Seit Anbeginn des industriellen Spritzgießens blieb das Aufrechterhalten einer konstanten Oberflächentemperatur in den Gussformen eine ständige Herausforderung.

Um Temperaturen konstant zu halten, haben Hersteller in der Vergangenheit Ablenkbleche, Glocken und Heizrohre eingesetzt. Sie haben Blöcke geschichtet und ihre Formen mit komplexen Bohreinrichtungen erweitert.

In den letzten zehn Jahren wurde die konturnahe Kühlung – Konstruktionen mit Kühlkanälen, deren Verlauf sich an der Kontur des zu fertigenden Werkstücks orientiert – als Lösung für die Temperaturregelung beim Spritzguss präsentiert. Allerdings wird die Konstruktion und Fertigung beim Formbau durch die konturnahe Kühlung noch komplexer, was die Möglichkeiten vieler Hersteller überfordert.
 

„Eine grundsolide Methode“

Bastech – ein im amerikanischen Bundesstaat Ohio ansässiger Anbieter von Geräten und Dienstleistungen für Werkstätten und additive Fertigung – hatte immer wieder mit Temperaturproblemen zu kämpfen. Aber jetzt glaubt man dort eine Möglichkeit gefunden zu haben, wie sich eine konturnahe Kühlung einfacher, effizienter und wirtschaftlicher implementieren lässt. Zugute kommt der Forschungsabteilung des Unternehmens der Status als 3D Systems Authorized Gold Partner, denn so erhält man dort Zugang zu aktuellen 3D Drucktechnologien und zugehörigem Know-how.

Grundlage des bei Bastech errungenen Durchbruchs – dokumentiert durch zwei aktuelle Benchmarks – ist die Cimatron™-Software für den Formenbau von 3D Systems und das Direktmetalldrucksystem (DMP-System) ProX® 200. Die Analyse der konturnahen Kühlung wird mit Moldex3D (einer Partnerlösung von 3D Systems) durchgeführt. Die fertigen DMP-Formen werden dann mit der Geomagic® Control X-Software von 3D Systems geprüft.

Der Prozess stellt eine End-to-End-Herstellungslösung mit einfacher Integration zwischen der digitalen und der physischen Welt dar, und dies alles auf der technischen Grundlage von 3D Systems-Produkten.

„Die Kombination von leistungsfähiger Software, die eigens dafür entwickelt wurde, das volle Potenzial des 3D Drucks auszuschöpfen, mit Druckern, die hoch dichte Metallteile mit glatten Oberflächen und weniger Nachbearbeitungsbedarf herstellen, bietet eine grundsolide Methodik für die Herstellung kundenspezifischer Kühlformen“, erklärt Ben Staub, CEO von Bastech.
 

Automation von Design und Analyse

Beim ersten von Bastech erstellten Benchmark wurden zwei Werkstücke verglichen, die sich hinsichtlich Rauminhalt, Größe und Konstruktion sehr ähnlich waren. Eines davon wurde mit einem konturnahen Kern entworfen und 3D gedruckt, das andere mit einer traditionellen Leitspirale konventionell gefertigt.

Die konturnahe Kühlung wurde mit Cimatron konstruiert, einer professionellen CAD/CAM-Software, die den gesamten Formenbau-Prozess mit Projektierung, Konstruktion inkl. Änderungswesen, Elektrodenprozess und NC-Programmierung abdeckt. Die aktuelle Cimatron-Version umfasst Funktionen zur Erzeugung und Analyse des Kühlsystems, und unterstützt sowohl traditionell gebohrte als auch konturnahe Kühlkanäle die per 3D Druck gefertigt werden.

Dank der engen Verzahnung mit Moldex3D können Formenbau-Konstrukteure, die mit Cimatron arbeiten, eine automatische Formfüllungsanalyse durchführen, um die Anordnung der Kühlkanäle optimal zu gestalten.

„Durch Kombination von Cimatron und Moldex entsteht eine Expertenlösung, die weniger erfahrene Techniker bei der Entwicklung hochwertiger Konstruktionen unterstützt“, sagt Staub. „Dies ist ein wichtiger Aspekt, denn der Mangel an erfahrenen Werkzeugmachern ist erheblich.“

„Das Konstruieren für den 3D Druck erfordert ein umfassendes Verständnis über den gesamten Prozess. Nur so lassen sich anforderungsgerechte Teile erstellen und Materialkosten und Bauzeit senken“, meint Scott Young, Engineering Manager bei Bastech. „Dieses Fachwissen ist aber bereits in die Cimatron-Software integriert. So können sich unsere technischen Entwickler ganz der Konstruktion widmen, ohne in den Tiefen des CAD-Programms nach Funktionen zur Definition komplexer interner Kanäle suchen zu müssen.“
 

Erhebliche Einsparungen bei Dauer und Zyklen

Für das erste Benchmark nutzte Bastech eine sich verjüngende Spirale, die auf der Innenseite eines Abstandskegels angeordnet wurde, wie er in der industriellen Fertigung eingesetzt wird. Konturnahe Kühlkanäle wurden durch Drehen einer Tropfenkonfiguration erstellt, sodass eine Seite parallel zur Außenwand des Kerns war, während gleichzeitig ein konstanter Abstand zu dieser eingehalten wurde. Da der Querschnitt entlang einer sich verjüngenden Spirale angelegt wurde, konnte Bastech eine Geometrie entwerfen, die der ProX 200 in nur einem Arbeitsgang drucken konnte.

Der Entwurf der 3D gedruckten Form nahm zwei Tage in Anspruch, danach wurde sie innerhalb von drei Tagen mit dem ProX 200 erstellt. Um die Produktivität zu maximieren, druckte Bastech in dem 3D Drucklauf nicht nur diese Form, sondern auch weitere Werkstücke, die für andere Bastech-Projekte benötigt wurden.

Der ProX 200 stellt eine leistungsstarke Alternative zu herkömmlichen Fertigungsverfahren dar, denn er bietet weniger Ausschuss, höhere Produktionsgeschwindigkeiten, kürzere Rüstzeiten und hochdichte Metallteile. Außerdem können hiermit äußerst komplexe Baugruppen als einzelnes Werkstück hergestellt werden. 

„Dieses Tool erweitert unsere Möglichkeiten beim Formguss extrem“, so Staub. „Es steigert unsere Rüstkapazitäten und beseitigt Engpässe in der Fertigung. Pro Form sparen wir durch den Wegfall von EDM und Bohrarbeiten 30-40 Stunden ein, und auch CNC-Bearbeitung und Polierung wurden erheblich reduziert.“

Allein beim Gegenstrom-Spiralkern wurden durch die Konstruktion und Analyse mit Cimatron und dem 3D Druck auf dem ProX 200 über 40 Stunden Programmier- und Fertigungszeit eingespart. Bei Einbeziehung aller Kosten ließen sich nach Angaben von Young mit dem 3D Druck des Kerns Nettoeinsparungen in Höhe von 1765 US-Dollar (18 %) im Vergleich zu konventionellen Methoden erzielen.

Noch wichtiger ist, dass die konturnahe Kühlform während des gesamten Arbeitsgangs eine niedrigere Temperatur beibehalten konnte. Die Zykluszeit verringerte sich um 22 %.

„Die Zykluszeiten gehören zu den wichtigsten Faktoren beim Spritzguss. Auf Platz 2 kommt dann sofort die Möglichkeit, die Temperatur konsistent regeln zu können“, so Staub.

„Je gleichmäßiger wir die Temperatur halten können, desto konsistenter ist die Qualität der Spritzlinge“, ergänzt Young. „Die Beseitigung von Verwerfungen aufgrund von Temperaturschwankungen und die Verringerung der Zykluszeit bringen für uns einen erheblichen Leistungsgewinn mit sich."

Benchmark-Ergebnisse: Leitspirale und konturnaher Kern im Vergleich
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Zusätzliche Einsparungen

In einem zweiten Benchmarking ging Bastech noch über den konturnahen Kern hinaus: Es wurde ein vollständiger Formensatz für Kern, Hohlraum und Gleitschale für den 3D Druck entworfen. Hier war das Ziel, dieselbe Temperatur (43,3 °C) bei konventionellen und konturnahen Designs zu nutzen, um festzustellen, wie sich dies auf Kühlung und Durchlaufzeit auswirken würde.

Auch hier wurden die wesentlichen Zeiteinsparungen bei der Programmierung, der Bearbeitung und dem Polieren berücksichtigt. Auf das Erodieren konnte bei dieser Variante mit konturnaher Kühlung ganz verzichtet werden. Zudem verringerte die Automation in der Cimatron-Software die Konstruktionszeit für die Form mit konturnaher Kühlung von 30 auf nur sieben Stunden. Die Gesamteinsparungen für die mit dem 3D Drucker erstellte Form beliefen sich auf 2505 Dollar, was einer Einsparung von 16 % entsprach.

Die Abkühldauer reduzierte sich von 10,5 beim konventionellen Guss auf 7,5 Sekunden für den konturnahen Guss. Dies brachte für die sehr wichtige Durchlaufzeit eine Gesamtreduzierung von 14 %.

„Auch wenn die Temperatur bei der konventionellen und der konturnahen Kühlung gleich blieb, wurde beim konturnahen Design mehr Flüssigkeit über eine größere Fläche verteilt, was sich bei der Kühlung der Form als effizienter erwies“, sagt Young.

Benchmark-Ergebnisse: Konventioneller und konturnaher Kern im Vergleich
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Große finanzielle Auswirkungen 

„Der Wunsch nach besseren Kühlverfahren besteht schon seit sehr, sehr langer Zeit“, meint Young. „Wir verfügen jetzt über eine Software, die den Formmachern Entscheidungen zu Hohlräumen, Kernen und Einsätzen leichter macht. Ihre Konstruktionen werden dann per 3D Direktmetalldruck umgesetzt.“

„Mit traditionellen Kühlansätzen lässt sich beim Spritzguss keine perfekte Situation realisieren“, so Staub. „Bohrungen lassen sich nur an bestimmten Stellen setzen. Anders als bei einer für den 3D Druck vorgesehenen konturnahen Kühlkonstruktion lassen sich die Bohrungen nicht um die Kanäle herumführen. Jetzt müssen wir bei konturnahen Kühlkonstruktionen endlich keine Kompromisse mehr eingehen.“

Bastech erwarb das ProX 200 DMP-System mithilfe von Zuschüssen des US-Bundesstaates Ohio und des Research Institute an der Universität Dayton. Deswegen hat es sich das Unternehmen auf die Fahne geschrieben, seine Ergebnisse an andere Unternehmen in der Branche weiterzuleiten. Staub hofft, dass sich weitere Fertigungsbetriebe, egal welcher Größe, durch die Benchmark-Ergebnisse bei Bastech davon überzeugen lassen, dass solide End-to-End-Lösungen für eine konturnahe Kühlung auf dem Markt erhältlich sind.

„Möglichst viele Werkzeugbauer sollten für ihre Betriebe das Optimierungspotenzial nutzen, das diese 3D Technologien bieten“, meint er. „Wir geben unsere erfreulichen Resultate gerne an andere Unternehmen weiter, damit man dort nicht nur sieht, dass dies grundsätzlich möglich ist, sondern auch, dass man finanziell erheblich von dieser Methode profitiert.“