3D-gedrucktes Werkzeug

Mehr Leistung bei weniger Gewicht und kleineren Abmaßen

Die Möglichkeiten des 3D-Drucks in Metall erlauben es, neue Wege zu gehen und eine Form vollkommen neu zu denken.

Das neue und optimierte 3D-gedruckte Werkzeug (links) hat stark verkleinerte Bauteilabmessungen gegenüber dem konventionell gebauten früheren Pendant © Toolcraft

In einem Projekt zur Fertigung eines Kunststoffteils für die optische Industrie wurde mit dieser Technologie ein topologieoptimiertes Werkzeug entwickelt, das nicht nur leichter herzustellen ist, sondern auch in der Produktion des Kunststoffteils erhebliche Verbesserungen bringt.

Das bisherige Werkzeug besteht aus Formeinsätzen, Formplatten, Aufspannplatten und Normteilen. Die Abmessungen belaufen sich auf 125 x 125 x 130 Millimeter (Breite x Länge x Höhe) und etwa 60 Kilogramm Gesamtgewicht. Ziel des Projekts bei Toolcraft war, den Spritzgießprozess hinsichtlich Zykluszeit zu optimieren sowie die Komplexität der Baugruppe und des Entwicklungsprozesses zu vereinfachen. Hierbei profitiert das Unternehmen von der bereits vorhandenen Erfahrung im Bereich additive Fertigung. Aufgrund der hohen Fertigungsfreiheiten des metallischen 3D-Drucks legte der Konstrukteur den Einsatz neu aus und optimierte dessen Topologie entsprechend den vorhandenen Lasten und Anforderungen. Das Ergebnis ist eine komplett neue Form – kleiner, leichter und mit integrierter, konturnaher Kühlung.

Funktionalität erhalten

„Bestimmte Flächen galt es bei der Topologieoptimierung zu erhalten, um die Funktionalität der Form zu gewährleisten“, erklärt Ralf Domider, Konstruktion und Simulation Metall-Laserschmelzen bei Toolcraft. „Spezielle Anforderungen, wie die Passgenauigkeit beider Teile zueinander, die Position des Auswerferpakts und die Anschlüsse der Maschinenperipherie, mussten bei der Topologieoptimierung bereits berücksichtigt werden.“ Zudem sei ist schon bei der Konstruktion die spätere Aufspannmöglichkeit für Nacharbeiten in einem CNC-Bearbeitungszentrum zu beachten. Um die technologischen Vorteile der additiven Fertigung voll auszuschöpfen, wurden Funktionsflächen, zum Beispiel ein konturnaher Kühlkanal mit optimierter Querschnittsfläche, in das Rohteil integriert. Eine weitere Herausforderung war der Bauteilverzug beim 3D-Druck in Metall. Die optimale Bauteilausrichtung und die jeweilige Supporterstellung setzt ein tiefes Prozessverständnis und Erfahrung im Aufbereiten von Daten für die additive Fertigung voraus und hat starken Einfluss auf den Bauteilverzug. Mit Hilfe der integrierten Prozesssimulation lassen sich diese Verzüge laut Unternehmen schnell und effizient berechnen. Somit werden Auschussbauteile oder Störungen im Bauprozess bereits im Vorfeld vermieden. Das „First time right“-Prinzip ist ein wichtiges Indiz für die technologische Reife der additiven Fertigung und ist vor allem für industrielle Anwendungen von hoher Bedeutung.

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End-to-end Prozess mit Siemens NX

Nach der konstruktiven Neuauslegung der Form extrahiert der Konstrukteur Funktionsflächen und legt die Randbedingungen fest. Auch das Material wird zu diesem Zeitpunkt ausgewählt. Danach folgen die Integration der konturnahen Kühlung, Topologieoptimierung sowie Verifizierung per FEM-Berechnung und Kühlsimulation. Anschließend werden die Daten für den Druck aufbereitet. Nach der Simulation des Druckprozesses folgen die Fertigung sowie das Finishing, von der Wärmebehandlung, Stützstrukturentfernung, Oberflächenbehandlung bis zur zerspanenden Nacharbeit sowie optischen und taktilen Qualitätsprüfung.

Das neue und optimierte 3D-gedruckte Werkzeug hat deutlich kleinere Abmessungen. „Die ursprüngliche Baugruppe aus mehreren Einzelteilen wurde auf jeweils eine Werkzeughälfte reduziert. Die Masse des optimierten Werkzeuges ist somit um fast 50 Prozent geringer“, resümiert Ralf Domider. Das niedrige Gewicht erfordert kleinere Maschinenkräfte und erleichtert die Montage in der Spritzgießmaschine. Gleichzeitig sei die Leistung des Werkzeugs, trotz der kürzeren Entwicklungszeit, deutlich gesteigert worden. Die geringere Masse und die konturnahe Kühlung ermöglichen demnach die Reduzierung der Zykluszeit um 30 Prozent bei identischer Bauteilqualität.

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