AIM3D: 3D-Druck Konturnah gekühlte Werkzeuge generativ fertigen

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Zum Spritzgiessen metallischer Bauteile eignen sich additiv im CEM-Verfahren des Herstellers AIM3D GmbH, Rostock, gefertigte Spritzgiesswerkzeuge mit konturnaher Kühlung. Generatives Fertigen verkürzt die Zeit vom CAD-Modell bis zum Werkzeug von etwa 8 Wochen auf nur 5 Arbeitstage.

Im Rahmen eines durch das deutsche Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Projekts ist das Spritzgiesswerkzeug eine gemeinsame Entwicklung des Lehrstuhls für Mikrofluidik (LFM) der Universität Rostock und der Stenzel MIM Technik GmbH in Pforzheim. Das Projekt dauert von April 2021 bis Oktober 2023 und zeigt den aktuellen Stand der Technik im 3D-Metalldruck. Es ging darum, ein Werkzeug zum Metallspritzgiessen mit konturnaher Kühlung im Verfahren 3D-Druck herzustellen. Dabei kann die konturnahe Kühlung mit Wendelkanälen direkt beim Herstellen im Werkzeug integriert werden.

Vorteil einer konturnahen Kühlung ist eine deutlich verkürzte Zykluszeit beim Spritzgiessen. Das durch konturnahe Kühlkanäle fliessende Kühlmittel kühlt das Bauteil bereits während des Einspritzens des unter Druck gehaltenen Werkstoffs (Polymere oder Metalle). Somit kann das Bauteil nach einer kürzeren Zeit – verglichen mit ungekühlten Formen – entformt werden. Die dazu erforderlichen, konturnahen Kühlkanäle haben meist eine sehr komplexe Geometrie. Diese lässt sich aber mit Hilfe aktueller 3D-CAD-Systeme konstruieren. Die Funktion und die Wirksamkeit der Kühlung lassen sich mit Simulation prüfen und optimieren. Erfahrungen zeigen, dass konturnahes Kühlen die Zykluszeiten um bis zu 20 Prozent verkürzt.

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Durchlaufzeit deutlich verkürzt

Spritzgiesswerkzeuge generativ zu fertigen, erweist sich vor allem wegen der deutlich kürzeren Zeiten vom 3D-CAD-Modell zum einsatzbereiten Spritzgiesswerkzeug als vorteilhaft. In nur einem Arbeitsschritt entsteht das mit allen Kühlkanälen verse­hene Werkzeug. Die im Forschungsprojekt ver­wirklichte Prozesskette in der Fertigung von Spritzgiesswerkzeugen für metallische Bauteile soll Möglichkeiten aufzeigen, künftig die Time-to-­market für spritzgegossene Bauteile deutlich zu verkürzen. Bisher dauerte es bis zu zu acht Wochen, ein MIM-Spritzgiesswerkzeug konventionell zu fertigen und aufzubauen. 3D-Metalldruck kann die Bereitstellungszeit eines MIM-Werkzeugs auf etwa fünf Tage verkürzen.

Um die Wirkung integrierter Kühlkanäle zu prüfen und zu verifizieren, war im Forschungsprojekt ein Spritzgiesswerkzeug für ein Bauteil bestehend aus einem kompakten, dickwandigen Grundkörper mit anhängenden, dünnwandigen Finnen herzustellen. Man erhofft sich eine um bis zu 80 Prozent verkürzte Zykluszeit verglichen mit konventionell gekühlten Spritzgiesswerkzeugen.

Mehrstufig generativ fertigen

Zunächst konstruierten Spezialisten für Spritzgiessen ein optimiertes 3D-Modell des Werkzeugs mit Hilfe von CAD- und Simulationssoftware. Hergestellt wird das Werkzeug auf einer 3D-Druckanlage ExAM 255 im CEM-Verfahren (Kasteninfo). Dazu übertrugen die Spezialisten die 3D-Modelle zusammen mit geeigneten Prozessparametern an den 3D-Drucker. Dieser baut zunächst ein sogenanntes «Green Part» auf. Es wird in einem mehrstufigen Verfahren gesintert, um die endgültigen Werkstoffeigenschaften zu verwirklichen. Mit diesem Verfahren können nach den notwendigen Entbinder- und Sinterprozessen innerhalb kurzer Zeit komplexe metallische Bauteile hergestellt werden. Beim CEM-Verfahren kann man das volumetrische Schrumpfen vorab sehr gut abschätzen.

Werkstoffe und Verfahren kombinieren

Der 3D-Drucker ExAM 255 kann werkstoffübergreifend (Metall, Kunststoff, Keramik) und verfahrensübergreifend (hybride Bauteile) eingesetzt werden. Anders als Verfahren im Pulverbett und mit Filamenten erreichen die im CEM-Verfahren hergestellten Bauteile Zugfestigkeiten vergleichbar mit Bauteilen, die aus thermoplastischen Werkstoffen formgebunden durch Spritzgiessen hergestellt wurden. Zudem ist es sehr viel wirtschaftlicher. Es arbeitet mit üblichen Granulaten anstelle der kostenintensiven Filamente. (kmu) SMM

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