Dieser Frage sind SPECTRIX und voestalpine gemeinsam im Projekt NextGen Pipette Rack Mold nachgegangen. Das Ergebnis präsentieren die Unternehmen auf der Fakuma anhand eines 6-fach-Singleface-Werkzeugs von Männer für ein Pipettenspitzenrack. Das neue Werkzeugkonzept verbindet die Vorteile der additiven Fertigung in Kombination mit Simulations-basierter Auslegung mit den hohen Anforderungen des Präzisions-Mehrkavitätenformenbaus und verfolgt ein klares Ziel: die Total Cost of Ownership durch eine ganzheitliche Betrachtung über den gesamten Werkzeuglebenszyklus nachhaltig zu reduzieren.
Die Leistungsfähigkeit eines Spritzgießwerkzeugs bestimmt maßgeblich die Qualität und Wirtschaftlichkeit der Produktion. Entscheidende Faktoren sind dabei Formfüllung, Werkzeugtemperierung und mechanische Stabilität, welche sowohl die Bauteilqualität als auch die Prozesssicherheit beeinflussen. Insbesondere in Branchen wie der Medizintechnik müssen Werkzeuge über Millionen von Zyklen hinweg konstant höchste Präzision gewährleisten. Dies ist nur durch das tiefe Verständnis von Werkzeugkonstruktion, -fertigung und Applikationswissen möglich, wie es bei SPECTRIX und voestalpine High Performance Metals gebündelt ist.
Gleichzeitig eröffnen die korrosions- und verschleißbeständigen Werkzeugstahlpulver von voestalpine HPM neue Möglichkeiten für den Einsatz additiv gefertigter Formeinsätze in anspruchsvollen Spritzgießanwendungen. In Kombination mit der Bearbeitungskompetenz von Spectrix kann so das Potenzial konturnaher Temperierungskonzepte auch in Anwendungen ausgeschöpft werden, die bislang hohe Anforderungen an Korrosions- und Verschleißbeständigkeit sowie an die Polierfähigkeit (Hochglanz) stellen. Die homogenere Temperaturverteilung und eine oberflächennahe verbesserte Wärmeabfuhr ermöglichen dabei kürzere Zykluszeiten und eine höhere Bauteilqualität, z.B. Verzug oder Glanzunterschiede. In der Praxis werden additiv gefertigte Formeinsätze jedoch häufig als geometrische Kopie konventioneller Konstruktionen umgesetzt. Dadurch bleiben erhebliche Potenziale zur Reduzierung von Bauteilvolumen und somit von Materialeinsatz, Bauzeit und Herstellkosten ungenutzt.
Werkzeug weitergedacht
Genau hier setzt das gemeinsame Entwicklungsprojekt von SPECTRIX und der voestalpine HPM an. Anstatt bestehende Männer Werkzeugkonzept 1:1 für die additive Fertigung zu übernehmen, wurde die Formeinsatzauslegung unter Berücksichtigung der neuen konstruktiven Freiheiten – nicht nur in Bezug auf das Kühlkanaldesign - konsequent neu gedacht. Das Projekt vereint dabei die Expertise von SPECTRIX im Hochpräzisionsformenbau und in der Heißkanaltechnik mit dem Werkstoff- und Additive-Manufacturing-Know-how sowie der Erfahrung in der Simulations-basierten Temperierungauslegung von voestalpine HPM. Dadurch konnten gezielt neue Potenziale hinsichtlich Leistung, Effizienz und Wirtschaftlichkeit im Spritzgießprozess erschlossen werden.
Im Fokus der Entwicklung stehen die Temperierungsauslegung und Topologieoptimierung. Bei letzterer wird Material mithilfe von Simulationen aus Bereichen entfernt, die weder für die Funktion noch für die Aufnahme mechanischer oder thermischer Belastungen erforderlich sind. Alle funktionskritischen Bereiche wie Kavitätsoberflächen, Dichtflächen, Verschraubungspunkte, Medienanschlüsse und mechanische Schnittstellen bleiben vollständig erhalten.
Das Ergebnis ist somit ein massenreduzierter Formeinsatz, der die thermischen und strukturmechanischen Anforderungen aus Werkzeugbau und Spritzgießprozesses erfüllt. Auf diese Weise konnte in dieser Anwendung unter Einhaltung der Bauteiltoleranzen und Grenzwerte im Bereich der Einsatztrennungen die Masse eines Einsatzpaares um 27,8 % reduziert werden.
Die Auslegung des Formeinsatzes berücksichtigt ganzheitlich alle relevanten Belastungen aus Herstellung und Werkzeugbetrieb. Dazu zählen unter anderem Zerspan- und Spannkräfte während der Bearbeitung sowie Werkzeuginnendruck, thermische Spannungen, Schließkräfte und Entformungskräfte im Spritzgießprozess. Im Fokus stand dabei nicht die maximale Gewichtsreduktion, sondern die Entwicklung eines robusten Designs, das Materialeffizienz, Steifigkeit, Dauerfestigkeit und Fertigbarkeit optimal miteinander vereint. Dies wurde simulativ unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Lastfälle und entsprechender Sicherheitsfaktoren abgesichert.
Das Beste aus zwei Fertigungswelten
Die Kavitäten selbst werden weiterhin mit den etablierten Verfahren sowie unter Einhaltung aller Grundprinzipien und Anforderungen des Präzisionswerkzeugbaus hergestellt. Fräsen, Erodieren und Polieren sorgen für die geforderte Präzision und Oberflächenqualität. Statt einem 6-Seiten-bearbeitetem Block ist jedoch das additiv gefertigte Halbzeug im gehärteten Zustand und mit einem Aufmaß die Ausgangsbasis. Beim Topologie-optimierten Design können im Vergleich zur Übernahme der Geometrie der konventionellen Einsätzen - können nicht-funktionsrelevante Bauteilbereiche auch unbearbeitet bleiben. Hierdurch reduziert sich der Aufwand der mechanischen Bearbeitung signifikant und wird auf die Funktionsflächen beschränkt. Damit verbindet die Lösung additive Fertigung und konventionelle Hartbearbeitung zu einem ganzheitlichen Ansatz, der Präzision, Standzeit und Wirtschaftlichkeit gleichermaßen berücksichtigt.
Wirtschaftliche Vorteile wachsen mit der Kavitätenzahl
Besonders interessant wird das Konzept der Verbindung von konturnaher Temperierung und Massenreduktion bei Mehrkavitätenwerkzeugen. Durch die Topologieoptimierung reduziert sich das Volumen des aufzubauenden Materials. Gleichzeitig können sich Bauzeiten verkürzen und die Ausnutzung des verfügbaren Bauraums, z.B. durch die Verkleinerung der Grundfläche, in der additiven Fertigung verbessern.
Der Entwicklungsaufwand für Konstruktion, Simulation und Optimierung fällt dabei im Wesentlichen nur einmal an. Das entwickelte Design kann anschließend auf beliebig viele identische Kavitäten übertragen werden. Mit steigender Kavitätenzahl verteilt sich der Engineering-Aufwand auf eine größere Stückzahl, während die Einsparungen bei Materialbedarf und Fertigungskapazität für jeden einzelnen Einsatz wirksam bleiben.
Auch das Heißkanalkonzept ist auf diesen Einsatzbereich abgestimmt. Die Männer Performance Line wurde speziell für Werkzeuge mit mittleren bis hohen Kavitätenzahlen entwickelt und verbindet eine wirtschaftliche Systemauslegung mit einer gleichmäßigen Schmelzeverteilung und stabilen thermischen Bedingungen. Damit ergänzen sich Werkzeug- und Heißkanalkonzept insbesondere bei hochkavitätigen Anwendungen, bei denen neben der technischen Performance auch die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems entscheidend ist.
Konturnahe Temperierung als Schlüsseltechnologie zur Produktivitätssteigerung
Der wesentliche Vorteil additiv gefertigter Formeinsätze liegt in der Umsetzung konturnaher Temperierungskonzepte. Im Gegensatz zu konventionell gebohrten Kühlkanälen können die Kühlkanäle dabei entlang der Bauteilgeometrie geführt werden, um den Temperierfehler auf der Kavitätsoberfläche zu minimieren. Mithilfe von Spritzgießsimulation wurde die Temperierung gezielt ausgelegt, um die Temperaturverteilung auf den Werkzeugoberflächen zu optimieren und thermische Hotspots frühzeitig zu entschärfen. Die Simulation liefert zugleich die thermischen und mechanischen Randbedingungen für die Topologieoptimierung. Dadurch konnten Bauteilqualität und Prozessstabilität verbessert sowie die Zykluszeit gegenüber einer konventionellen Temperierung um 28 % reduziert werden, wobei die Restkühlzeit um 50 % reduziert wird. Gleichzeitig eröffnen die kompakteren Kühlstrukturen neue Potenziale für kleinere und ressourceneffizientere Werkzeugkonzepte.
Werkzeugperformance statt Technologiediskussion
Die Ergebnisse des Projekts zeigen, dass die entscheidende Frage nicht „additiv oder konventionell?“ lautet. Ausschlaggebend ist vielmehr, welches Werkzeugkonzept unter realen Produktionsbedingungen die beste technische und wirtschaftliche Gesamtperformance erzielt. Eine Analyse – bspw. unter Zuhilfenahme von Simulationsmethoden - sollte bereits in der Konzeptphase erfolgen, um einen ganzheitlichen Blick auf die TCO zu ermöglichen und die wirtschaftlich sinnvollste Entscheidung treffen zu können.
Konventionell gefertigte Formeinsätze bleiben in vielen Anwendungen die wirtschaftlichere Lösung. Bei hohen Anforderungen an Zykluszeit, Bauteilqualität, Prozessstabilität, Stückkosten und hohen Schusszahlen bieten additiv gefertigte Einsätze jedoch deutliche Vorteile. Durch den zusätzlichen Einsatz der Topologieoptimierung lassen sich Materialeinsatz, Druckvolumen und Fertigungszeit gezielt reduzieren und damit die Herstellungskosten von additiv gefertigten Einsätzen effektiv senken und machen den Einsatz konturnaher Temperierung bereits bei niedrigeren Schusszahlen wirtschaftlich. In Kombination mit konturnaher Temperierung entstehen hochleistungsfähige Werkzeugkonzepte, die Produktivität und Wirtschaftlichkeit steigern und gleichzeitig die Total Cost of Ownership nachhaltig reduzieren.
Auf der Fakuma zeigen SPECTRIX und voestalpine, wie sich diese Potenziale in der Praxis erschließen lassen und welchen Einfluss sie auf Zykluszeit, Werkzeugperformance und Gesamtwirtschaftlichkeit haben. Weitere Ergebnisse, detaillierte Vergleichsdaten sowie daraus abgeleitete Handlungsempfehlungen werden die Projektpartner im Rahmen eines Fachwebinars nach der Messe vorstellen.
Die Anwendung wird auf der Fakuma live am SPECTRIX Stand in Halle A1, Stand 1208, gezeigt.
Anwendung: Pipettenspitzenrack
Werkzeug: Männer 6-fach-Singleface-Werkzeug
Heißkanal: Männer Performance Line Nadelverschluss
Temperaturregelung: Gammaflux G25
Spritzgießmaschine: ARBURG 570 H 2000-800 Ultimate
Bauteilmaterial: INEOS Styrolution PS 124N
Bauteilgewicht: 11.2 g
Bauteilabmessungen: 78.1 x 43.3 x 31.4 mm³
Formeinsätze: konventionell und additiv gefertigt
Werkstoff: Uddeholm Tyrax® & Uddeholm Tyrax® for additive manufacturing
Additives Verfahren: Laser Powder Bed Fusion (LPBF)
Druckzeit Formeinsatz: ca. 30 Stunden
Zykluszeit konventionell: 9.85 s
Zykluszeit additiv: 7.05 s
Zykluszeitreduzierung: 28 Prozent
Abbildungen:
Abb 1: 6-cavity Singleface Werkzeug mit 3 additive gefertigten und 3 konventionell gefertigten Formeinsätzen
Abb 2: Pipettenspitzen Rack
Abb 3: Additiv gefertigter und konventionell gefertigter Formeinsatz
Abb 4 und 5: Kühlkanäle im konventionell gefertigten Formeinsatz im Vergleich zu Kühlkanälen im additiv gefertigten Formeinsatz
Über SPECTRIX
SPECTRIX bündelt die Kompetenzen und Technologien von Männer, Foboha, Synventive, Thermoplay, Gammaflux und Priamus. Mit mehr als 50 Jahren Erfahrung und 2.000 Spezialisten weltweit ist SPECTRIX der Partner für End-to-End-Lösungen im Kunststoff-Spritzguss.
Von Bauteilauslegung und Materialwissenschaft über Werkzeugbau, Heißkanal-, Sensor- und Regeltechnik bis hin zu Qualifizierung, Spezialspritzguss und Lifecycle Services unterstützt SPECTRIX Kunden entlang der gesamten Wertschöpfungskette des Spritzgießens. Je nach Anforderung kommen einzelne Technologien und Services oder eine vollständig integrierte End-to-End-Lösung zum Einsatz.
Mit globaler Präsenz und lokaler Expertise begleitet SPECTRIX Kunden von der ersten Idee bis zur Serienproduktion.
SPECTRIX – Enduring Advantage, Engineered.
Über voestalpine High Performance Metals
voestalpine High Performance Metals kombiniert die Kompetenzen von BÖHLER, Uddeholm, eifeler Coating, Eschmann Textures und den voestalpine Additive Manufacturing Centern zu einem einzigartigen Lösungsportfolio für die Kunststoffverarbeitende Industrie. Als Weltmarktführer für Werkzeugstahl verbindet voestalpine Werkstoffkompetenz, Engineering, additive Fertigung, Wärmebehandlung und Oberflächentechnologien zu ganzheitlichen Lösungen für Spritzgießwerkzeuge und Formeinsätze.
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