Werkzeugbau: Die Basis marktfähiger Produkte

Werkzeuge übernehmen eine Schlüsselfunktion in der nahezu allen Zweigen der Industrie. Die Qualität beim Werkzeugbau beeinflusst maßgeblich die Qualität des gefertigten Produkts. Ist ein Werkzeug fehlerhaft oder nicht ganz ausgereift, weist in der Regel auch das Werkstück – ob Halbzeug, Bauteil oder Endprodukt – Mängel auf.
Entsprechend hoch ist die Bedeutung von Werkzeugen für die Marktfähigkeit und damit den Erfolg von Produkten. Entsprechend aufwändig – zeitlich und finanziell – gestaltet sich der Prozess der Entwicklung, Herstellung und Optimierung eines neuen Werkzeugs bis zur Serienreife. Und die Einsatzdauer eines hochwertigen Werkzeugs kann den Lebenszyklus des gefertigten Werkstücks mitunter deutlich übersteigen.

Werkzeugbau, von der Idee zum Werkstück

Der Werkzeugbau umfasst dabei die komplexe Herstellung von Werkzeugen und Formen für eine zeit- und kostenoptimierte (Serien)Fertigung in der Kunststoff und Metall verarbeitenden Industrie. Er fungiert als Bindeglied zwischen Entwicklung und Produktion. Im Werkzeugbau werden je nach Verwendungszweck und Einsatzart folgende Werkzeugarten unterschieden:

• Urformwerkzeuge wandeln formlose – flüssige, gasförmige, plastische, körnige oder pulverförmige – Werkstoffe in einen festen, geometrisch bestimmten Körper um. Urformwerkezuge kommen in erster Linie in Galvanoplastik, Pulvermetallurgie, Druck- und Spritzgießen zum Einsatz.
• Umformwerkzeuge bringen Materialien – meist Metalle oder thermoplastische Kunststoffe – in eine andere Form bzw. bilden mit einer Negativformhälfte das herzustellende Werkstück ganz oder teilweise ab. Dabei behält der Werkstoff seine Masse und seinen Zusammenhalt. Umformwerkzeuge werden unter anderem zum Walzen, Gesenkformen, Ein- und Durchdrücken, Ziehen, Längen, Weiten, Tiefen, Biege- und Schubumformen eingesetzt.
• Im Vorrichtungsbau werden Maschinen oder Geräte gebaut, die Bauteile montieren oder demontieren.
• Im Lehrenbau werden Maße und Formen hergestellt, um Soll- und Ist-Zustände zu in Entwicklung, Montage und Produktion zu vergleichen und Toleranzen festzustellen.

Individuell gefertigte Formwerkzeuge – d. h. Bearbeitungswerkzeuge zum Urformen oder Umformen – spielen eine zentrale Rolle in der blechverarbeitenden Metallindustrie und der Metallgusstechnik, in der Kunststoffverarbeitung sowie in einigen Bereichen des Handwerks. Hier liefert der Werkzeugbau nicht nur die passenden Werkzeuge, sondern übernimmt oft auch wesentliche Aufgaben in der Entwicklung, beginnend bei der werkstoffgerechten Konstruktion und Optimierung der Form über Prozesssimulationen für die Serienfertigung bis hin zur technischen Serienfreigabe und qualitätssichernden Maßnahmen in der Produktion.

Dabei gilt: Moderne Produktionstechniken allein ergeben noch kein optimales Werkzeug. Das Knowhow des Werkzeugmachers bzw. seiner Mitarbeiter von mindestens ebenso hoher Bedeutung. Der Grund: Vor jeder Werkzeugentwicklung steht eine Machbarkeitsanalyse. Im Rahmen des Entwicklungsprozesses können zahlreiche Veränderungen notwendig werden, die umfassende Kenntnisse des Werkstoffs, des Verfahrens und des zu fertigenden Werkstücks erfordern. Nur der Gesamtprozess führt zu einem ausgereiften Werkzeuge für eine erfolgreiche Serienfertigung.

Guss- und Spritzgießtechnik: Werkstoffe in Form gebracht

Nahezu alle Fertigungsverfahren in der Gusstechnik – ob mit Metallen oder Kunststoffen – wären ohne Formwerkezuge nicht durchführbar. Historisch wurde flüssiges Metall meist in offene Formhälften aus Sand- oder Speckstein gegossen, in die das Negativ des zu gießenden Werkstücks durch Meißeln, Schaben oder Schnitzen eingearbeitet war.

Moderne Formwerkzeuge bestehen dagegen zumeist aus zwei Formplatten – eine Düsenseite und eine Auswerferseite –, die gemeinsam die negative Kontur des zu fertigenden Werkstücks als Hohlraum (Kavität) abbilden. Soll beispielsweise ein Gehäuse spritzgegossen werden, unterteilt sich die Kavität zusätzlich in Mutterform/Matrize, die die Negativform der äußeren Kontur des Werkstücks darstellt, und Innenform/Kern, der nach der Fertigung entfernt wird oder im Material verbleibt. Die (Spritz)Gießmaschine fährt dabei für den Gießvorgang beide Formhälften zusammen und nach Erstarrung wieder auseinander. Das Werkstück verbleibt in der Ausstoßerseite oder wird über Stößel, Schieber oder andere Vorrichtungen ausgeworfen. Je nach Fertigungsverfahren und verwendeten Werkstoff verfügt das Werkzeug mit Heiß- oder Kaltkanälen.

Folgend ein Video des Frauenhofer Institut zum Thema Werkzeugbau in der Automobilbranche:

Für mehr Flexibilität in der Produktion und hohe Wartungsfreundlichkeit sind viele Werkzeuge modular aufgebaut, d. h. die Kavitäten können bei Verschleiß oder wenn andere Formteile benötigt werden, ausgewechselt werden.

Formwerkzeuge: Modernste Technik für beste Ergebnisse

Hergestellt werden Formwerkzeuge – insbesondere für den Kunststoffspritzguss – in der Regel mittels hochpräziser, meist CNC-gesteuerter Fräs- und Drehmaschinen. Aber auch Erodiermaschinen sowie Flach-, Profil- und Gewindeschleifmaschinen kommen zum Einsatz. Dabei ist eine Fertigungsgenauigkeit von bis zu 5 µm möglich. Die Oberfläche kann variabel – glatt, rau, reliefiert – gestaltet werden.
Je nach Verwendungszweck, Einsatzdauer und Phase des Entwicklungsprozesses werden die Werkzeuge aus Silikon, Kunststoff, Aluminium oder Stahl hergestellt, in speziellen Verwendungen auch aus Wachs, Holz oder Gips hergestellt. Dabei unterscheidet man so genannte verlorene Formen, die beim oder nach dem Guss zerstört werden, und Dauerformen, die für hundert oder hunderttausend (oder mehr) Gussvorgänge ausgelegt sein können.
Sie haben bereits einen Prototyp und möchten ein Formwerkzeug aus Metall fertigen lassen? Ob Drehen oder Fräsen, Flach- oder Profilschleifen, Rund- oder Gewindeschleifen, Senk- oder Drahterodieren – wir vermitteln Ihnen ein passendes Angebot für Ihre gewählte CNC-gesteuerte Fertigungsmethode. Kontaktieren Sie uns unter …

Der Werkzeugbau – Prozess: Von der 2D-Skizze zur fertigen Form

Werkzeuge sind in der Regel Einzelanfertigungen. Ihre Entwicklung ist ein oft hochkomplexer, zeitaufwändiger und kostenintensiver Prozess. Er kann mehrere Wochen bis Monate in Anspruch nehmen und – je nach verwendetem Material und Verwendungszweck – von einigen Tausend mit mehreren Hunderttausend Euro kosten. Eine frühzeitige Analyse und laufende Beseitigung eventuell auftretender Schwierigkeiten in allen Entwicklungsstufen hilft, die Entwicklungskosten des Werkzeugs im Rahmen zu halten.

Dabei gilt: Ob designorientiertes Endkundenprodukt oder Bauteil für die Weiterverarbeitung – Ziel ist immer, exakte, bedarfsorientierte Formen und Werkzeuge herzustellen, die eine zuverlässig reproduzierbare Qualität liefern.

• Die Idee in 3D

Am Anfang steht die Idee des zu fertigenden Werkstücks, meist in Form einer zweidimensionalen technischen Zeichnung, die vom Werkzeugmacher mittels 3D-CAD-Engineering-Anwendung in eine dreidimensionale Skizze umgewandelt wird. Parallel dazu werden Machbarkeitsanalysen durchgeführt und prinzipielle Lösungen und Varianten simuliert.

• Der Prototyp (oft gedruckt)

Im zweiten Schritt wird auf Basis des 3D-CAD-Modells ein Prototyp gefertigt. Häufig kommen dabei additive Fertigungsverfahren (LINK) wie der 3D-Druck zum Einsatz. Der Vorteil: Gedruckte Prototypen lassen sich mit überschaubarem zeitlichen und finanziellen Aufwand neu fertigen. Greift man bereits beim Prototypenbau auf Metallwerkzeuge zurück, sind Modifikationen deutlich aufwändiger. Aber auch Vakuumgießtechnik mit Silikonen, Kunststoffspritzguss und Soft Tooling mit Aluminium kommen im Prototypenbau zum Einsatz. (LINKS?)

• Die Optimierung bis zum anforderungsgerechten Musterwerkzeug

Als nächstes wird der Prototyp in mehreren Probeläufen (Try Outs) geprüft und so lange modifiziert, bis ein anforderungsgerechtes Musterwerkzeug entstanden ist. Von diesem fertigt die Konstruktion Detailzeichnungen an. Je nach Komplexität und Qualitätsanspruch können bis zu diesem Zeitpunkt der Entwicklung eines Werkzeug bereits mehrere Monate vergangen sein.

• Vom Versuchsteil zur Kleinserie

Ist das Musterwerkzeug hergestellt, werden üblicherweise erst eine Reihe von Versuchsteilen gefertigt, um das Produkt auf Mängel oder Ungenauigkeiten prüfen zu können. In diese Projektphase fällt auch die Durchführung der Werkzeug-FMEA (Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse) sowie gegebenenfalls der EG-Konformitätserklärung (CE-Zeichen).

• Mit Stahlwerkzeug in die Serienproduktion

Sind alle Versuchsreihen abgeschlossen und keine Änderungen mehr notwendig, wird ein Formwerkzeug aus Stahl gefertigt. Sie erlauben in kurzen Fertigungszyklen die Produktion von Hunderttausenden von Werkstücken – ohne Qualitätsverluste.

3D-Druck – Soft Tooling – Hard Tooling: Fertigungsverfahren des Werkzeugbaus im Überblick

Der 3D-Druck zählt zu den nahezu werkzeugfreien, additiven Fertigungsverfahren und wird im Rapid Tooling, Rapid Prototyping oder Rapid Manufacturing eingesetzt. Bedingt durch sein Funktionsprinzip des schichtweisen Aufbaus ermöglicht er die schnelle und preiswerte von Werkzeug-Prototypen – gedruckt direkt vom 3D-CAD-Modell, meist innerhalb weniger Stunden.
Gestalt- und Designvarianten können dabei problemlos parallel realisiert werden. Die Wiederholgenauigkeit ist hoch. Nachbearbeitungen direkt am Prototyp sind jedoch nicht möglich. Es muss immer neu gedruckt werden.

Auch ist die Auswahl der zur Verfügung stehenden Werkstoffe im 3D-Druck ist vergleichsweise gering, insbesondere wenn bestimmte Materialeigenschaften erforderlich sind. Zudem sind gedruckte Formwerkzeuge insbesondere bei hohen Qualitätsansprüchen nicht kleinserienfähig. Additive Verfahren eignen sich daher vor allem für den Prototypenbau, die Erstellung von Vertriebsmustern oder Modellen.

Soft und Hard Tooling sind dagegen werkzeugbasierte Fertigungsverfahren von Formwerkzeugen.

Soft Tooling

Zum Soft Tooling zählen:

• der Vakuumguss
• der Kunststoffspritzguss und
• die Herstellung von Werkzeugen aus Aluminium.

Soft Tooling-Werkzeuge sind wesentlich einfacher und kostengünstiger zu produzieren, als vergleichbare Formen aus Werkzeugstahl und bieten damit mehr Flexibilität und einfachere Modifikationsmöglichkeiten. Allerdings können sich die erzielbaren Eigenschaften des zu fertigenden Werkstücks unterscheiden. Auch Maßtoleranzen des Werkstücks und Verschleiß des Werkzeugs liegen deutlich höher.
Bei Versuchs- und Kleinserien sind Soft Tooling-Werkzeug jedoch die weitaus wirtschaftlichere Wahl als additive Verfahren oder Hard Tools. Mit ihnen lassen sich bei überschaubaren Kosten marktfähige Formteile für umfassende Funktionstests produzieren oder die Einstiegsphase von Neuentwicklungen in den Markt überbrücken.

Der Vakuumguss dient der schnellen Herstellung hochpräziser Kunststoff- und Metallteile mittels Silikonformen. Die Ausgangsbasis bildet meist ein Urmodell, welches nach dem so genannten Stereolithographie-Verfahren (STL-Modell) gefertigt wird. Komplexe Geometrien und geringe Wandstärken von unter einem Millimeter sind beim Werkstück möglich. Die Herstellung dauert nur in der Regel wenige Arbeitstage.

Allerdings verschleißen Silikonformen schnell – meist sind nur 15 bis 25 Abgüsse pro Form möglich – und die vergleichsweise geringe Temperaturbeständigkeit setzt Grenzen bei der Materialauswahl. Neben Zweikomponenten-Gießharzen (Kunststoffe) und Wachsmaterialien können daher nur niedrig schmelzende Metalllegierungen in Silikonformen gegossen werden.
Der Vakuumguss zählt zu den häufigsten Verfahren zur kostenoptimierten und kurzfristigen Vervielfältigung von Urmodellen als Versuchsmuster für Produktentwicklung und Testreihen und kommt vor allem in Prototypen- und Kleinserien zum Einsatz.

Der Spritzguss von Formwerkzeugen aus Kunststoff kann ab einer Losgröße von etwa 20 Werkstücken sinnvoll sein. Aber auch größere Serien können mit spritzgegossenen Werkzeugen gefertigt werden. Ein weiterer Vorteil: Gestalt und Oberfläche gegossener Formwerkzeuge sind sehr flexibel zu gestalten. Neben polierten Oberflächen für optische Anwendungen lassen sich auch Muster und Gravuren sowie Narbungen für berührungsfreundliche Bereiche herstellen. Einmal hergestellt ist jedoch eine Nachbearbeitung durch Nachfräsen oder Nachschleifen – maschinell oder manuell – kaum möglich. Und bei höheren Produktionsvolumina sind Toleranzen jedoch schwer einzuhalten, leidet somit die Fertigungsgenauigkeit. Zudem ist die Wahl der Werkstoffe eingeschränkt.
Ähnliches gilt für Formwerkzeuge aus Aluminium, die wesentlich schneller und kostengünstiger zu fertigen sind als solche aus Werkzeugstahl, jedoch schneller verschleißen. So sind bei höheren Produktionsvolumina Toleranzen schwer einzuhalten, leidet somit die Fertigungsgenauigkeit. Zudem ist die Wahl der Werkstoffe eingeschränkt.
Je nach Komplexität des zu fertigenden Werkstücks stehen Soft Tools aus Kunststoff oder Aluminium meist nach zwei bis sechs Wochen zur Verfügung. Die Entwicklungs- und Produktionskosten liegen zwischen 2.500 und 25.000 Euro. Sie stellen daher oft den Zwischenschritt zwischen gedrucktem Werkzeug-Prototyp und dem fertigen, ausgereiften Formwerkzeug für die (millionenfache) Massenproduktion dar.

Hard Tooling

Im Hard Tooling werden Formwerkzeuge aus hochwertigem Werkzeugstahl gefertigt. Sie bieten die beste Wiederhol- und Abbildungsgenauigkeit, die höchste Verarbeitungsgeschwindigkeit und die längste Lebensdauer aller Formwerkzeuge. Eine hunderttausendfache Produktion von Halbzeugen, Bauteilen oder Endprodukten ist mit einem einzigen Werkzeug möglich – ohne Qualitätseinbußen.
Aber: Entwicklung und Herstellung von Stahlwerkzeugen sind sehr zeit- und kostenintensiv und bei Kleinserien nur bei höchstem Qualitätsanspruch und geringer Kostensensibilität sinnvoll. Bis zur Serienreife vergehen bei einem komplexen Hard Tooling-Werkzeug mehrere Monate. Die Vorphase, in der zunächst Versuchsteile vor Beginn der eigentlichen Serienproduktion angefertigt werden, nimmt dabei den längsten Zeitraum in Anspruch. Hierbei werden das Werkstück auf Mängel und Ungenauigkeiten geprüft und eventuelle Fehler am Werkzeug beseitigt. Wenn erforderlich, kann das Werkzeug zudem nachbearbeitet werden, beispielsweise durch Schleifen oder Fräsen, um eine bestimmte Oberflächenbeschaffenheit des zu fertigenden Werkstücks zu gewährleisten.
Die Kosten für Formwerkzeuge aus Stahl belaufen sich daher in der Regel auf mehrere Hunderttausend Euro. Will man entweder massenhaft identische Werkstücke produzieren oder ist höchste Fertigungsgenauigkeit erforderlich, sind Stahlwerkzeuge jedoch die erste und auch wirtschaftlich sinnvolle Wahl.

Grundsätzlich gilt: Ob werkzeugbasiert oder additiv, jede Fertigungstechnologie hat ihren Platz im Werkzeugbau ebenso wie in der industriellen Fertigung. In der Regel ergänzen sie sich gegenseitig, anstatt einander zu verdrängen.

Additive Verfahren können Prototypen gestalterisch zum Leben erwecken. Sie punkten mit hoher Änderungsflexibilität und hoher Prozessgeschwindigkeit bei günstigen Kosten, sind in ihren Einsatzmöglichkeiten und ihrer Leistungsfähigkeit jedoch begrenzt.

Hard Tooling-Werkzeuge aus Stahl bilden das andere Extrem des Werkzeugbaus mit langen Entwicklungszeiten und hohen Anlaufkosten, aber auch langer Lebensdauer und hoher Fertigungsgenauigkeit.

Soft Tooling-Formwerkzeuge aus Silikon, Polymeren und Aluminium bilden den Mittelweg. Mit ihrer Hilfe können Fertigungsverfahren und Werkzeug optimiert und zur Serienreife geführt werden. Sie werden in der Regel für Prototypen und Testserien eingesetzt, bieten aber auch die Möglichkeit, Kleinserien komplexer Werkstücke zu realisieren, die andernfalls nicht wirtschaftlich zu fertigen wären.

Die Auswahl des Werkzeugmachers

Erfinder und Designer, Konstrukteure und Produktentwickler haben vielfach eine klare Vorstellung, wie ein Endprodukt aussehen soll. Welcher Weg zum Ziel der Serienreife führt, ist jedoch oft noch offen. Mitunter sind mehrere Fertigungsverfahren im Vergleich zu betrachten, mehrere Prototypen zu entwickeln, bevor eine Entscheidung für einen bestimmten Werkstoff, einen Fertigungsprozess getroffen wird. In der Regel fällt es in das Kompetenzfeld des Werkzeugmachers zu prüfen, ob das geplante Werkstück technisch und physikalisch in einem produktionssicheren, zuverlässig wiederholbaren Fertigungsprozess umsetzbar ist. Das heißt: Kann ein geeignetes Werkzeug nach den vordefinierten Produktanforderungen in Stückzahl, Qualität, Haltbarkeit, Design und gegebenenfalls Ergonomie überhaupt wirtschaftlich sinnvoll hergestellt werden?

Jedes Werkstück – zumindest wenn es nicht millionenfach in Großserie gefertigt wird –bewegt sich dabei im Spannungsfeld zwischen Qualitätsanspruch, Stückzahl und Wirtschaftlichkeit. Entwicklungszeit, Kosten, Lebensdauer, Produktivität und Fertigungsgenauigkeit von Werkzeugen können dabei entscheidenden Einfluss auf die Wettbewerbsfähigkeit eines Produktes nehmen. In manchen Branchen machen Entwicklung und Bau maßgeschneiderter Werkzeuge bis zu 30 Prozent der Produktionskosten aus – zuzüglich der Kosten für Reparatur und Instandhaltung. Eine möglichst hohe Produktivität ist daher wichtig, um die Stückkosten wettbewerbsfähig zu halten. Zudem ist die Dauer der Entwicklungszeit von Bedeutung, da der Erfolg schnelllebiger Produkt oft davon abhängt, wie zeitnah sie nach einer Innovation verfügbar. Ist der Wettbewerber schneller am Markt, wandern die Kunden ab.

In jedem Fall unabdingbar ist eine Machbarkeitsanalyse am Anfang des Entwicklungsprozesses. Dabei gilt: Je enger die Toleranzen – die erlaubten Abweichungen am Werkstück – gesetzt sind, desto höher fallen die Kosten der Werkzeugentwicklung aus. Am Anfang steht daher nahezu immer die Frage nach dem funktionell notwendigen Maß. Das bedeutet: Wie hoch sind die Anforderungen an die Maßhaltigkeit, also die Genauigkeit der Umsetzung der gezeichneten Maße im fertigen Werkstück? Wie hoch dürfen Toleranzen sein, ohne dass der Nutzwert des Werkstücks sinkt? Ein Beispiel: Ob eine Lautsprecherverkleidung um einen Millimeterbruchteil kleiner oder größer ist als eine andere, ist unwichtig. Für die Zufriedenheit des Endkunden ist der Nutzwert von Bedeutung, sprich: es klappert nichts. Mit bloßem Auge nicht erkennbare Abweichungen am Bauteil ohne Einfluss auf das Design sind nicht relevant.

Das gleiche Augenmerk wie auf die fachgerechte Ausführung des Werkzeugs und Fachkenntnis des Werkzeugmachers sollte man zudem auf die Produktionsbedingungen richten. Zum Beispiel beim Kunststoffspritzgießen: Hier sind die maschinelle Ausstattung und Ausrüstung, deren Wartung sowie die Qualifikation der Mitarbeiter eines Kunststoff verarbeitenden Betriebes mindestens ebenso bedeutend für eine maßgenaue Fertigung wie das Werkzeug selbst. Besonders wichtig für die Fertigungsgenauigkeit ist dabei die Klimatisierung der Produktionshallen. Denn Umgebungstemperaturen können die Maßgenauigkeit eines Werkstücks maßgeblich beeinflussen. Ob winterlich kalt oder sommerlich warm, große Temperaturunterschiede in der Produktionsumgebung gestatten keine Fertigung innerhalb enger Toleranzen.