Additive Fertigung im Formenbau: Erfolgreiches Rapid Tooling mit Nuform

(Artikel vom 11.04.2023) Am 3D-Druck hat das Rapid Prototyping, der schichtweise Aufbau des Objekts, nach wie vor den größten Anteil. Rapid Tooling (schneller Werkzeugbau) betrifft die Fertigung von Werkzeugen oder Werkzeugteilen mittels 3D-Druck. Vorteile von Rapid Tooling im Formenbau - von Christian Andre, Produktleiter bei Nuform aus Trierweiler.

Der Formenbau ist seit Jahrzehnten der Kern der Kunststoffverarbeitung in der Serienproduktion. Kein Bereich in der Produktion ist so anfällig, sensibel und kostenintensiv wie der Werkzeug- und Formenbau. Denn die verwendeten Werkzeuge sind entscheidend für die Qualität und die Kosten der gefertigten Produkte.

Aus diesem Grund stellt dieses Handwerk seither größte Ansprüche an die Qualität und Maßhaltigkeit von Werkzeugen. Diese können zudem mitunter ein beachtliches Gewicht erreichen, was wiederum zu Herausforderungen bei der Handhabung und der Ausrichtung in den Bearbeitungsmaschinen zur Folge hat. Auch wenn weder die Werkstückgröße, enge Toleranzen noch besonders verschleißfeste Werkstoffe zu den weitläufig bekannten Stärken des 3D-Drucks zählen, war die Entwicklung dieser Technologie-Gruppe seit den ersten Gehversuchen mit gedruckten Photo-Polymeren eng mit Anwendungen im Formenbau verbunden.

Diese Verbindung ist vor allem durch eine ganz bestimmte Stärke des 3D-Drucks zu erklären: Die Möglichkeit, frei geformte Flächen und Konturen zu erzeugen, ohne viel Material abtragen zu müssen. Denn genau dieser Materialabtrag ist bei traditionellen Fräs- und Erodierprozessen dafür verantwortlich, dass viele aufwändige Arbeitsschritte zu langen Bearbeitungszeiten, hohen Kosten und einem großen Abfallvolumen führen. Zwar kann das abgetragene Spänevolumen zu einem großen Anteil wieder recycelt werden, doch ist dieser Prozess enorm energieaufwändig, und wozu soll man dieses Material den überhaupt erst in Halbzeugen vergießen, dann mühselig abtragen und anschließend wieder einschmelzen, wenn es gar nicht erst aufgetragen werden muss?

Wäre es also nicht enorm attraktiv, die Vorzüge des Fräsens mit denen des 3D-Drucks zu kombinieren? Genau diese treibende Kraft hat in den letzten Jahren zu großen Fortschritten der 3D-Druckverfahren geführt. Dank eines klaren Fokus auf die Entwicklung von wiederholgenauen und verlässlichen 3D-Druck-Prozessen, sind diese heute in der Lage, genauere, komplexe und qualitativ hochwertige Formen schneller und kostengünstiger als je zuvor herzustellen. Es bleibt fraglich, ob der 3D-Druck jemals die Qualität einer gefrästen Oberfläche direkt liefern kann, jedoch ist dies auch nicht in 100 % der Anwendungsfälle erforderlich. Zudem bringt die Erzeugung einer möglichst Endkontur-nahen Geometrie mittels 3D-Druck in Verbindung mit hochfesten Werkstoffen selbst anspruchsvolle Formen dicht "ans Zielgebiet", wodurch der Aufwand bei der finalen Bearbeitung deutlich reduziert werden kann.

Rapid Tooling (schneller Werkzeugbau) mit additiver Fertigung (3D-Druck) betrifft demnach eine spezielle Form des Werkzeug- und Formenbaus, insbesondere die Fertigung von Kunststoffspritzwerkzeugen, die dazu beigetragen, den Zeitaufwand, die Kosten und den Materialverbrauch im Formenbau drastisch zu reduzieren und dabei die Qualität zu garantieren. Rapid Tooling eignet sich beispielsweise für Spritzgusswerkzeuge, Presswerkzeuge, Stanzwerkzeuge, und Tiefziehwerkzeuge für Dünnschicht-Kunststoffteile.

Bessere Leistungsfähigkeit

Die additive Fertigung ermöglicht es komplexe Formen herzustellen, die mit anderen Herstellungsmethoden nicht möglich sind. Als ein weiterer, einzigartiger Vorteil des Rapid Tooling im 3D Druck ist die Einarbeitung gezielter Kühlkanäle in das Werkzeug zu nennen. Dies wäre in traditionellen Herstellungsverfahren nicht möglich. Solche Kanäle führen zu einer verbesserten Kühlwirkung der Formen, wodurch die Zykluszeiten beim Einsatz dieser Formen teils deutlich reduziert werden können. Das bedeutet weniger Zeit pro Stück: Das ist schließlich die Währung in der Serienproduktion.

Kosteneffektiver

Der traditionelle Formenbau und die damit verbundenen Herstellungsprozesse sind in Verbindung mit den geforderten geringen Stückzahlen relativ teuer und kostspielig. Mit dem Einsatz der additiven Fertigung ist der Herstellungsprozess nicht nur schneller, sondern er kann, zusammen mit der richtigen Planung, auch kostengünstiger sein. Anstatt eine Form in einer Werkstatt in einer Vielzahl von Bearbeitungsschritten herzustellen, wird sie auf einer Druckmaschine möglichst nahe an ihrer fertigen Form gedruckt. Insgesamt lässt sich hierdurch sich die Produktionszeit verkürzen und die Kosten für die Herstellung der Formen senken. Letzten Endes sind jedoch nicht alleinig die unmittelbaren Herstellkosten der Werkzeuge entscheidend für deren Kosteneffizienz. Zu einer vollständigen Betrachtung des Kosten-Nutzen-Verhältnisses gehören ebenso die Auswirkungen auf den Produktionsprozess, in dem die Form letztlich zum Einsatz kommt. Erst durch die zusätzliche Flexibilität durch den 3D-Druck, können Kühlkanäle effektiver und gleichmäßiger in die Form eingebracht werden und so die Zykluszeiten des Spritzgussprozesses drastisch reduziert werden. So lohnt sich der Einsatz neuer 3D-gedruckter Konzepte nicht nur unmittelbar beim Einkauf oder der Herstellung, sondern auch dauerhaft im Einsatz im Produktionsprozess.

Schnellere Markteinführung neuer Produkte

Durch die schnelle Herstellung der Werkstücke können Produkte innerhalb kürzester Zeit auf den Markt gebracht werden. Die additive Fertigung ermöglicht schnelle Iterationen und schnelle Prototypen, welche für den Test sowie für Kundenbesprechungen verwendet werden können. Der herkömmliche Herstellungsprozess benötigt hier Wochen oder Monate für den Test von Prototypen. Hier versteht sich der 3D-Druck als eine Übergangstechnologie, mit dessen Hilfe schnellstmöglich die Funktion oder die Qualität eines Produktes getestet werden kann, bevor ein Form-Werkzeug überhaupt erst in Auftrag gegeben werden muss. Im besten Fall kann zudem eine erste Kleinserie zunächst vollständig über den 3D-Druck hergestellt werden. Die Erkenntnisse aus diesem Prototypen-Test oder das Kundenfeedback aus der ersten Serie können unmittelbar am Modell im Rechner umgesetzt werden. Eine Nachbesserung an der Form für die Serienproduktion würde hingegen ein Vielfaches an Aufwand und Kosten verursachen und sich unter Umständen über Monate erstrecken.

Nachhaltige Fertigung

Die additive Fertigung kann durch eine Reduktion des Materialverbrauchs sowie den Einsatz von wiederverwendbaren Materialien die Umweltbelastung verringern. Eine größere Nachhaltigkeit ist darin begründet, dass beispielsweise weniger Produktionsabfälle anfallen. Anstatt eine Form durch den mühsamen Materialabtrag aus einem Klotz zu erzeugen, wird beim 3D-Druck nur dort Material aufgetragen, wo es tatsächlich benötigt wird.

Nuform setzt auf technische Transformation: 3D-Druck im Zusammenspiel mit bestehenden Fertigungstechniken

Erfahrungen bestätigen, dass die additive Fertigung im Formenbau nur dann ihre volle Leistungsfähigkeit ausschöpfen kann, wenn die Transformation von 3D-Druck und dem Zusammenspiel der bestehenden Fertigungstechnik in den jeweiligen Unternehmen erfolgt. Nuform zieht bestehende Strukturen in die Lösungsfindung mit ein und die Problemlösung steht dabei im Vordergrund. Nuform versteht sich als zuverlässiger Innovationspartner, quasi die verlängerte Werkbank in der Entwicklung, mit dem Ziel, dass das Design der Anwendung folgt und der Prozess den Gegebenheiten. Mit dem Zugang zum 3D-Druck durch Nuform reduzieren Unternehmen die Lagerung von Materialien, eine Verkürzung von Produktionsketten und Lieferzeiten, eine Minimierung von Ausfallzeiten und erhalten aber eine Implementierung und Realisierung in ihre Systeme und Prozesse.

Bewiesen ist, dass der Einsatz von additiver Fertigung im Formenbau ein bedeutender Schritt zur Verbesserung der Effizienz im Formenbau darstellt. Rapid Tooling bietet zahlreiche Vorteile wie schnelle Prototyping- und Produktionszyklen, Material- und Kostenreduktion, sowie ein schnelleres Time-to-Market. Durch die Zusammenarbeit mit erfahrenen 3D-Druck-Dienstleister erfahren Kunden, wie die additive Fertigung ihre volle Leistungsfähigkeit im Formenbau ausschöpft.

Fazit: Von der Nischenanwendung zum breiten Einsatz

Das Wachstum des Formenbaus und die steigende Nachfrage nach additiver Fertigung sind Technologien mit Rapid Tooling nicht wegzudenken. Der Formenbau profitiert enorm von den Fortschritten in der additiven Fertigung und gibt der Branche die Möglichkeit, schnellere, qualitativ hochwertige Formen mit weniger Ausschuss und geringeren Kosten zu erzeugen. Ein weiterer Vorteil ist die Fähigkeit, schnelle und genaue Prototypen herzustellen, was es Unternehmen ermöglicht, schneller auf Marktbedürfnisse zu reagieren und ihre Produkte schneller und effektiver in den Handel zu bringen. Ein neuer Denkansatz ist mit 3D-Druck-Technologien denkbar: Früher konnten Ideen erst entwickelt werden, wenn die technischen Möglichkeiten oder Materialien dafür erfunden waren. Zukünftig wird das Bedürfnis definiert und dann die Lösung generiert.

V.i.s.d.P.:

Christian Andre
Projektleiter Nuform

FAQs:

Was sind die Vorteile der additiven Fertigung (Rapid Tooling) im Formenbau?

Antwort: Die additive Fertigung im Formenbau bietet zahlreiche Vorteile wie die schnelle Produktion komplexer Formen, Kosteneffizienz, schnelle Markteinführung neuer Produkte und Nachhaltigkeit durch die Reduktion des Materialverbrauchs. Darüber hinaus ermöglicht sie schnelle und präzise Prototypen und verbessert die dynamischen Charakteristika der Formen.

Wie kann ich sicherstellen, dass die additive Fertigung im Formenbau effektiv eingesetzt wird?

Antwort: Die additive Fertigung kann ihre volle Leistungsfähigkeit im Formenbau nur dann ausschöpfen, wenn sie von einem erfahrenen 3D-Druck-Spezialisten durchgeführt wird. Die Wahl des richtigen Partners ist entscheidend für eine genaue Materialauswahl, eine erstklassige Oberflächenbeschaffenheit und die optimale Bauteilkonstruktion, um die Anforderungen des Kunden zu erfüllen.

Was sind die Vorteile von Nuform als Anbieter von Rapid Tooling-Lösungen?

Antwort: Nuform ist ein führender Anbieter von Rapid Tooling-Lösungen und bietet eine schnelle, effiziente und kostengünstige Lösung für Formanbauanforderungen. Mit ihrer Fachkompetenz und ihrem Know-how beraten sie ihre Kunden in jeder Phase des Rapid Tooling-Prozesses. Die Mitarbeiter von Nuform sind spezialisiert auf Materialauswahl, Oberflächenbeschaffenheit und Bauteilkonstruktion, um die Kundenzufriedenheit zu gewährleisten.

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