3D-Druck eines Metallspritzgusswerkzeugs mit nah

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Der Lehrstuhl für Mikrofluidik der Universität Rostock arbeitet gemeinsam mit Stenzel MIM Technik (Tiefenbronn bei Pforzheim) an einem Projekt zum Drucken eines 3D-Metallspritzgusswerkzeugs (MIM). Grundlage der Entwicklung ist der Einsatz der CEM-Technologie von Aim 3D mit einem Ex-AM 255-System.

Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Projekts wird gemeinsam vom Lehrstuhl für Mikrofluidik (LFM) der Universität Rostock und Stenzel MIM Technik ein 3D-gedrucktes MIM-Werkzeug entwickelt. Die Projektlaufzeit beträgt April 2021 bis Oktober 2023. Grundlage für den Prozess und die Anwendung ist der Einsatz der CEM-Technologie von AIM3D, implementiert auf einem Ex-AM 255-System. Das Projekt repräsentiert den aktuellen Stand der Technik im 3D-Metalldruck.

Ziel des Projekts war die Herstellung eines Werkzeugs für den Metallspritzguss mit konturnaher Kühlung mittels 3D-Druck. Beim 3D-Druck kann eine konturnahe Kühlung als sogenannte Funktionsintegration mit helikalen Kanälen direkt im Werkzeug integriert werden. Das heißt, es wird nicht als Einlauf eingebettet, wie es bei größeren Werkzeugen der Fall ist. Ziel einer konturnahen Kühlung von Spritzgussformen aus Metallen oder Polymeren ist es, die Zykluszeit deutlich zu verkürzen. Das Prinzip der konturnahen Kühlung besteht darin, Kühlflüssigkeiten durch konturnahe Kühlkanäle mit geringem Querschnitt zu leiten. Sie kühlen das Bauteil bereits während des Zyklus. Dies führt zu einem schnelleren Entformvorgang, was den Zyklus deutlich verkürzt. Die komplexe Geometrie der spiralförmigen Kühlkanäle wird mithilfe von CAD-Technologie anhand von Simulationsmodellen erstellt, die sich an den Anforderungen des Bauteils orientieren. Langzeiterfahrungen zeigen eine Reduzierung der Zykluszeit um rund 20 Prozent, abhängig von Wandstärke und -größe.

Als integrierte Bauteillösung bietet der 3D-Druck den Vorteil einer One-Shot-Technik als Funktionsintegration gegenüber formgebundenen Verfahren. Das Anwendungsbeispiel zeigt somit eine Möglichkeit auf, die Time-to-Market drastisch zu verkürzen. Ziel des Kooperationsprojekts ist die Entwicklung einer neuen Prozesskette zur kosteneffizienten und schnellen Herstellung von MIM-Werkzeugen. Bisher wurden für die Herstellung einer herkömmlichen Metallspritzgussform Zeiträume von bis zu acht Wochen benötigt. Durch den 3D-Metalldruck kann die Bereitstellungszeit eines MIM-Werkzeugs auf etwa fünf Tage reduziert werden.

Im Rahmen der Zusammenarbeit wurde zunächst ein optimiertes 3D-Modell des Werkzeugs mithilfe von CAD- und Simulationstools entwickelt. Diese Daten wurden dann zusammen mit den notwendigen Prozessparametern an das Ex-AM 255 CEM-System übertragen. Anschließend wird ein sogenannter Grünling 3D-gedruckt. Anschließend wird das Bauteil in einem mehrstufigen Prozess gesintert, um die endgültigen Materialeigenschaften herzustellen. Mit diesem Verfahren können nach den notwendigen Entbinderungs- und Sinterschritten schnell komplexe metallische Bauteile hergestellt werden. Gleichzeitig ermöglicht das CEM-Verfahren die Kontrolle der mit dem Sintern verbundenen Volumenschrumpfung. Die resultierende Form weist einen Hohlraum auf. Das Bauteil besteht aus einem dickwandigen Teil mit dünnen Rippen. Ohne eine konturnahe Kühlung können diese Lamellen nicht hergestellt werden, da sie schwer zu entformen sind. Stenzel MIM Technik erhofft sich für dieses Bauteil eine deutliche Reduzierung der Zykluszeit um bis zu 70-80 Prozent. Spritzgussversuche zur Erprobung stehen allerdings noch aus.

Der Multimaterial-3D-Drucker Ex-AM 255 kann mit einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien (Metalle, Kunststoffe, Keramik) und mit verschiedenen Verfahren (Hybridbauteile) eingesetzt werden. Im Vergleich zu Pulverbettverfahren oder auch anderen 3D-Druckverfahren, die Filamente verwenden, erreichen Systeme im CEM-Verfahren Zugfestigkeiten, die dem klassischen thermoplastischen, formgebundenen Spritzguss nahe kommen. Besonders deutlich wird der Preisvorteil des 3D-Drucks, wenn anstelle von Filamenten handelsübliche Granulate verwendet werden. Beim Einsatz von Granulat führt das CEM-Verfahren zu Kosteneinsparungen bis zum Faktor zehn.

Bitte beschreiben Sie kurz die Zielsetzung des Projekts zur additiven Fertigung von MIM-Werkzeugen.

Ziel des Kooperationsprojekts ist die Entwicklung einer digitalen Prozesskette zur kosteneffizienten und schnellen Herstellung von MIM-Werkzeugen. Bisher sind für die Herstellung einer Metallspritzgussform Zeiträume von bis zu acht Wochen erforderlich. Ziel dieses Projekts ist es, die Bereitstellungszeit auf etwa fünf Tage zu verkürzen.

Mit anderen Worten: eine drastische Verkürzung der Produktionszeit solcher Werkzeuge. Welchen Verfahrensansatz haben Sie gewählt?

Composite Extrusion Modeling (CEM) von Aim 3D ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem Ausgangsmaterialien aus Kunststoffbindern und Metallpulvern verwendet werden, die aus dem Metallspritzguss (MIM) bekannt sind. Mit diesem Verfahren können nach den notwendigen Entbinderungs- und Sinterschritten schnell komplexe metallische Bauteile hergestellt werden.

Welches Potenzial sehen Sie in diesem Ansatz?

Die additive Fertigung von Formen ermöglicht einen stark beschleunigten Produktionsprozess. Endkunden können so schneller bedient werden. Das CEM-Verfahren repräsentiert den aktuellen Stand der 3D-Technologie. Für die Herstellung additiv gefertigter 3D-Bauteile bietet es das Potenzial, durch hohe Aufbauraten Werkzeuge deutlich schneller herstellen zu können als herkömmliche Werkzeugverfahren. Mit dem CEM-Verfahren können sowohl Material- als auch Maschinenkosten gesenkt und gleichzeitig die Probleme der additiven Fertigung hinsichtlich Eigenspannungen und Materialanpassungen an den einzelnen Maschinen vermieden werden. Mit dieser innovativen Lösung können Werkzeuge vier- bis achtmal schneller und gleichzeitig kosteneffizienter hergestellt werden.

Welche Erfahrungen haben Sie während des Entwicklungsprojekts gesammelt?

Eine Herausforderung ist der Sinterschritt eines 3D-gedruckten sogenannten Grünteils aus Metall während der Nachbearbeitung zu einem Funktionsteil. Aus diesem Grund muss man die resultierende Volumenschrumpfung der Teile durch Simulationen vorhersagen. Entscheidend ist natürlich die Rüstzeit, also die Zeit, die ein 3D-Drucksystem benötigt, um das Grünteil herzustellen. Es legt fest, welche Anlagentechnik wirtschaftlicher eingesetzt werden kann. Ausschlaggebend ist natürlich der qualitative Vergleich mit einem konventionell bearbeiteten Werkzeug. Im 3D-Metalldruck erreichen wir Dichten von über 98 Prozent innerhalb enger Toleranzen des Bauteils. Dadurch ergibt sich eine sehr hohe Qualität des Werkzeugs. Der CEM-Prozess auf einem hochmodernen Ex-AM 255 ist in der Lage, dieses Problem ausreichend zu lösen.

Wird dieser 3D-Ansatz die Zukunft des Werkzeugbaus verändern?

Dies hängt von den Abmessungen eines solchen Werkzeugs ab. Bei kleineren Formen liegt der Reiz in der schnellen Baugeschwindigkeit. Daraus ergibt sich für größere Formen eine wirtschaftliche Grenze, die durch den jeweiligen Stand der Anlagentechnik definiert wird. Mit zunehmender Baurate kann sich diese Grenze nach oben verschieben. Zukünftig werden Funktionsintegrationen wie die konturnahe Kühlung und die One-Shot-Strategie zur Bauteilreduzierung durch ein 3D-Druckverfahren interessant sein. Dadurch kann unter anderem die Montage entfallen und das Bauteil vereinfacht werden.

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Stand vom 23.03.2021

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