Prototyping revolutioniert: Die Kraft 3D-gedruckter Werkzeuge

Wenn wir die Rolle des 3D-Drucks in der Fertigungswelt diskutieren, betrachten wir oft, wie additive Fertigung traditionelle Techniken ersetzen könnte. Tatsächlich vermarkten viele AM-Hardware-Entwickler ihre Maschinen als direkten Ersatz für CNC-Maschinen oder Spritzgusssysteme.

Doch 3D-Druck kann auch bestehende Technologien wie CNC-Bearbeitung, Spritzguss, Blechbearbeitung, Extrusion und Gießen ergänzen.

Denn AM-Systeme – ob industrielle Metalltechnologien wie DMLS oder Kunststofftechnologien wie FDM oder SLS – können 3D-gedrucktes Werkzeug für diese Prozesse erstellen, was die Produktion beschleunigt und/oder verbessert und bessere Ergebnisse liefert.

Dieser Artikel untersucht, wie 3D-gedrucktes Werkzeug die Zukunft von Prototyping und Kleinserienproduktion prägt. Er behandelt verschiedene Arten von 3D-gedrucktem Werkzeug, dessen Nutzen und verfügbare Materialien.

Arten von 3D-gedrucktem Werkzeug

Werkzeug (Tooling) ist ein Sammelbegriff für diverse Fixier-, Stütz- oder Formgebungsmechanismen in der Fertigung. Werkzeug für ein Teil kann aus einer oder mehreren Komponenten bestehen und wird meist aus robustem Material wie Werkzeugstahl gefertigt.

3D-Druck kann verschiedene Werkzeugarten herstellen. Manche Komponenten sind leichter zu fertigen als andere, manche erfordern High-End-AM-Ausrüstung.

1. Formen (Molds)

Eine Form ist ein hohler Behälter, der mit Material gefüllt wird, um Teile herzustellen. Formenbau erfolgt typischerweise durch Zerspanung, aber 3D-Druck – gekoppelt mit temperaturbeständigen Materialien – wird für bestimmte Teile zur brauchbaren Option.

Gedruckte Formen erfordern oft umfangreiches Oberflächenfinish oder andere Oberflächenbehandlungen vor dem Einsatz, aber die Geschwindigkeit ihrer Herstellung ist ein enormer Vorteil für Prototyping-Unternehmen.

Laut dem deutschen AM-Unternehmen EOS: „Die Fähigkeit, selbst komplexeste Strukturen in hoher Qualität und mit kurzen Produktionszeiten herzustellen, bedeutet, dass 3D-Druck … klare Vorteile für den Formenbau bietet.“

2. Vorrichtungen (Jigs)

Eine Vorrichtung (Jig) ist ein maßgefertigtes Spannvorrichtung zur Verbesserung der Teilekonsistenz während der Fertigung. Sie führt und kontrolliert typischerweise die Bewegung eines Schneidwerkzeugs.

3D-Drucker werden zunehmend nützlich für die Fertigung kundenspezifischer Artikel wie Vorrichtungen und Spannvorrichtungen, da der Prozess für Einzelstücke kostengünstig ist.

Hersteller von 3D-gedruckten Vorrichtungen und Spannvorrichtungen können Lieferzeiten drastisch verkürzen – besonders bei Inhouse-Druck.

3. Spannvorrichtungen (Fixtures)

Eine Spannvorrichtung (Fixture) sichert ein Werkstück während der Fertigung, typischerweise beim Zerspanen. Im Gegensatz zu Vorrichtungen sind Spannvorrichtungen meist einzigartig für die herzustellenden Teile, nicht für die Fertigungsausrüstung.

Vorrichtungen und Spannvorrichtungen können in Metall oder Engineering-Kunststoffen wie TPU oder kohlenstofffaserverstärktem Nylon 3D-gedruckt werden.

4. Extrusionswerkzeuge (Extrusion Dies)

Werkzeuge (Dies) sind dicke Stahlplatten mit geformten Öffnungen. Im Extrusionsprozess wird Material durch die Werkzeugöffnung gepresst, wodurch ein langes Teil mit einem Querschnitt entsteht, der der Öffnung entspricht.

Wie Formen werden Werkzeuge typischerweise aus temperaturbeständigen Materialien wie Stahl gefertigt, die mit Verfahren wie DMLS und SLM zunehmend druckbar werden.

Vorteile von 3D-gedrucktem Werkzeug

Konforme Kühlkanäle

Bei Prozessen wie Spritzguss dienen Kühlkanäle dazu, Kühlmittel um das geschmolzene Material zu leiten, damit es gleichmäßig abkühlt und aushärtet. Das verhindert Verzug und Verformungen im Formteil.

In herkömmlichen Formen sind Kanäle meist gerade Linien, da komplexere Formen schwer zerspanbar sind. 3D-Druck ermöglicht konforme Kühlkanäle: Kanäle, die den Konturen des Teils folgen, sodass jeder Bereich gleichmäßig vom Kühlmittel erfasst wird.

Laut Metall-AM-Spezialist Desktop Metal: „Teile mit komplexen Designs und internen Strukturen – wie konforme Kühlkanäle für kundenspezifische Formen – sind ideal für additive Fertigung, wo Fertigungszeit und Kosten pro Teil nicht zwingend von der Designkomplexität abhängen.“

Schnelle Fertigung

3D-Druck ist ein schneller Prozess mit minimalem Einrichtungs- oder Vorbereitungsaufwand. Das ermöglicht die rasche Produktion von Werkzeug – und sofortiges Nachrüsten, wenn ein Werkzeug bricht oder geändert werden muss.

Obwohl 3D-gedrucktes Werkzeug noch in den Kinderschuhen steckt und von den meisten Herstellern (oder Kunden) nicht favorisiert wird, wird es bereits wichtig für Rapid Prototyping, wo Lieferzeit vor anderen Faktoren priorisiert wird.

3D-gedrucktes Werkzeug wird großen Einfluss auf die Zukunft des Prototypings haben, weil es traditionelle Prototyping-Prozesse nachweislich beschleunigt.

Erschwinglich und effizient

Werkzeug kann sehr teuer sein, besonders bei mehreren Komponenten oder komplexem Design. 3D-Druck senkt die Werkzeugkosten, da ein komplexes, detailreiches Design fast so schnell gefertigt werden kann wie ein einfaches.

AM ist auch materialeffizient, da kein Ausschuss durch Abtragen vom Rohling entsteht.

Letztlich wird jeder Workaround, der die Prototyping-Kosten drastisch senkt, eine immer größere Rolle im Prototyping-Prozess spielen.

3D-Drucker-Hersteller Markforged berichtet: „Hersteller können 10–50 % ihres langlebigen Werkzeugs 3D-drucken“, was „signifikanten Wert darstellt, wenn man bedenkt, dass die durchschnittliche Kosteneinsparung eines 3D-gedruckten Teils vs. eines zerspaneten Teils 80 % beträgt.“

Einsetzbar für verschiedene Prozesse

3D-gedrucktes Werkzeug kann für mehrere einzigartige Fertigungsprozesse genutzt werden, darunter:

• Druckguss
• Spritzguss
• Extrusion
• CNC-Bearbeitung
• Blechbearbeitung

Beste AM-Werkzeugmaterialien

Werkzeugstahl

Werkzeugstahl ist harter Stahl für anspruchsvolle Fertigungsanwendungen. Wegen seiner Härte dauert die präzise Zerspanung lange.

Einige Metall-3D-Druck-Technologien können das Material drucken, was Chancen für 3D-gedruckte Spritzgussformen schafft. Industrie-AM-Unternehmen EOS produziert eine Reihe 3D-druckbarer Werkzeugstahlpulver, darunter Maraging-Stahl und Werkzeugstahl 1.2709.

Inconel

Verfahren wie DMLS und SLM können Werkzeug aus Inconel-Nickellegierungen drucken. Inconel ist hochtemperaturbeständig und eignet sich für diverse Werkzeuganwendungen, einschließlich Formenbau und Extrusion.

Verbundwerkstoffe (Composites)

Verbundwerkstoffe wie kohlenstofffaserverstärktes Nylon oder PEEK können hochfeste Metalle bei 3D-gedrucktem Werkzeug wie Vorrichtungen und Spannvorrichtungen ersetzen.

Engineering-Thermoplaste

3D-Druck-Unternehmen Stratasys empfiehlt bestimmte Vorrichtungen und Spannvorrichtungen aus High-Performance-FDM-Materialien wie TPU, verstärktem Nylon oder ASA.

3ERP ist ein Rapid-Prototyping-Spezialist mit jahrelanger Erfahrung in Zerspanung, additiver Fertigung und anderen Disziplinen. Kontaktieren Sie uns für ein kostenloses Angebot.