Wenn wir über die Rolle des 3D-Drucks in der Fertigungsindustrie sprechen, betrachten wir oft, wie additive Fertigungsverfahren traditionelle Techniken ersetzen könnten. Tatsächlich vermarkten viele Hersteller von AM-Hardware ihre Maschinen erfolgreich als direkten Ersatz für CNC-Maschinen oder Spritzgussanlagen.
Der 3D-Druck kann aber auch bestehende Technologien wie CNC-Bearbeitung, Spritzguss, Blechbearbeitung, Extrusion und Gießen ergänzen.
Das liegt daran, dass AM-Systeme – entweder industrielle Metalltechnologien wie DMLS oder Kunststofftechnologien wie FDM oder SLS – zur Herstellung von 3D-gedruckten Werkzeugen für diese Prozesse verwendet werden können, wodurch die Produktion beschleunigt und/oder verbessert wird, um bessere Ergebnisse zu erzielen.
Dieser Artikel untersucht, wie 3D-gedruckte Werkzeuge die Zukunft der Prototypenfertigung und Kleinserienproduktion prägen. Er behandelt verschiedene Arten von 3D-gedruckten Werkzeugen, deren Nutzen und die verfügbaren Materialien.
Arten von 3D-gedruckten Werkzeugen
Werkzeugbau ist ein Oberbegriff für verschiedene Befestigungs-, Stütz- oder Formmechanismen, die in der Fertigung eingesetzt werden. Ein Werkzeug für ein Bauteil kann aus einer oder mehreren Komponenten bestehen und wird üblicherweise aus einem robusten Material wie Werkzeugstahl gefertigt.
Der 3D-Druck kann zur Herstellung verschiedener Werkzeugarten eingesetzt werden. Einige Bauteile lassen sich jedoch leichter fertigen als andere, und manche können nur mit hochmodernen AM-Anlagen hergestellt werden.
1. Formen
Eine Form ist eine Art Hohlbehälter, der mit einem Material befüllt wird, um Teile herzustellen. Die Formenherstellung erfolgt üblicherweise durch spanende Bearbeitung, aber der 3D-Druck – in Verbindung mit temperaturbeständigen Materialien – entwickelt sich für bestimmte Teile zu einer praktikablen Alternative.
Gedruckte Formen erfordern unter Umständen umfangreiche Oberflächenbearbeitungen wie Schleifen oder andere Oberflächenbehandlungen, bevor sie einsatzbereit sind. Die Geschwindigkeit, mit der sie hergestellt werden können, erweist sich jedoch als großer Vorteil für Prototypenhersteller.
Laut dem deutschen AM-Unternehmen EOS bietet der 3D-Druck „klare Vorteile für den Formenbau, da er die Möglichkeit bietet, selbst komplexeste Strukturen in hoher Qualität und mit kurzen Produktionszeiten herzustellen“.
2. Vorrichtungen
Eine Spannvorrichtung ist ein speziell angefertigtes Werkstückspannwerkzeug, das die Gleichmäßigkeit von Teilen während der Fertigung verbessert. Sie wird typischerweise verwendet, um die Bewegung eines Schneidwerkzeugs zu führen und zu steuern.
3D-Drucker werden immer nützlicher für die Herstellung von kundenspezifischen Teilen wie Vorrichtungen und Lehren, da das Verfahren für Einzelteile kostengünstig ist.
Hersteller von Vorrichtungen und Lehren für den 3D-Druck können die Lieferzeiten ebenfalls drastisch verkürzen – insbesondere, wenn der Druck im eigenen Haus erfolgt.
3. Geräte
Eine Spannvorrichtung ist eine speziell angefertigte Werkstückaufnahmevorrichtung, die ein Werkstück während der Fertigung, typischerweise der maschinellen Bearbeitung, fixiert. Im Gegensatz zu Vorrichtungen sind Werkstücke in der Regel spezifisch für die herzustellenden Teile und nicht für die Fertigungsanlage.
Vorrichtungen und Halterungen können im 3D-Druckverfahren aus Metall oder aus technischen Kunststoffen wie TPU oder kohlenstofffaserverstärktem Nylon hergestellt werden.
4. Extrusionsdüsen
Die Matrizen sind dicke Stahlplatten mit geformten Öffnungen. Beim Extrusionsverfahren wird ein Material durch die Matrizenöffnung gepresst, wodurch ein längliches Bauteil mit einem Querschnitt entsteht, der der Matrizenöffnung entspricht.
Ähnlich wie Formen werden auch Werkzeuge typischerweise aus temperaturbeständigen Materialien wie Stahl hergestellt, die mit Verfahren wie DMLS und SLM immer einfacher zu verarbeiten sind.
Vorteile von 3D-gedruckten Werkzeugen
Konforme Kühlkanäle
Bei Verfahren wie dem Spritzgießen werden Kühlkanäle verwendet, um Kühlmittel um das geschmolzene Material zu spritzen, damit es gleichmäßig abkühlt und aushärtet. Dies trägt dazu bei, Verzug und Verformungen des Formteils zu vermeiden.
Bei herkömmlichen Formen verlaufen die Kanäle aufgrund der Schwierigkeit, komplexere Formen zu bearbeiten, meist geradlinig. Der 3D-Druck ermöglicht jedoch die Herstellung von konturnahen Kühlkanälen: Kanäle, die den Konturen des Bauteils folgen, sodass jeder Bereich gleichmäßig mit Kühlmittel versorgt wird.
Laut dem Metall-AM-Spezialisten Desktop Metal eignen sich „Teile mit komplexen Designs und internen Strukturen – wie zum Beispiel konturnahe Kühlkanäle für kundenspezifische Formen – ideal für die additive Fertigung, da Fertigungszeit und Kosten pro Teil nicht unbedingt von der Designkomplexität abhängen.“
Schnelle Fertigung
Der 3D-Druck ist ein schneller Prozess, der nur minimale Einrichtungs- und Vorbereitungszeiten erfordert. Dies ermöglicht die rasche Herstellung von Werkzeugen – und deren sofortige Erneuerung, falls ein Werkzeug kaputt geht oder angepasst werden muss.
Obwohl die Werkzeugherstellung im 3D-Druckverfahren noch in den Kinderschuhen steckt und von den meisten Herstellern (oder Kunden) nicht bevorzugt wird, gewinnt sie bereits jetzt an Bedeutung für das Rapid Prototyping, wo die Einhaltung der Lieferzeiten Vorrang vor anderen Faktoren hat.
3D-gedruckte Werkzeuge werden einen großen Einfluss auf die Zukunft der Prototypenherstellung haben, einfach weil sie nachweislich die traditionellen Prototypenprozesse beschleunigen.
Erschwinglich und effizient
Die Werkzeugherstellung kann sehr teuer sein, insbesondere wenn mehrere Komponenten benötigt werden oder die Konstruktion besonders komplex ist. 3D-Druck kann die Werkzeugkosten senken, da sich komplexe und filigrane Konstruktionen fast genauso schnell fertigen lassen wie einfache.
Die additive Fertigung ist auch hinsichtlich des Materialverbrauchs effizient, da kein überschüssiges Material vom Werkstück abgetrennt werden muss.
Letztendlich wird jede Lösung, die die Kosten in der Prototypenphase drastisch senkt, im Prototypenprozess eine immer größere Rolle spielen.
Der 3D-Druckerhersteller Markforged gibt an, dass „Hersteller in der Lage sind, 10 bis 50 % ihrer in ihrem Prozess verwendeten langlebigen Werkzeuge im 3D-Druckverfahren herzustellen“, was „einen erheblichen Mehrwert darstellt, wenn man bedenkt, dass die durchschnittliche Kostenersparnis bei einem 3D-gedruckten Teil im Vergleich zu einem maschinell gefertigten Teil 80 % beträgt“.
Kann für verschiedene Prozesse verwendet werden.
3D-gedruckte Werkzeuge können für verschiedene spezielle Fertigungsprozesse eingesetzt werden, darunter:
- Druckguss
- Spritzgießen
- Extrusion
- CNC-Bearbeitung
- Blechfertigung
Beste AM-Werkzeugmaterialien
Werkzeugstahl
Werkzeugstahl ist ein harter Stahl, der sich für anspruchsvolle Fertigungsanwendungen eignet. Aufgrund seiner Härte ist eine präzise Bearbeitung zeitaufwändig.
Einige Metall-3D-Drucktechnologien können das Material jedoch verarbeiten, wodurch sich Möglichkeiten für den 3D-Druck von Bauteilen wie Spritzgussformen ergeben. Das Unternehmen EOS, spezialisiert auf industrielle additive Fertigung, produziert eine Reihe von 3D-druckbaren Werkzeugstahlpulvern, darunter Maraging-Stahl und Werkzeugstahl 1.2709.
Inconel
Verfahren wie DMLS und SLM können zur Herstellung von Werkzeugen aus Inconel-Nickellegierungen eingesetzt werden. Inconel ist hochtemperaturbeständig und eignet sich daher für eine Reihe von Werkzeuganwendungen, darunter Spritzgießen und Extrudieren.
Composite
Verbundwerkstoffe wie kohlenstofffaserverstärktes Nylon oder PEEK können als Ersatz für hochfeste Metalle bei der Herstellung von 3D-gedruckten Werkzeugen wie Vorrichtungen und Lehren dienen.
Technische Thermoplaste
Das 3D-Druckunternehmen Stratasys empfiehlt, bestimmte Vorrichtungen und Halterungen aus Hochleistungs-FDM-Materialien wie TPU, verstärktem Nylon oder ASA herzustellen.
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