Rapid Tooling – der schnelle Werkzeugbau

Das Gesamtkonzept – was ist rapid tooling?

Die weiter gefasste Definition von Rapid Tooling (= Werkzeugbau) umfasst alle Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen und Formen für den Bau von Prototypen oder Kleinserien. Zwar werden heute immer mehr generative Verfahren eingesetzt und oft werden die subtraktiven Verfahren in den Hintergrund gestellt, jedoch erfordern viele Aufgabenstellungen Mischformen, d.h. einige Teile des Werkzeugs werden in generativen, andere in zerspanenden Verfahren gefertigt.

Allgemein ist das Ziel von Rapid Tooling, dass Originalmaterialien in zum Vergleich zum klassischen Werkzeugbau sehr viel schnelleren Verfahren zur Herstellung von Teilen verwendet werden können.

Die Beschleunigung des Prozesses der Werkzeugerstellung steht auf 3 Säulen:

Maßnahmen organisatorischer Art:

Die Auftragsabwicklung wird analog zum klassischen Projektgeschäft    durchlauforientiert, das heißt mit maximaler Parallelisierung gleichzeitig durchführbarer Arbeiten organisiert.

Der Einsatz verschiedener Technologien ist hier sogar von Vorteil, da verschiedene Teilarbeiten synchron ablaufenkönnen.

Modularer und standardisierter Werkzeugaufbau

Ein variables modulares Stammformensystem wird eingeführt mit Wechseleinsätzen, hierfür existieren verschiedene technologische Lösungen.

Dies ist insbesondere für ähnliche und in etwa gleich große Teile geeignet.

Einführung und Kombination innovativer Technologien für die Fertigung

Zum einen werden immer mehr generative Verfahren angewandt, bisher vor    allem verschiedene Varianten des Laser-Sinter-Verfahrens, jedoch haben auch andere additive Verfahren interessante Technologien für den Einsatz im Rapid Tooling entwickelt und mittlerweile zur Marktreife gebracht. Daneben     haben immer noch optimierte zerspanende Verfahren wie z.B. HSC-Fräsen (High Speed Cutting = Hochgeschwindigkeitszerspanung)  und 5-Achs-Fräsen einen Anteil bei der Beschleunigung des Werkzeugbaus im Rapid Tooling, insbesondere in der Kombination mit generativen Verfahren.

Überblick Rapid Tooling-Verfahren

Die Werkzeugkonstruktion, basierend auf den fertigungsgerechten CAD-Daten des Bauteiles, muss konsequent modular aufgebaut werden.

Dann wird entschieden, welche Teile der die Kontur abbildenden Formnester und der Werkzeugstammform generativ und welche zerspanend gefertigt werden. Folgende Verfahren stehen hierbei zur Verfügung:

Generative Verfahren:

FDM– und SLA-Technik spielen z.B. bei der Herstellung komplexer Kühlsysteme für Werkzeuge mittlerweile ebenfalls eine Rolle und nehmen an Bedeutung zu.

Diverse Sinterverfahren werden bereits schon lange eingesetzt:

• Direktes Metall-Sintern (DLMS)

  Hier werden im Lasersinterverfahren spezielle Metallpulver verwendet.

  Die Werkstücke können sowohl infiltiert als auch unfiltriert  nachbearbeitet werden, z.B. durch Schweißen, Löten, Erodieren, Befräsen, Sandstrahlen, Polieren oder andere Oberflächenbearbeitung.

• Indirektes Metall-Lasersintern

  Ausgangsmaterial ist mit Kunststoff gecoatetes Edelstahlpulver, welches wie bei allen Lasersinterverfahren in Schichten aufgetragen und mit einem Laser verschmolzen wird. Es folgt ein Thermischer Prozess, wobei der Binder ausgetrieben wird, dann wird versintert, dann kühlt die neu entstandene Materialmatrix ab und das Teil setzt sich durch die Schwerkraft.

  Wichtig ist dabei die Kenntnis und verfahrensgerechte Konstruktion der Teile unter Berücksichtigung von Schwund, Verzug etc., da durch die thermische Behandlung die Temperaturverteilung im Bauteil mit berücksichtigt werden muss.

• Lasersintern Kunststoff mit Epoxidharz

  Die Lasersinterteile aus Kunststoff sind für Rapid Tooling direkt nicht geeignet. Allerdings kann Infiltriern mit Epoxidharz durch das Schließen der Poren eine höhere Stabilität, Temperaturwiderstandsfähigkeit und ander Möglichkeiten der Oberflächenbearbeitung und –veredlung eröffnen

  So dass der Einsatz dieser vergleichsweise günstigen Technologie durch den Einsatz des preiswerteren Kunststoffpulvers kostenmäßig interessant sein kann, wenn auch noch weitere Prozesse notwendig sind zum endgültigen Einsatz.

• Herstellen einer Epoxidharzform über ein Urmodell

  Ähnlich wie beim Vakuumguss über Silikonformen wird hier ein über Stereolithographie oder andere additive Verfahren hergestelltes Urmodell benutzt, um über das Umgießen des Urmodells in einerm Gießrahmen eine Form aus Epoxidharz herzustellen.

  Oft sind diese Harze für eine höhere Temperaturstabilität und bessere mechanische Eigenschaften und höhere Standzeiten noch z.B. mit Aluminium gefüllt.

  Die Entwicklung solcher speziellen Rapid-Tooling-Harze geht immer weiter und es existieren mittlerweile sehr gute Systeme, da dieses Verfahren sehr schnell ist und bei einfachen Teilen und nicht zu hohen Ansprüchen an Toleranzen und Maßhaltigkeit keine weiteren Werkzeugkomponenten mehr notwendig sind.

Nicht generative Verfahren

HSC-Fräsen / 5-Achs-Bearbeitung

Zum einen können die Hochgeschwindigkeits- und 5-Achs-Fräsen auch dazu benutzt werden, z.B. aus Modellbaublockmaterial oder Aluminium Formen für Rapid Tooling-Verfahren zu fräsen.

Generell haben sich auch im klassischen Werkzeugbau die Durchlaufzeiten durch die technologischen Verbesserungen in diesem Bereich verbessert und durch die Automatisierung vieler Abläufe im zerspanenden Bereich und modulare Bauweise der Werkzeuge können bei optimalem Projekt- und Auftragsmanagement große Zeitsparpotentiale realisiert werden, insbesondere wenn der konventionelle mit innovativen Werkzeugtechniken aus dem generativen Bereich kombiniert wird.

Aluminiumformen sind schneller und kostengünstiger gebaut und bieten dennoch für kleinere Serien gute Fertigungsmöglichkeiten und Standzeiten.

Die Zukunft des modernen Werkzeugbaus

Der Schlüssel für die zukünftige Bedeutung der zerspanenden Verfahren für das Rapid Tooling liegt allerdings neben weiterer Optimierung der Schnelligkeit und Flexibilität in der Kombination mit generativen Verfahren.

So kann ein lasergefertigtes Teil als „Rohling“ benutzt und material- und zeitsparend endbearbeitet werden, um die erforderlichen Toleranzen einhalten zu können beispielsweise.

Bei der Optimierung komplexer Kühlsysteme für die Werkzeuge werden generative Systeme sicherlich weiter an Bedeutung gewinnen.

Generell wird das Rapid Tooling umso mehr an Bedeutung gewinnen, je besser die Technologien miteinander zusammenarbeiten und ineinandergreifen, um die Einsparpotentiale an Zeit und Kosten voll ausschöpfen zu  können, dazu ist auch eine indisziplinäre Zusammenarbeit innerhalb von Unternehmen erforderlich.

Die rasante Weiterentwicklung und zunehmende Akzeptanz von additiven generativen Verfahren auch im klassischen Werkzeugbau schafft nun Möglichkeiten, die von einem immer schnellebigeren Markt gerne ergriffen werden, um den immer kürzer werdenden Zykluszeiten gerecht werden zu können und auch Möglichkeiten zu finden, die vergleichsweise hohe Kapitalbindung im konventionellen Werkzeugbau bei niedriger Flexibilität für Änderungen und Modifikationen durch einen modularen Werkzeugbau, der auch noch Wege offen hält für spätere Produktdifferenzierungen immer mehr zu ersetzen.

Die Anforderungen an den Werkzeugbauer werden dadurch noch höher, da er nicht mehr wie gehabt das gesamte Werkzeug für EIN Verfahren optimieren muss, sondern festlegen muss welches Modul in welcher Technologie am besten gefertigt wird und er muss dann auch noch die Module für jedes Verfahren jeweils optimieren.