verbaut und die Geometrie durch die Gratbildung im Trennbereich nicht beeinträchtigt, oder wird dieser Grat später in der mechanischen Bearbeitung entfernt (da die Gussgeometrie von der Genauigkeit her nicht ausreicht), kann sich ein Werkzeug aus dem 3D-Druck lohnen.

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