Wird der 3D-Druck die Werkzeugindustrie ersetzen?

Veröffentlicht am 11. November 2019, | Von WayKen Rapid Manufacturing

Bei der Herstellung eines Produkts geht es nicht nur darum, die eigentlichen Teile zu bearbeiten und zusammenzubauen. Der Produktionsprozess umfasst viele zusätzliche Aufgaben wie die Entwicklung der Verpackung, Überlegungen zur Logistik und vor allem die Entwicklung und Herstellung der Werkzeuge. Tooling ist eine allgemeine Bedeutung für die Komponenten, die für die erfolgreiche Produktion aller Komponenten in der erforderlichen Menge und mit allen vorgeschriebenen Anforderungen erforderlich sind. Die Werkzeugindustrie kostet Unternehmer auf der ganzen Welt Milliarden von Dollar. Die Werkzeugkosten können bis zu 50 % der Gesamtproduktkosten betragen. Es werden jedoch neue Technologien entwickelt, um die Zeit und die Kosten für die Werkzeugbestückung zu verringern. Der 3D-Druck hat sich für eine solche Aufgabe als zuverlässige und vielversprechende Technik erwiesen.

Im Laufe der Jahre ist die additive Fertigungstechnologie oder wie sie allgemein als 3D-Druck bezeichnet wird, eine Analogie zum herkömmlichen Prozess des Kopierens von 2D-Digitalbildern auf ein Blatt Papier. Mit zunehmender Reife der Technik sind die Präzision, die Festigkeit der Teile, die Oberflächenbeschaffenheit und die Materialpalette für die additive Fertigung drastisch gewachsen. Vor 5 Jahren konnten die gedruckten Teile nur für Modelle und Präsentationen verwendet werden. Heute hören wir von gedruckten Metallkomponenten, die in Airbus-Triebwerke, Raumfähren und Autos eingebaut werden. Das bedeutet, dass der 3D-Druck auch für den Werkzeugbau nützlich geworden ist. Wenn wir eine so rasante Entwicklung betrachten, ist es vielleicht möglich, dass der 3D-Druck alle herkömmlichen Verfahren zur Werkzeugherstellung in der gesamten Industrie ersetzen kann?

Kunststoff-3D-Druck als Ersatz für weiche Werkzeuge

Weiche Werkzeuge werden normalerweise als Elemente bezeichnet, die nicht viele Behinderungen erfordern. Das bekannteste Beispiel für Soft-Tooling sind Silikonformen zum Gießen von Kunststoff. Sie werden aus verschiedenen gehärteten Silikonmischungen hergestellt, während die harten Werkzeuge für den Spritzguss aus Metalllegierungen bestehen. Ihre Haltbarkeit ist im Vergleich zu Hartwerkzeugen winzig (nur 1-1000 Teile je nach Komplexität), aber der Preis ist erheblich günstiger. Silikonformen eignen sich perfekt für Prototyping-Jobs, Kleinserienfertigung und kundenspezifische Anpassungen. Sie würden nur ein Urmodell und ein oder zwei Stanzformen benötigen, um eine kleine, aber bedeutende Charge von Teilen herzustellen. Wie also kann die additive Fertigung hier den konventionellen Prozess verbessern und ersetzen?

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Verbesserungen durch die additive Fertigung

Erstens spielt der 3D-Druck bereits beim Silikonguss eine bedeutende Rolle. Unverzichtbar für die Urmodellherstellung. Der 3D-Druck zeichnet sich durch die Herstellung eines einzelnen benutzerdefinierten Teils aus, und der Vorteil besteht darin, dass die Komplexität der Geometrie bei der endgültigen Zeit und den endgültigen Kosten keine oder nur eine geringe Rolle spielt. Ein einzelnes benutzerdefiniertes komplexes Teil ist eine Definition des Urmodells für den Kunststoffguss. Nachdem das Meisterteil fertig ist, wird es in flüssiges Silikon getaucht und sobald es ausgehärtet ist, erhält man zwei Hälften der Matrize.

Was wäre, wenn wir noch weiter gehen und die Silikonformen selbst produzieren, indem wir einfach die Silikonformen drucken? Das würde die Notwendigkeit eines Master-Teils und seiner Nachbearbeitung beseitigen. Moderne 3D-Drucker erreichen mit den erforderlichen Materialien nicht ganz die erforderliche Oberflächengüte, können aber mit weicheren Polymeren extrem glatte Teile herstellen. Wer sagt, dass die Drucker in ein paar Jahren nicht in der Lage sein werden, die gleiche Präzision auf den komplexeren Materialien zu erreichen? Wenn das passiert, wird die herkömmliche Silikonwerkzeugindustrie in Schwierigkeiten geraten.

3D-Druck und die Spritzgussindustrie

Wir haben uns Softtooling angesehen. Lassen Sie uns nun sehen, was der 3D-Druck der Hartwerkzeugindustrie bringen kann. Der Großteil dieser Branche umfasst langlebige Stahlformen für Kunststoffspritzgussteile. Zu den Hartwerkzeugen gehören jedoch Metallschmiedewerkzeuge, Bearbeitungsvorrichtungen und Messspannwerkzeuge (oder ganze spezialisierte Messausrüstungseinheiten für bestimmte Teile).

Harte Werkzeuge für verschiedene Branchen

Hartwerkzeuge werden am häufigsten durch CNC-Bearbeitung hergestellt. Die Matrizen und Vorrichtungen bestehen aus rostfreiem Stahl oder Hartmetalllegierungen, die wärmebehandelt werden können, um ihre Lebensdauer weiter zu erhöhen. Solche Materialien sind sehr schwer zu verarbeiten. Aus diesem Grund kostet die Herstellung von Hartwerkzeugen viel Geld und nimmt einen erheblichen Teil der Produktvorlaufzeit in Anspruch.

Hartwerkzeuge werden normalerweise als einzelne Einheit oder als sehr kleine Charge hergestellt. Es hat üblicherweise eine sehr komplexe Geometrie mit internen Merkmalen. Genau in dieser Situation zeichnet sich der 3D-Druck aus. Allerdings ist die additive Fertigung noch nicht weit verbreitet, um Matrizen herzustellen.

Gründe, warum wir additive Fertigung noch nicht sehen

Dafür gibt es einige Gründe. Ein Grund dafür ist, dass die additive Metallfertigung noch nicht die Präzision und Oberflächengüte bietet, die CNC-bearbeitete Teile erreichen können. Ganz vermeiden kann man die Bearbeitung durch Schneidwerkzeuge also nicht. All dies bedeutet, dass Sie eine Nachbearbeitung nicht vermeiden können und die Kosten für nachbearbeitete Teile höher sind. Der wichtigste Grund ist jedoch, dass die Ermüdungseigenschaften von Sinterteilen noch nicht gut erforscht sind. Das bedeutet, dass die Haltbarkeit von gedruckten Teilen nicht verlässlich vorhergesagt werden kann. Sobald weitere Forschungstests durchgeführt wurden, können wir die Gesamtermüdungskurven der gesinterten Materialien erstellen. Sobald dies geschehen ist, wird es möglich sein, die additive Fertigung für langlebige Komponenten einzusetzen. Darüber hinaus gibt es nicht viele Materialien, die für das Sintern von Metallteilen geeignet sind, sodass die Variationen der Matrizen begrenzt sind.

Die Zukunft des Werkzeugbaus

Nun, da wir die aktuellen Einschränkungen des 3D-Drucks in Metall kennen, wollen wir sehen, was in Zukunft passieren kann, wenn diese Einschränkungen schließlich überwunden werden. Wenn wir Drucker entwickeln, die präzise Teile aus komplexen Komponenten herstellen können, wird das Fertigungstempo tatsächlich in die Höhe schnellen. Die Matrizen werden in wenigen Tagen hergestellt und sind viel billiger als die heutige Fertigung. Die Kosten für die Bearbeitung eines einzelnen Teils sind sehr hoch, während der 3D-Druck eines benutzerdefinierten Haustiers tatsächlich rentabler ist als die Herstellung einer Charge. Die Härte des Materials spielt keine Rolle, da es lokal geschmolzen und nicht geschnitten wird.

Und nicht zuletzt kann die additive Fertigung in Bezug auf innere Kühlkanäle viel hinzufügen. Bohrer und Bohrungen können tiefere Hohlräume und Zwischenräume nicht erreichen, was zu unterschiedlichen Abkühlraten führt. Additive Technologien können jedoch jede komplexe Form von Kanälen bieten, die effizient sind, sich gleichmäßig über den Hohlraum verteilen und die Kosten des Chips nicht erhöhen.

Schlussfolgerung

Die additive Fertigung hat noch einen langen Weg vor sich, um herkömmliche narrensichere Methoden zur Werkzeugerstellung zu ersetzen. Sobald die Technologie jedoch ausgereift ist und die Eigenschaften ihrer Teile besser verstanden sind, haben herkömmliche Methoden keine Chance mehr.