Umformwerkzeuge scheibchenweise

Zur schnellen und kostengünstigen Herstellung von Prototypbauteilen und Werkzeugen wurde das Metal Laminated Tooling entwickelt. Die Verkürzung der Zeit von der Produktidee bis zur Markteinführung...

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Zur schnellen und kostengünstigen Herstellung von Prototypbauteilen und Werkzeugen wurde das Metal Laminated Tooling entwickeltDie Verkürzung der Zeit von der Produktidee bis zur Markteinführung wird für Unternehmen in nahezu allen Branchen zunehmend zum Wettbewerbsfaktor. Erhebliche Anstrengungen werden unternommen, um immer schneller Prototypbauteile oder -werkzeuge zu erhalten. Fertigungsverfahren, bei denen kein Material abgetragen sondern aufgebaut wird, können in diesem Zusammenhang eine Alternative zur konventionellen Fertigung darstellen.Komplexe Werkzeuge aus StahlblechzuschnittenEin generatives Verfahren, welches besonders zur schnellen Fertigung von Prototypwerkzeugen mit Kantenlängen von mehr als 300 mm geeignet ist, ist das Metal Laminated Tooling (Melato). Bei diesem Verfahren werden komplex geformte Werkzeuge aus Stahlblechzuschnitten zusammengesetzt und in Abhängigkeit vom Anwendungsgebiet kraft- oder stoffschlüssig verbunden. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden arbeitet gemeinsam mit industriellen Partnern aus den Gebieten Werkzeug- und Anlagenbau sowie Softwareentwicklung und Sensorik an einer Automatisierungslösung für das Schneiden, Paketieren und Fügen von Blechzuschnitten. Damit soll die Fertigungszeit großer Werkzeuge von derzeit etwa 12 Wochen auf eine Woche verkürzt werden. Die Werkzeugfertigung nach dem Melato-Prinzip erfolgt in Teilschritten.Als Ausgangsinformationen dienen 3D-CAD-Daten in den gängigen Schnittstellenformaten (VDA, IGES, STL), die in das CAD/CAM-System eingelesen werden. Analog zahlreicher Rapid-Prototyping-Technologien wird das 3D-CAD-Modell in Ebenen (Querschnitte) zerlegt. Die Querschnitte werden nun auf einer Stahlblechtafel verteilt. Die Größe der Blechtafel und der Abstand der Einzelquerschnitte zueinander sind in der CAM-Software frei wählbar. Unmittelbar aus diesen Daten wird das optimale Schneidprogramm generiert. Die Einzelquerschnitte werden durch Laserstrahlschneiden aus der Blechplatine herausgetrennt und anschließend mit geeigneten Verbindungstechnologien wie zum Beispiel durch Schrauben und Schweißen zusammengefügt. Abschließend erfolgt anwendungs- und stückzahlangepasst die Endbearbeitung durch Verfahren wie Auftragschweißen, Fräsen sowie Wärme- oder Oberflächenbehandlung. Die Prozesskette bietet eine ganze Reihe von Vorteilen:- Hohlräume für Kühlsysteme, Wärmedämmung, Schmiersysteme, Beheizung, Sensoren können in das Werkzeug integriert werden.- Komplizierte tiefliegende Geometrien sind durch sukzessiven Aufbau herstellbar.- Durch Austausch einzelner Segmente ist eine schnelle Geometrieänderung möglich.- Die Fertigungszeit wird verkürzt, weil das Gießen des Rohteilblocks entfällt und Schruppen, Vorschlichten und Bohren eingespart werden kann.- Prototypwerkzeuge sind durch Endbearbeitung und Oberflächenveredlung zu Serienwerkzeugen qualifizierbar.- Der Einsatz verschiedener laserbasierter Verfahren (Schneiden, Schweißen, Auftragschweißen) in der Prozesskette ermöglicht eine hohe Flexibilität des Fertigungsablaufs.Zur Verbesserung der Endkonturnähe und zur Verringerung der für das Verfahren typischen Stufung wurde ein Softwaretool entwickelt, welches unterschiedliche Slicerichtungen in einem Werkzeug ermöglicht. Die Werkzeuge werden damit in mehrere Einzelmodule zerlegt. Die Oberflächentopologie bestimmt dann die jeweils günstigste Slicerichtung.Beanspruchungsgerechte WerkzeugauslegungDurch das konturangepasste Slicen kann besser auf die Beanspruchungen am Bauteil reagiert werden. Zudem wird der Nachbearbeitungsaufwand am Lamellenwerkzeug deutlich vermindert. Ist dennoch eine Fräsnachbearbeitung notwendig, verbessern sich die Bearbeitungsbedingungen, denn durch die Zerlegung in mehrere Einzelmodule ist der Einsatz kurz auskragender Werkzeuge möglich. Dies trägt zur Verminderung der Werkzeugschwingungen bei und führt zu einer höheren Genauigkeit. Daneben sind Geometrien herstellbar, die sonst nur durch Erodieren erzeugt werden können (Bild 3 und Bild 4).Die Verbindung der einzelnen Blechsegmente hat entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften und die Kosten eines lamellierten Werkzeuges. Im Rahmen des Melato-Projektes werden verschiedene Fügetechniken hinsichtlich ihrer Eignung zum Verbinden von Blechzuschnitten für den Aufbau von Werkzeugen untersucht. Welche Verbindungstechniken zur Anwendung kommt, ist letztendlich vom Einsatzgebiet und den Beanspruchungen des Werkzeuges abhängig.Durch die Verwendung von Schrauben und Verankerungen aus niedrigschmelzenden Legierungen sind die Bauteile komplett oder teilweise wieder zerlegbar und neu zusammensetzbar. Im Produktentwicklungsprozess häufig zu berücksichtigende Geometrieveränderungen können schnell durch das Auswechseln der entsprechenden Schichten realisiert werden. Die komplette Neuerstellung des Werkzeugs ist nicht erforderlich. Weitere wesentliche Vorteile dieser Verbindungstechnologien sind der geringe Investitionsaufwand für die Verschraubung oder die Gießtechnik und die Möglichkeit, unterschiedliche Blechmaterialien zu verbinden. Weil kein oder nur ein sehr geringer Wärmeeintrag stattfindet, ist auch nicht mit Spannungen, Maßänderungen oder Verzug zu rechnen. Vor allem Werkzeuge für die Umformung wurden bisher verschraubt oder mit Zugankern verbunden. Weitere Möglichkeiten zum Verbinden der Blechsegmente sind das Kleben, das Schweißen und das Löten. Kleber, die auf die einzelnen Blechsegmente oder auf das bereits paketierte Werkzeug aufgetragen werden, können das Aufweiten oder Verschieben einzelner Segmente vermindern. Höhere Festigkeiten werden erreicht, wenn das Blechpaket verschweißt wird. Bei der Fertigung von lamellierten Werkzeugen für die Sandkernherstellung hat sich das Schweißen als Verbindungstechnik bewährt. Im Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik wurden Schweißstrategien und Softwarekomponenten erarbeitet, die sowohl ein punktförmiges Verschweißen mehrerer Bleche als auch ein linienförmiges Verschweißen des gesamten Blechpakets ermöglichen. Zum Einsatz kommen das WIG-Schweißen sowie das Laser- und Plasmaschweißen mit oder ohne Zusatzwerkstoff (Bild 5).Im Unterschied zu den oben genannten Anwendungsbereichen ist bei der Herstellung von Spritzgießwerkzeugen auf eine flächige Verbindung zwischen den einzelnen Blechsegmenten zu achten. Unter Berücksichtigung weiterer Forderungen wie Arbeitstemperaturen von größer als 150 °C und hohe Druckfestigkeit kommt als Verbindungstechnologie nur das Löten in Frage, welches mit einem nicht zu vernachlässigendem, vor allem apparativem Aufwand verbunden ist. Die Anwendung der Melato-Technologie zur Fertigung von Spritzgießwerkzeugen wird deshalb vor allem im Zusammenhang mit der Einbringung konturnaher Kühlkanäle als wirtschaftlich betrachtet.Standzeiterhöhung durch OberflächenbehandlungIm Hinblick auf die Verbesserung der Standfestigkeit und die Qualifizierung der Prototypwerkzeuge zu Serienwerkzeugen können sich vor oder nach der mechanischen Endbearbeitung Verfahren zur Oberflächenveredlung anschließen. So wurden gute Ergebnisse durch das partielle Verschweißen der Blechsegmente an kritischen Ziehkanten erzielt. In Abhängigkeit vom Schweißzusatzwerkstoff kann das Werkzeug an die Beanspruchung angepasst werden.Dem Umformwerkzeug den letzten Schliff verpasstZur Verringerung von adhäsivem Verschleiß bei der Umformung bietet sich eine Oberflächenbehandlung der endbearbeiteten Melato-Werkzeuge durch Diffusionsverfahren wie Nitrieren und Borieren an. Die dabei notwendigen Behandlungstemperaturen von etwa 500 °C beim Nitrieren und 900 bis 1000 °C beim Borieren haben zu keinerlei Verwerfungen oder Verformungen am lamellierten Werkzeug geführt.In Verbindung mit dem Einsatz des lamellierten Werkzeuges im Bereich des Spritzgießens könnte das Abdecken der Lamellenstruktur von Bedeutung sein. Dabei stellt die Abscheidung galvanischer Nickel-Schichten eine mögliche Lösung dar.Zur Automatisierung der Prozesskette wird im Rahmen des Melato-Projektes beispielhaft ein Fertigungszentrum mit Handlingsystem aufgebaut. Das Fertigungszentrum besteht aus einer Laserstrahl-Schneidmaschine und einem Fräs-zentrum. Letzteres wird nach Integration eines Lasers und eines Plasmabrenners die Arbeitsschritte Fräsen und Auftragschweißen in sich vereinen. Soweit auf Schweißverfahren zum Verbinden der Bleche zurückgegriffen wird, werden auch diese in dem Bearbeitungszentrum durchgeführt. Die Integration der beiden Technologien in eine 3-Achs-Fräsmaschine wurde bereits umgesetzt. Damit können Bauteile und Werkzeuge in einer Aufspannung auftraggeschweißt und endbearbeitet werden. Damit zukünftig auch kompliziert geformte Bauteile so bearbeitet werden können, wird die dafür notwendigen Systemtechnik derzeit in eine 5-Achs-Fräsmaschine eingebunden. Das Bearbeitungszentrum wird zusätzlich mit einem Sensor zur 3-dimensionalen Vermessung der Bauteile ausgestattet, um den Baufortschritt zu überwachen und falls notwendig, vorherige Prozessschritte anzupassen. Zur Verbesserung der Sicherheit der laserbasierenden Prozesse werden Sensorsysteme eingesetzt und für die Prozesse weiterentwickelt (Bild 6).Die Werkzeugbearbeitung ist weitgehend automatisiertBesonderes Augenmerk gilt der Automatisierung der Arbeitsschritte zwischen dem Laserschneiden und dem Endbearbeiten. Aus der Vielzahl möglicher Verbindungstechnologien werden die für das jeweilige Anwendungsgebiet des Werkzeuges optimalen Fügeverfahren nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten ausgewählt. Für die Verknüpfung der einzelnen Bearbeitungsstationen sind spezielle Softwaremodule zu erarbeiten, die mit allen Steuerungssystemen kommunizieren. Für alle Teilprozesse wird Datendurchgängigkeit und eine bedienerfreundliche Nutzeroberfläche gewährleistet. Die Konzeption mehrerer durch ein Handlingsystem miteinander verknüpfter Bearbeitungsstationen ist für die Einführung der Technologie in der Industrie von Vorteil, da ein Teil der notwendigen Ausrüstung in den Unternehmen meist vorhanden ist. Für die Fertigung von Prototypwerkzeugen nach dem Melato-Prinzip interessieren sich Werkzeugbauer vor allem aus den Bereichen Umformen, Kernformen und Spritzgießen. Durch das Fraunhofer IWS wurden bereits mehrere Werkzeuge gebaut und von den Industriepartnern in der Praxis ausgiebig getestet. Aktuelle Ergebnisse zum Stand der Entwicklungsarbeiten können auf der Internetseite (Adresse siehe am Artikelende) nachgelesen werden. Im Melato-Verfahren hergestellte Werkzeuge wurden erstmals auf der diesjährigen Hannover-Messe im April gezeigt.