„Chancen durch den 3D-Druck im Formenbau – warum wird diese Technologie nicht verstärkt eingesetzt“

Optimal temperierte Formen sorgen neben einer verbesserten Zykluszeit insbesondere für einen stabileren Gießprozess. Hinzu kommt eine Verbesserung der Formstandzeit sowie der Energie- und Ressourcenbilanz.

Der pulverbettbasierte 3D Druck Prozess, erlaubt durch den schichtweisen Aufbau komplexe Teilekonstruktionen und konturnahe Kühlgeometrien. Hierdurch kann nicht nur fast jeder Bereich der Formkontur zur optimalen Temperierung erreicht werden, sondern es ergeben sich insbesondere bei dünnwandigen Bauteilen ganz neue Möglichkeiten der Teilegestaltung.

Trotz der offensichtlichen Vorteile setzt heute nur ein kleiner Teil der deutschen Werkzeug- und Formenbauer den 3D-Druck ein bzw. nur wenige Gießer verwenden Werkzeugeinsätze mit konturnaher Kühlung in Ihrem Produktionsprozess. Dies ist insbesondere vor dem Sachverhalt erstaunlich, da die Vorteile dieser Technik sowohl in China als auch den USA oder Portugal inzwischen „State-of-the-art“ sind. Auch wird die Technik für viele potentielle Anwender noch immer als sehr neu wahrgenommen – obwohl sie jedoch bereits seit über 10 Jahren am Markt bekannt und vielfach erprobt ist.

Doch was sind die wirklichen Gründe für die Zurückhaltung?

Die Gründe welche zu dieser Zurückhaltung bei den Gießern als auch den Formenbauern geführt haben, liegen grundsätzlich nicht darin, dass die Branche als relativ konservativ bekannt ist – eine Aussage welche größtenteils nicht zutrifft.

Die Gründe sind insbesondere darauf zurückführen, dass die in der anfänglichen Euphorie gedruckten Werkzeugeinsätze aufgrund unterschiedlicher Gründe teilweise ausgefallen sind oder dass ganz einfach die Erwartungen an die neue Technologie zu hoch waren.

Auch konnten nicht alle 3D-Druck Dienstleister neben der Herstellung der Bauteile, eine Beratung zum Thema „Gestaltung der Kühlleitungen“ bzw. zum „sensiblen Umgang mit konturnah gekühlten Einsätzen“ anbieten.

Es kam durch verstopfte Kühlleitungen zu Ausfällen im Gießprozess. Konturnahe Kühlungen erfordern einen sensibleren Umgang als konventionelle Kühlungen. Aufgrund der geringeren Durchmesser der Kühlleitungen ist es unabdingbar, dass das Kühlmedium frei von Verunreinigungen ist.

Bei der Konstruktion der Kühlleitungen muss weiter darauf geachtet werden, dass eine vollständige Entfernung des losen Pulvers nach dem Druckprozess sichergestellt werden kann. Dies hat darüber hinaus den Vorteil, dass beim Abnehmen der Form die einzelnen Kühlkreisläufe individuell auf Verschmutzungen überprüft und gereinigt werden können.

Der klassisch im Formenbau verwendete Werkstoff 1.2343 lässt sich noch nicht prozesssicher im 3D Druck verarbeiten. Der hohe Kohlenstoffgehalt kann aufgrund der Abkühlgeschwindigkeit zu Rissbildungen führen.

Obwohl der Alternativwerkstoff 1.2709 (Maraging Steel MS1) in den mechanischen Eigenschaften nur geringfügig vom 1.2343 abweicht, wird dieser aufgrund diverser aber nicht nachvollziehbarer Bedenken nicht gerne verwendet. Dabei sind die mechanischen Eigenschaften größtenteils besser als beim Warmarbeitsstahl 1.2343.

Leider kommt es auch aufgrund einseitig betrachteter ökonomischer und finanzieller Aspekte zu einer Ablehnung. Eine kundenseitige finanzielle Budgetierung der Formen – ohne die Berücksichtigung der wirtschaftlichen Vorteilen im Gießprozess – verhindert, dass eine zwar in der Herstellung etwas teurere dafür aber optimal temperierte Form eingesetzt wird.

Missverständnisse und pauschale Desinformationen tragen weiter zur Zurückhaltung bei.

Die Konkreten Vorteile für den Gießer im Druckguss als auch im Kunststoffspritzguss lassen sich wie folgt zusammenfassen.

Nahezu jeder zu temperierende Bereich kann mit der Kühlung direkt an der Kontur erreicht werden. Daraus resultiert ein thermisch stabiles und weniger störanfälliges Werkzeug durch die Steuerung des Temperaturhaushaltes direkt an der Werkzeugoberfläche.

Die bekannteste Verbesserung ist die Reduzierung der Zykluszeit. Jedoch kommt noch eine ganze Reihe an weiteren Verbesserungen hinzu.

Das „aktive Temperieren“ führt zu einer Reduzierung von Bauteilverzügen und damit verbunden zu einer Reduzierung der Ausschussquote, da die Optimale Werkzeugwandtemperatur über den gesamten Prozess einstellbar ist.

Dies führt zu einer homogenen, optimalen Gefügeausbildung im Druckguss. Optische Defekte wie Einfallstellen werden durch variothermer Temperierung minimiert oder gänzlich eliminiert

Auch für den Spritzguss ergeben sich ganz neue Möglichkeiten bei optischen Bauteilen. Diese Bauteile benötigen Wärme um langsam abzukühlen bzw. um über den Füllprozess einen gleichmäßigen Abkühlprozess zu erhalten. Damit werden Bindenahtproblematiken aufgrund vorzeitigen Erstarrens von Material bei der Befüllung verhindert. Neue Möglichkeiten von Hochglanzoberflächen und die Abformung von Mikrostrukturen ergeben sich.

Im Druckguss können Anhaftungen durch Beeinflussung der Erstarrung verhindert werden. Die Formschonendere Kühlung verhindert Formbrandrisse und ein vorzeitiges Altern der Form.

Für die Konstruktion und Entwicklung von Bauteilen ergibt sich eine größere Designfreiheit, engere Geometrien und dünnwandigere Bauteile sind durch den besseren Fluss des Materials möglich.

Weiter ermöglicht die Reduzierung von Bauteilverzügen die Konstruktion von leichteren Bauteilen was zu einer Gewichtsreduzierung der Bauteile führt.

Eine gezielte, konturnahe Kühlung welche durch eine optimale Entwicklung der Form und vorausgegangenen Simulationen erarbeitet wurde – ermöglicht bereits bei den ersten Abgüssen eine optimale Werkstückgenauigkeit. Dies führt dazu, dass ein optimales Bauteil in weniger Iterationsschritten erreicht wird und die Form nicht durch mehrmaliges mechanisches Korrigieren angepasst werden muss.

Neben den bekannten Punkten wie Verbesserung der Taktzeit bzw. der Bauteilequalität wird eine Verbesserung der Energie- und Ressourcenbilanz in der Produktion erzielt. Die Wärmeenergie wird durch planmäßiges Abführen über geschlossene Kreisläufe aus der Form entzogen. Dies bedeutet, dass die Wärme nicht mehr über den Stahl bzw. Stahlflächen in die Atmosphäre abgeführt wird, sondern durch ein Medium direkt an der Stelle der Entstehung.

Im Druckguss ist konturnahe Kühlung die Grundlage für die Minimalmengensprühung. Damit kann erreicht werden, dass weniger Wasser zum kühlen eingesetzt wird. Die Minimalmengensprühung führt gleichzeitig zu weiteren Vorteilen. Neben einem wesentlich geringeren Wasserverbrauch sowie der damit verbundenen Einsparung von Entsorgungskosten, führt die Minimalmengenschmierung zu einer Verbesserung der Formstandzeit, da die sanftere Kühlung hohe Belastungen und Spannungen für das Material und damit die Rissbildung verhindert.

Bei der Herstellung von konturnah gekühlten Einsätzen geht es primär nicht um einen kostengünstigeren Herstellungsprozess der Form, sondern um eine Verbesserung der Funktion und je nach Anwendungsfall um eine Verkürzung des Gießzyklusses.

Die Ergebnisse hängen wie beschrieben nicht alleine von der Kühlung ab, jedoch zeigen laufende Projekte, dass oft eine Verbesserung der Taktzeit von 15 und 30 % erreicht werden kann. In einzelnen Fällen lag im Kunststoffspritzguss die Taktzeitverbesserung sogar bei über 45%. Die Reduzierung der Kosten für Ausschuss und Nacharbeit sind insbesondere im Druckguss beeindruckend. Darüber hinaus kann in fast allen Fällen eine Verlängerung der Formstandzeit erreicht werden.