Formwerkstoffe Maßgeschneiderte Formeinsätze für den Werkzeugbau

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Werkzeugbauer im Bereich des Spritz- und Druckgusses suchen ständig nach neuen Ansätzen, um die Standzeiten der Werkzeuge zu erhöhen und die Zykluszeiten für die Herstellung von Kunstoff- oder Aluminium-Bauteilen zu reduzieren. Die Anforderungen an die Werkzeuge werden damit immer komplexer und können mit klassischen homogenen Werkstoffen oft nicht mehr erfüllt werden. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen hat nun zwei innovative Rapid Manufacturing Verfahren zur Herstellung von maßgeschneiderten Einsätzen aus Gradientenwerkstoffen oder Werkstoffkombinationen für den Werkzeugbau qualifiziert.

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Werkstoffkombination: Die Werkzeughülle ist aus Stahl mit Selective Laser Melting hergestellt, der Hohlraum wurde durch Gießen mit Aluminium aufgefüllt. Bilder: Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen
Werkstoffkombination: Die Werkzeughülle ist aus Stahl mit Selective Laser Melting hergestellt, der Hohlraum wurde durch Gießen mit Aluminium aufgefüllt. Bilder: Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen
( Archiv: Vogel Business Media )

Ein Beispiel für die hohen Anforderungen an Formwerkzeuge ist die Kombination von Verschleißbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Eine hohe Verschleißbeständigkeit wird üblicherweise durch warmfeste Stähle erzielt. Für hohe Wärmeleitfähigkeiten sind dagegen eher Kupferwerkstoffe geeignet. Ein Lösungsansatz für die optimale Vereinigung beider Eigenschaften bieten sogenannte Gradientenwerkstoffe. Durch Variation der chemischen Zusammensetzung können verschiedene Eigenschaften wie hohe Verschleißbeständigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, Zähigkeit und Festigkeit eingestellt werden.

Das Laserstrahl-Auftragschweißen von Gradientenschichten auf Rohlingen

Formkerne in Spritzgießwerkzeugen müssen die Wärme aus dem Kunststoff rasch abführen, um die Zykluszeit klein zu halten und eine gute Entformbarkeit zu gewährleisten. Ein geeigneter Werkstoff hierfür ist Kupfer. Dessen Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit ist jedoch für die meisten Anwendungen ungenügend. Am Fraunhofer ILT werden die Formkerne daher durch Laserstrahl-Auftragschweißen mit einer gradierten Schicht auf Stahlbasis versehen. Die Gradientenbeschichtung sorgt für eine dem Werkzeugstahl vergleichbare Verschleißbeständigkeit.

Auch im Druckgießwerkzeugbau können in Zukunft durch Gradientenwerkstoffe entscheidende Vorteile erzielt werden. Mit dem Laserstrahl-Auftragschweißen wurde hierzu am Fraunhofer ILT der Aufbau von Werkzeugeinsätzen mit einem Kern aus Edelstahl und einer Hülle aus einer verschleiß- und korrosionsbeständigen Stahllegierung demonstriert.

Die generative Fertigung mit dem Selective Laser Melting

Das Fraunhofer ILT entwickelt nun in Zusammenarbeit mit dem Gießerei-Institut der RWTH Aachen eine Alternative: die Herstellung von Formeinsätzen aus einer Werkstoffkombination. Per SLM wird nur eine dünne Hülle des Formeinsatzes aufgebaut. Der Hohlraum wird anschließend per Gießen mit einem weiteren Material aufgefüllt. Während die Hülle dann beispielsweise aus einem verschleißbeständigen Werkzeugstahl besteht, bietet sich als Gussmaterial ein hochwärmeleitfähiger Werkstoff wie eine Kupfer- oder Aluminiumlegierung an. Der Vorteil: Der Formeinsatz verfügt wegen des sehr gut wärmeleitfähigen Kerns über eine sehr gleichmäßige Kühlwirkung und benötigt dafür nur einfache oder gegebenenfalls sogar keine Kühlkanäle, wodurch der Konstruktionsaufwand erheblich reduziert wird.

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