Das richtige Werkzeug wählen: Aluminium vs. Stahl vs. 3D-gedruckt für Spritzguss

Veröffentlicht am 18. Januar 2020 | Von Candy, WayKen Projektmanagerin

Als Ihr kreativer Fertigungspartner verpflichten wir uns, kosteneffiziente Spritzgusswerkzeuge und Formteile für jeden Kunden herzustellen. Zudem verbessern wir unsere Aluminiumwerkzeug-Prozesse stetig, um Ihnen ein hochwertiges Erlebnis zu bieten.

Etwa 80 % aller Kunststoffteile werden per Spritzguss gefertigt. Lange galt Spritzguss als reines Massenfertigungsverfahren. Durch Innovationen ist Rapid Injection Molding nicht der einzige Weg der Werkzeuentwicklung. CNC-Bearbeitungszentren verkürzten die Werkzeugbearbeitungszeit erheblich. CAD/CAM/CAE-Systeme reduzierten Design- und Verifizierungszeiten. Neue Werkzeugvarianten entstanden: Aluminium-Spritzgusswerkzeuge und 3D-gedruckte Werkzeuge konkurrieren mit gehärteten Stahlwerkzeugen um den Markt. Was sind die Unterschiede? Welches Werkzeug macht Ihr Produkt effizienter?

Natürlich wollen Sie Ihren Prototyp schneller, günstiger und so gut wie möglich fertigen. Lassen Sie uns Aluminium-, Stahl- und 3D-gedruckte Spritzgusswerkzeuge vergleichen und bestimmen, welches in welcher Situation nützlicher ist.

1. Durchlaufzeit (Turnaround Time)

Durchlaufzeit ist der Zeitraum zwischen Beginn der Werkzeuentwicklung und Produktionsreife. Designmethoden und Berechnungen der drei Werkzeugtypen sind praktisch unterschiedlich, aber die signifikanten Änderungen erfolgen in der Fertigungsphase.

Aluminium-Spritzgusswerkzeuge werden aus Aluminium-Rohlingen per CNC-Bearbeitung und Nachbearbeitung gefertigt. Gegebenenfalls ist zusätzliches Erodieren (EDM) nötig für scharfe Ecken, die nicht fräsbar sind. Generell ist die Bearbeitung hauptsächlich mechanisch, keine thermische Behandlung nötig, kaum Spezialwerkzeuge erforderlich. Eine durchschnittliche Aluminiumkavität entsteht in 10–15 Tagen.

Stahlwerkzeuge werden ähnlich gefertigt, aber: Das Material ist viel härter, bearbeitungsaufwändiger, verschleißt Werkzeuge, erfordert Spezialwerkzeuge. Zudem sind mehrere Wärmebehandlungsschritte nötig zur Standzeiterhöhung. Alles braucht Zeit. Resultat: Stahl-Spritzgusswerkzeuge benötigen 2–5 Monate.

3D-gedruckte Werkzeuge entstehen durch metallisches Selektives Lasersintern (SLM/DMLS). Feines Metallpulver wird schichtweise zur Kavität gesintert. Hauptvorteil: praktisch keine Fertigungsvorbereitung, kein Werkzeugbedarf. Durchschnittliche Erstellungszeit: nur 2–3 Tage.

2. Robustheit (Standzeit)

Robustheit ist im Wesentlichen die Anzahl der Teile, die ein Werkzeug produzieren kann, bevor es zu stark verschlissen ist. Wichtig, wenn Sie eine Charge fertigen.

Stahl-Spritzgusswerkzeuge werden durch Wärmebehandlung gehärtet und auf maximale Lebensdauer ausgelegt. Minimale Trennfugen, härtester Stahl. Deshalb halten sie Millionen Teile.

Aluminiumwerkzeuge bestehen aus weicherem Material, doch einige Aluminiumlegierungen haben hervorragende Festigkeit. Dies ermöglicht bis zu 5.000 Teile pro Charge; Durchschnitt: 100–2.000 Teile.

3D-gedruckte Werkzeuge schneiden bei Robustheit am schlechtesten ab. Die gesinterte Kavität ist porös und nicht so fest wie aus Vollmaterial. Aktuell halten sie 50 bis 200 Teile pro Charge.

3. Fertigungszeit pro Teil

Bei Serienfertigung wird die Fertigungszeit pro Teil wichtig. Damit ist der Zeitraum zwischen Einspritzen der Polymerschmelze und Auswerfen des Fertigteils gemeint. Dieser Faktor hängt von Werkzeugmaterial, Einspritzdruck und Temperatur ab.

Stahlwerkzeuge halten höchsten Einspritzdruck und -temperatur stand, daher Zykluszeit von nur 5–10 Sekunden.

Aluminium-Spritzgusswerkzeuge sind weniger fest, daher Druck und Temperatur 20–30 % niedriger als bei Stahl. Zykluszeit: 44–70 Sekunden – bei Tausenden Teilen erheblich.

3D-gedruckte Werkzeuge vertragen hohe Temperatur und Druck noch schlechter. Zykluszeit: 150–250 Sekunden pro Teil.

4. Teilegenauigkeit und Oberflächenqualität

Teilequalität ist einer der wichtigsten Faktoren. Das Teil dient als Element eines größeren Mechanismus und wird Investoren präsentiert – es muss professionell aussehen.

Stahl- und Aluminiumwerkzeug-Genauigkeit ist ähnlich und hängt nur von Bearbeitungs- und Polierfähigkeiten ab. 3D-gedruckte Werkzeuggenauigkeit wird durch additive Fertigung bestimmt. AM umfasst Schmelzen und Abkühlen; Wärmeverzug senkt die Genauigkeit erheblich. Moderne Technologien erreichen bei Stahl und Aluminium Toleranzen bis IT6, bei 3D-gedruckten Werkzeugen bis IT9.

5. Flexibilität

Flexibilität ist wichtig für Vorserien-Prototypen, wenn Sie testen, wie das Endprodukt aussieht und funktioniert. Nach dem Initialprototyp aus bestimmten Materialien wollen Sie die ursprünglich geplanten Materialien testen und das Fertigungsprogramm prüfen. Oft treten Probleme auf, die Designänderungen erfordern – z. B. ein Fehler im Betriebstest oder poröse Teile durch den Spritzprozess. Dann möchten Sie Design und Werkzeug ändern. Verschiedene Werkzeugmaterialien bieten unterschiedliche Flexibilität.

Stahlwerkzeuge werden durch Wärmebehandlung gehärtet – meist nach Bearbeitung aller wesentlichen Teile, nur noch kleine Schleifschicht. Änderungen sind schwierig wegen hoher Kavitätshärte.

Aluminiumwerkzeuge bestehen aus weicherem Material; die Kavität wird oft als separates Teil in den Werkzeugträger eingesetzt. Deshalb lässt sie sich leichter entnehmen und anpassen.

3D-gedruckte Werkzeuge sind schwer zu modifizieren, da dies Bearbeitung eines Kavitätsteils erfordert und die Oberflächenqualität nicht einheitlich wäre (bearbeitete Bereiche glatter). Einfacher ist komplette Neuanfertigung – was nicht lange dauert, aber zusätzliche, im Prototyping unerwünschte Kosten verursacht.

Individuelle Aluminiumwerkzeug-Fertigung

Bei WayKen verfügen wir über 20 Jahre Erfahrung im Aluminiumwerkzeugbau und bieten Komplettservice vom Prototyp bis zur Serie. Als ISO 9001:2005 zertifizierter Werkzeuglieferant verpflichten wir uns zur Herstellung kosteneffizienter Spritzgusswerkzeuge, Formteile und kontinuierlicher Verbesserung der Werkzeugprozesse für geringere Kosten und hochwertige Teile. Mit uns wird Ihr Projekt von Anfang bis Ende ein voller Erfolg.