Rapid Tooling -

Werkzeugbau mittels 3D-Druck

Neben dem Rapid Prototyping und dem Rapid Manufacturing ist das Rapid Tooling eine weitere Anwendungsebene für den 3D-Druck.

Wie war der Ur-/Ist-Zustand beim Werkzeugbau?

Die Herstellung von Werkzeugen für die Spritzgusstechnik ist sehr zeit- und kostenintensiv. Der Zeitraum von der Idee bis zum fertigen Werkzeug kann schnell mehrere Monate betragen und nicht selten liegen die Kosten im fünfstelligen Bereich und höher.

Werkzeuge sind ein entscheidender Faktor, wenn wir eine gute bis sehr gute Bauteilqualität erreichen wollen.  Diese Werkzeuge werden mit den herkömmlichen Bearbeitungsmethoden wie CNC-Fräsen, Erodieren und Schleifen auf den entsprechenden Maschinen hergestellt.

Diese spanende Bearbeitung hat Grenzen bzw. Einschränkungen.

Beispielsweise können die notwendigen Kühlbohrungen nur gerade in das Werkzeug eingearbeitet werden. Es kann dadurch zu unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten beim späteren Spritzgussbauteil kommen, da die Bauteilkonturen nicht nur geradlinig verlaufen. 

Das Werkzeug besteht mindestens aus zwei Teilen, in denen die Negativform des herzustellenden Bauteils eingearbeitet ist. Der gewünschte Kunststoff wird in diese Negativform eingespritzt.

Das ist nur eine sehr einfache Beschreibung des Spritzgusses. Wenn du mehr über die technischen Aspekte des Werkzeugbaus wissen möchtest, kann ich dir diese Seite und das folgende Video empfehlen.

Neben dem Spritzguss werden auch in anderen Bereichen Formwerkzeuge gebraucht.

Der Vakuumguss zum Beispiel benötigt Tiefziehwerkzeuge, Presswerkzeuge kennen wir zum Beispiel bei der Herstellung von Getränkedosen.

Wie funktioniert Rapid Tooling?

Wir unterscheiden auch beim Rapid Tooling wieder zwei Bereiche.

Direct Tooling - das Herstellen von Werkzeugen, die auch für die langfristige Produktion von Bauteilen gedacht sind.

Die andere Variante ist das Prototype Tooling. Das Werkzeug wird nur hergestellt, um den Entwurf eines Modells bzw. einer gewünschten Form abzubilden.

Unser Interesse gilt hauptsächlich dem Direct Tooling.

Wie im Video oder im verlinkten Artikel genauer beschrieben, besteht ein Spritzgusswerkzeug aus vielen Einzelteilen (z.B Formplatte, Auswerferbolzen, Führungsbolzen, etc.).

Beim Rapid Tooling werden nicht alle Komponenten gedruckt, sondern nur die Werkzeugeinsätze inklusive Kühlkanäle oder spezielle Schieberelemente. Dabei werden die Kühlkanäle konturnah konstruiert, um die Zykluszeiten zu reduzieren und den Verzug von Bauteilen zu minimieren.

Durch das Verkürzen der Zykluszeiten steigern wir die Produktivität der Spritzgussanlage.

Für das Rapid Tooling werden Metalle, wärme resistente Kunststoffe und Mineralien, zum Beispiel Sand, verwendet.

Die Haltbarkeit der Werkzeuge kann je nach Druckmaterial sehr unterschiedlich ausfallen.

In vielen Fällen wird ein Formeinsatz gedruckt, das in die Formplatte mit eingeschraubt wird.

Hier findest du einen interessanten Beitrag von Formlabs.

Werkzeuge aus Metall können Teile im sechsstelligen Bereich produzieren, deshalb spricht man hier spricht man von Hard-Tooling.

Werkzeugformen aus Kunststoff sind eher für Kleinserien geeignet. Nach etwa 100-200 Stück wird die Werkzeugform unbrauchbar. Hier wird vom Soft-Tooling gesprochen.

Je nach Material des gedruckten Spritzgusswerkzeug muss der Anpressdruck der Spritzgussmaschine angepasst werden.

Das Thema Rapid Tooling ist sehr umfangreich und kann noch in weitere Unterkategorien gegliedert werden. Auch eine indirekte Herstellung von Formen und Werkzeugen ist mit Hilfe eines gedruckten Ur-Modells möglich.

Eine Erläuterung sämtlicher Details würde jedoch hier den Rahmen sprengen.

Daher möchte ich weiter auf das allgemeine Rapid Tooling konzentrieren und dessen Besonderheiten bzw. Vorteile gegenüber der herkömmlichen Werkzeugherstellung aufzeigen.

Welche Vorteile hat das Rapid Tooling im Vergleich zur herkömmlichen Werkzeugerstellung?

Welche Drucktechnologien eignen sich für Rapid Tooling?

Geeignete 3D-Druckverfahren für das Rapid Tooling sind SLA, PJ, und MJM- Druckverfahren.

Diese bestechen vor allem durch ihre Genauigkeit und dessen glatten Oberflächen der gedruckten Werkzeuge heraus.

Hierbei ist zu erwähnen, dass nur bestimmte Materialien mit den notwendigen Eigenschaften wie Temperaturbeständigkeit und Festigkeit verwendet werden können.

Mit Resin(Kunstharz) gedruckte Formen und Werkzeuge sind eher dem Soft-Tooling zuzuordnen.

Hier findest du einen interessanten Beitrag von Stratasys.

Auch das FDM- Druckverfahren kann für Rapid Tooling genutzt werden.

Wenn man an die Oberflächenqualität der Kunstharz-Drucker erreichen möchte, ist jedoch eine leichte Nachbearbeitung notwendig.

Eine für mich sehr interessante Lösung bietet die Firma Mark3D an.

Das SLS-Verfahren ist für Rapid Tooling äußerst wichtig.

Damit können Hochleistungskunststoffe verarbeitet werden. Durch das Verschmelzen einzelner Pulverkörner entstehen stabile und druck beständige Bauteile.  

Beim SLS-Verfahren können Kunststoffe, Metalle und Sand verarbeitet werden.

Werkzeuge, die mit dem SLS-Verfahren hergestellt werden, müssen meist nachbearbeitet werden, da ihre Struktur etwas rau ist. Die Nachbearbeitung kann mechanisch (Zerspanung) aber auch chemisch (Chemisch Glätten) erfolgen.

Die Firma Igus bietet ein hausinternes Verfahren an, das print2mold. Mit diesem Verfahren können Spritzgussteile aus 3D gedruckten Formen hergestellt werden.

Eine weitere Möglichkeit, 3D-gedruckte Werkzeuge herzustellen, ist das DMLS-Druckverfahren.

Dabei wird Metallpulver mit einem Laser verschmolzen. Je nach Anforderung an das Werkzeug muss hier ebenfalls mechanisch nachgearbeitet werden.

Diese Formen und Werkzeuge sind beim Hard-Tooling einzuordnen.

Was wird beim Rapid Tooling empfohlen?

Gerade beim Rapid Tooling ist eine gute Software unersetzlich. Besonders Simulationsprogramme, welche die Temperaturverlauf und die Spannungsverteilung im Bauteil anzeigen, können sehr hilfreich sein.

So können Prozessparameter schon vor der Produktion angepasst und optimiert werden.

Im Endeffekt steigt dadurch die Produktivität der Anlage und die Bauteilqualität.

Was sollte beim Rapid Tooling beachtet werden?

•  Nicht alle Druckverfahren eigenen sich dafür.
• Die geeigneten Verfahren unterscheiden sich stark in Langlebigkeit bzw. Haltbarkeit der Formwerkzeuge
• Je nach Material des Druckwerkzeuges muss der Anpressdruck der Spritzgussmaschine reduziert werden.
• Die gedruckten Werkzeugeinsätze müssen oftmals mechanisch nachbearbeitet werden, um die Oberflächenqualität zu verbessern.