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Maßgeschneiderte Formeinsätze für den Werkzeugbau

21.11.2007
Werkzeugbauer im Bereich des Spritz- und Druckgusses suchen ständig nach neuen Ansätzen, um die Standzeiten der Werkzeuge zu erhöhen und die Zykluszeiten für die Herstellung von Kunstoff- oder Aluminium-Bauteilen zu reduzieren. Die Anforderungen an die Werkzeuge werden damit immer komplexer und können mit klassischen homogenen Werkstoffen oft nicht mehr erfüllt werden.

Ein Beispiel ist die Kombination von Verschleißbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Eine hohe Verschleißbeständigkeit wird üblicherweise durch warmfeste Stähle erzielt. Für hohe Wärmeleitfähigkeiten sind dagegen eher Kupferwerkstoffe geeignet. Ein Lösungsansatz für die optimale Vereinigung beider Eigenschaften bieten sogenannte Gradientenwerkstoffe. Durch Variation der chemischen Zusammensetzung können verschiedene Eigenschaften wie hohe Verschleißbeständigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit , Zähigkeit und Festigkeit eingestellt werden.

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen hat nun zwei innovative Rapid Manufacturing Verfahren zur Herstellung von maßgeschneiderten Einsätzen aus Gradientenwerkstoffen oder Werkstoffkombinationen für den Werkzeugbau qualifiziert: Das Laserstrahl-Auftragschweißen von Gradientenschichten auf Rohlingen sowie die generative Fertigung mit dem Selective Laser Melting (SLM) von Werkzeugeinsätzen aus einer Werkstoffkombination. Beide Verfahren werden erstmals auf der EUROMOLD 2007 vom 05.12. bis 08.12.2007 auf dem Frankfurter Messegelände in Halle 8, Stand L113 dem breiten Fachpublikum präsentiert.

Formkerne in Spritzgießwerkzeugen müssen die Wärme aus dem Kunststoff rasch abführen, um die Zykluszeit klein zu halten und eine gute Entformbarkeit zu gewährleisten. Ein geeigneter Werkstoff hierfür ist Kupfer. Dessen Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit ist jedoch für die meisten Anwendungen ungenügend. Am Fraunhofer ILT werden die Formkerne daher durch Laserstrahl-Auftragschweißen mit einer gradierten Schicht auf Stahlbasis versehen. Die Gradientenbeschichtung sorgt für eine dem Werkzeugstahl vergleichbare Verschleißbeständigkeit.

Auch im Druckgießwerkzeugbau können in Zukunft durch Gradientenwerkstoffe entscheidende Vorteile erzielt werden. Mit dem Laserstrahl-Auftragschweißen wurde hierzu am Fraunhofer ILT der Aufbau von Werkzeugeinsätzen mit einem Kern aus Edelstahl und einer Hülle aus einer verschleiß- und korrosionsbeständigen Stahllegierung demonstriert.

Das Selective Laser Melting wird am Fraunhofer ILT für die Fertigung von Formeinsätzen mit komplexen Temperierkanälen eingesetzt. Durch den schichtweisen Aufbau auf der Grundlage von CAD Daten können beliebig komplexe Hohlstrukturen erzeugt werden, die mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht realisierbar sind. Beim SLM, das am Fraunhofer ILT entwickelt wurde, werden handelsübliche metallische Serienwerkstoffe in Pulverform verarbeitet. Hiermit lassen sich direkt Spritzwerkzeuge für die Serienproduktion herstellen. Die konturnahen Temperierkanäle sorgen für eine schnelle Werkzeugkühlung. Dies reduziert nicht nur die Zykluszeiten der Fertigung sondern führt zusätzlich zu einer erhöhten Qualität der Kunststoffprodukte.

Das Fraunhofer ILT entwickelt nun in Zusammenarbeit mit dem Gießerei-Institut der RWTH Aachen eine Alternative: die Herstellung von Formeinsätzen aus einer Werkstoffkombination. Per SLM wird nur eine dünne Hülle des Formeinsatzes aufgebaut. Der Hohlraum wird anschließend per Gießen mit einem weiteren Material aufgefüllt. Während die Hülle dann beispielsweise aus einem verschleißbeständigen Werkzeugstahl besteht, bietet sich als Gussmaterial ein hochwärmeleitfähiger Werkstoff wie eine Kupfer- oder Aluminiumlegierung an. Der Vorteil: Der Formeinsatz verfügt wegen des sehr gut wärmeleitfähigen Kerns über eine sehr gleichmäßige Kühlwirkung und benötigt dafür nur einfache oder gegebenenfalls sogar keine Kühlkanäle, wodurch der Konstruktionsaufwand erheblich reduziert wird.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an:

Dr.-Ing. Wilhelm Meiners (Experte zum Selektiven Laserschmelzverfahren SLM)
Telefon: +49 241/8906-301
Fax: +49 241/8906-121
wilhelm.meiners@ilt.fraunhofer.de
Dr.-Ing. Andreas Weisheit (Experte zum Laser-Auftragschweißen)
Telefon: +49 241/8906-403
Fax: +49 241/8906-121
andreas.weisheit@ilt.fraunhofer.de
Dr. Konrad Wissenbach (Leiter der Abteilung Oberflächentechnik)
Telefon: +49 241/8906-147
Fax: +49 241/8906-121
konrad.wissenbach@ilt.fraunhofer.de

Axel Bauer | idw
Weitere Informationen:
http://www.ilt.fraunhofer.de

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