Gesamtvorhaben

Der Werkzeugbau im Spritzguss wird maßgeblich von den Anforderungen der kunststoffverarbeitenden Industrie geprägt. Eine profitable Produktion von zunehmend individualisierten Endprodukten erfordert immer höhere Prozessgeschwindigkeiten, geringe Ausschussquoten sowie hohe Standzeiten der Werkzeuge. Ferner steigen die Ansprüche nicht nur hinsichtlich der Qualität, sondern auch der abzubildenden Geometrien, der Oberflächengestaltung sowie der Material- und Ressourceneffizienz.

Während konventionelle Ansätze unter Verwendung von klassischen Fertigungsmethoden, wie dem Fräsen, Bohren, Draht- oder Senkerodieren an Ihre physikalischen und ökonomischen Grenzen stoßen, bietet der 3D-Druck und seine hohe gestalterische Freiheit ein riesiges Potential die Leistungsfähigkeit von Werkzeugen um ein Vielfaches zu verbessern und gleichzeitig Kosten in der Herstellung einzusparen. Hierunter fallen insbesondere eine Verbesserung der Temperierung des Werkzeuges durch neuartige Kühlkonzepte sowie eine Reduktion von Fertigungsaufwänden und -kosten durch Integralbauweise. 

Zum gegebenen Zeitpunkt findet der metallische 3D-Druck, insbesondere das pulverbettbasierte Fertigungsverfahren, Selective Laser Melting (SLM), bereits erste Anwendungen bei der Herstellung von leistungsoptimierten Werkzeugeinsätzen. Durch die Platzierung von endkonturnahen Temperierkanälen können Taktzeiten der Spritzgussanlage gegenüber konventionell gefertigten Werkzeugen stark erhöht werden.

In Analogie zum klassischen Werkzeug werden bei der Ausgestaltung der Kühlkanäle derzeit vor allem einfache kreisförmige Querschnitte in den gedruckten Werkzeugeinsätzen verwendet. Der 3D-Druck mit seinen großen konstruktiven Gestaltungsfreiheiten bietet jedoch deutlich mehr Möglichkeiten in der Ausgestaltung der Flüssigkeit-durchströmten Temperierkanäle. So lassen sich mit Hilfe moderner Methoden des computergestützten und simulationsgetriebenen Designs neuartige und hoch-effiziente Kühlkonzepte, wie z. B. topologisch-optimierte Kanalstrukturen oder auch optimierte Strukturkühlungen unter Einsatz spezieller zellularer Strukturen mit großen wärmeleitenden Oberflächen und geringen Fließwiderständen umsetzen.

Im Gegensatz zu konventionellen Fertigungsverfahren führt eine Erhöhung der geometrischen Komplexität eines Bauteils beim metallischen 3D-Druck nicht zwangsläufig zu höheren Fertigungskosten. Vor diesem Hintergrund entstand die Idee für das avisierte Innovationsvorhaben, durch eine umfassende Ausnutzung der konstruktiven Freiheiten der additiven Fertigung - mit Fokus auf pulverbettbasierte metallverarbeitenden Methoden - eine neue Generation von Hochleistungswerkzeugen mit optimierter Strukturkühlung und Entlüftung für den Spritzguss zu entwickeln. Mit dieser Technologie wird es möglich sein,

  • sehr schwer handhabbare Materialien, wie z. B. kurzfaser- oder partikelverstärkte Hochleistungskunststoffe, besser als bisher zu verarbeiten,
  • extrem dünnwandige oder auch komplex geformte Strukturen und Bauteile fehlerfrei herzustellen, oder auch
  • hoch-präzise Bauteile mit sehr engen geometrischen Toleranz-Anforderungen abzubilden.

Die zu entwickelnde Technologie zur Auslegung und Herstellung neuartiger Hochleistungswerkzeuge für Spritzgussanwendungen beinhaltet die 4 Teilprojektvorhaben:

Teilprojekt 1 - KMS

Optimierte Entlüftungstechnologie für 3D-gedruckte Werkzeugeinsätze

Teilprojekt 2 - CellCore

Funktional-optimierte Strukturkühlung für 3D-gedruckte Werkzeugeinsätze

Teilprojekt 3 - edmos

3D-Finihing-Technologie zur Entpulverung und Oberflächenreinigung komplex-geformter Kühlkanäle 

Teilprojekt 4 - TUBAF

Prozessseitige Optimierung des SLM für komplexe Innenstrukturen und gezielte Materialeigenschaften