Additive Fertigungstechniken Deutlich schneller zum fertigen Produkt

Bild 1. Werkzeug und Spritzling: Durch die konturnahe Temperierung reduzierte sich die Zykluszeit um 17 Prozent, und die Qualität des Armlehnenteils verbesserte sich.
Bild 1. Werkzeug und Spritzling: Durch die konturnahe Temperierung reduzierte sich die Zykluszeit um 17 Prozent, und die Qualität des Armlehnenteils verbesserte sich.

Maßgeschneiderte Produkte zeit- und kostensparend produzieren zu können ist das Hauptargument, das Hersteller für ihre industriellen 3D-Druckermodelle ins Feld führen. Diese Fertigungstechnik wird von der Industrie mehr und mehr für serientaugliche Projekte genutzt, und die folgenden Beispiele geben einen ersten Eindruck.

Spiegel Online veröffentlichte am 8. April d.J. eine Meldung zum Thema 3D-Druck, wonach es in China eine Firma gibt, die binnen eines Tages zehn Häuser mit additiven Druckverfahren herzustellen versteht. Dass diese Häuschen nur 4 m × 6 m groß sind und lediglich eine Etage aufweisen, ist letztendlich zweitrangig. Derartige Projekte machen vielmehr deutlich, dass der Kreativität der Menschen kaum Grenzen gesetzt sind.

Auch die Industrie hat erkannt, dass additive Herstelltechniken, die in der Öffentlichkeit gerne mit 3D-Druck gleichgesetzt werden, immense Kosten- und Zeitvorteile mit sich bringen können. In [1] hatte der Autor bereits einen Grundlagenbeitrag veröffentlicht. Im Folgenden geht es um konkret umgesetzte Projekte, die insbesondere die Firma EOS Electrical Optical Systems in den vergangenen Jahren zusammen mit Kunden aus der Industrie realisierte.

Innomia optimiert Herstellungsprozesse im Werkzeugbau

Das in der Tschechischen Republik ansässige Unternehmen Innomia a.s. ist unter anderem in der Automobilbranche tätig und hat sich ganz dem direkten Metall-Laser-Sintern (DMLS, siehe Kasten) verschrieben. Das Portfolio reicht vom Prototypenbau über die Herstellung von Einsätzen für Spritzguss- und Druckgusswerkzeuge bis hin zur Werkzeugreparatur. So haben die DMLS-Spezialisten mit Hilfe der EOS-Technologie den Automobilzulieferer Magna dabei unterstützt, dank überarbeiteter Kühlung den Produktionsprozess für spritzgegossene Kunststoffteile zu optimieren. Von dieser Verbesserung profitieren unter anderem Armlehnen (Bild 1) zwischen den Vordersitzen, deren Herstellung beim Zulieferer Magna im klassischen Spritzgussverfahren erfolgt.

Dabei wird über ein Spritzguss­werkzeug flüssiger, mit Glasfasern versehener Kunststoff in einen Hohlraum eingebracht und erstarrt wieder. Das Bauteil kann anschließend entnommen werden und ist fertig für den Transport zum Automobilhersteller bzw. zu weiteren Zulieferern. So weit die vereinfach­te Darstellung, doch in der Realität ist dieser Vorgang ein komplexer Prozess, bei dem jeder Arbeitsschritt perfekt funktionieren muss.

Die Wärmeenergie des flüssigen Ausgangsmaterials muss über das Produktionswerkzeug abgeführt werden, um den Kunststoff erstarren zu lassen. Der Kühlvorgang bestimmt unter anderem die Qualität des Bauteils, denn ungleichmäßige Wärmeableitung kann zu Verformungen führen. Darüber hinaus spielt die Temperierung eine tragende Rolle für den Herstellungszyklus: Je schneller die Wärme abtransportiert wird, desto eher kann ein Teil entnommen und das nächste produziert werden.

Im bisher verwendeten, aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellten Werkzeug war die Kühlung nur von einer Seite her möglich, und die Temperaturverteilung war daher ungleichmäßig. Das verwendete Kühlwasser musste nur 16 °C haben, um entsprechend viel Wärmeenergie zu absorbieren. Durch die hohen Temperaturen an der Oberfläche des Einsatzes – bis zu 120 °C – stieg zudem die Luftfeuchtigkeit in der Umgebung und beschleunigte die Korrosion. So war eine kostenintensive Reinigung alle ein bis zwei Wochen erforderlich. Allein die große Härte des Werkzeugkerns hatte Beschädigungen der Oberflächen bei den häufigen Säuberungsvorgängen bislang verhindert.