Toolcraft entwickelt 3D-gedrucktes Werkzeug für den Kunststoffspritzguss

Gemeinsam mit dem Kooperationspartner Siemens entwickelte Toolcraft ein topologieoptimiertes, 3D-gedrucktes Werkzeug für den Kunststoffspritzguss. Ausgangspunkt war eine Form zur Herstellung eines Kunststoffteils für die optische Industrie. Die Möglichkeiten des 3D-Drucks in Metall erlaubten es, neue Wege zu gehen und eine Form vollkommen neu zu denken. Heraus kam ein topologieoptimiertes Werkzeug, das nicht nur leichter herzustellen ist, sondern auch die Produktion des Kunststoffteils optimiert.

14. Juni 2019
Toolcraft entwickelt 3D-gedrucktes Werkzeug für den Kunststoffspritzguss
Das neue und optimierte 3D-gedruckte Werkzeug hat stark verkleinerte Bauteilabmessungen. (Bild: Toolcraft)

Das bisherige Werkzeug besteht aus Formeinsätzen, Formplatten, Aufspannplatten und Normteilen. Es misst 125 x 125 x 130 mm (Breite x Länge x Höhe) und wiegt rund 60 Kilogramm. Ziel des Projektes war es, den Spritzgussprozess hinsichtlich Zykluszeit zu optimieren sowie die Komplexität der Baugruppe und des Entwicklungsprozesses zu vereinfachen. Hierbei profitierte Toolcraft von der langjährigen Expertise im Bereich der additiven Fertigung. Aufgrund der sehr hohen Fertigungsfreiheiten des metallischen 3D-Drucks konnte der Konstrukteur den Einsatz neu ausgelegen und seine Topologie entsprechend den vorhandenen Lasten und Anforderungen optimieren. Heraus kam eine vollkommen neue Form – kleiner, leichter und mit integrierter, konturnaher Kühlung.

Funktionalität erhalten

„Bestimmte Flächen galt es bei der Topologieoptimierung zu erhalten, um die Funktionalität der Form zu gewährleisten“, so Ralf Domider, Konstruktion und Simulation Metall-Laserschmelzen bei Toolcraft. „Spezielle Anforderungen, wie zum Beispiel die Passgenauigkeit beider Teile zueinander, die Position des Auswerferpaktes und die Anschlüsse der Maschinenperipherie, mussten bei der Topologieoptimierung bereits berücksichtigt werden.“ Zudem war schon bei der Konstruktion die spätere Aufspannmöglichkeit für Nacharbeiten in einem CNC-Bearbeitungszentrum zu beachten.

Um die technologischen Vorteile der additiven Fertigung voll auszuschöpfen, wurden Funktionsflächen, wie zum Beispiel ein konturnaher Kühlkanal mit optimierter Querschnittsfläche, in das Rohteil integriert. Eine weitere Herausforderung war der Bauteilverzug beim 3D-Druck in Metall. Die optimale Bauteilausrichtung und die jeweilige Supporterstellung setzte ein tiefes Prozessverständnis und Erfahrung im Aufbereiten von Daten für die additive Fertigung voraus, denn sie hat einen starken Einfluss auf den Bauteilverzug.

Mit Hilfe der integrierten Prozesssimulation ließen sich diese Verzüge schnell und effizient berechnen. Somit wurden unerwünschte Auschussbauteile oder Störungen im Bauprozess bereits im Vorfeld vermieden. Das „first time right“-Prinzip ist ein wichtiges Indiz für die technologische Reife der additiven Fertigung und ist vor allem für industrielle Anwendungen von hoher Bedeutung.

End-to-end Prozess mit Siemens NX

Nach der konstruktiven Neuauslegung der Form extrahierte der Konstrukteur Funktionsflächen und legt die Randbedingungen fest. Auch das Material wurde zu diesem Zeitpunkt ausgewählt. Danach folgten die Integration der konturnahen Kühlung, Topologieoptimierung sowie Verifizierung mittels FEM-Berechnung und Kühlsimulation. Anschließend wurden die Daten für den Druck aufbereitet. Nach der Simulation des Druckprozesses folgte die Fertigung sowie das Finishing, von der Wärmebehandlung, Stützstrukturentfernung, Oberflächenbehandlung bis zur zerspanenden Nacharbeit sowie optischen und taktilen Qualitätskontrolle.

Ein erster Schritt zum Formenbau der Zukunft

Das neue und optimierte 3D-gedruckte Werkzeug hat stark verkleinerte Bauteilabmessungen. „Die ursprüngliche Baugruppe aus mehreren Einzelteilen wurde auf jeweils eine Werkzeughälfte reduziert.

Die Masse des optimierten Werkzeuges ist somit um fast 50 % geringer“, resümiert Domider. Das niedrige Gewicht erfordert kleinere Maschinenkräfte und erleichtert die Montage in der Spritzgussmaschine. Gleichzeitig wurde die Performance des Werkzeuges, trotz einer kürzeren Entwicklungszeit, deutlich gesteigert. Die geringere Masse und die konturnahe Kühlung ermöglichen eine Reduzierung der Zykluszeit um 30% bei identischer Bauteilqualität.

Rapidtech, Halle 2, Stand 517