Additive Fertigung im Werkzeugbau
Leichtere und effizientere Werkzeuge
Die additive Fertigung, insbesondere das Verfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF), eröffnet dank großer Gestaltungsfreiheit neue Wege im Werkzeugbau. Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU erschließt dieses Potenzial in zwei Forschungsvorhaben – „AdTopoTool“ und „EWAM“. Ziel ist es, effizientere Werkzeuge für die Blechwarmumformung und das Spritzgießen schneller zu entwickeln und herzustellen. Davon profitiert auch die Qualität der Bauteile, die sich mit solchen Werkzeugen in kürzerer Zeit produzieren lassen.
AdTopoTool
In vielen Werkzeugbaubetrieben kommen auch heute noch konventionelle Fertigungsverfahren und erfahrungsbasierte Designs zum Einsatz. Dies geht in der Regel mit geometrischen Einschränkungen und einem sehr hohen Werkzeuggewicht einher. In der Folge leiden Fertigungszeiten und Bauteilqualität häufig unter unzureichendem Temperaturmanagement.
Im Forschungsvorhaben AdTopoTool konnten die Projektpartner Fraunhofer IWU, Werkzeugbau Winkelmühle GmbH und H+E Produktentwicklung GmbH nachweisen, dass additiv gefertigte Werkzeuge mit topologie- und kühlkanaloptimierten Geometrien einen erheblichen Mehrwert bieten – trotz hoher Anforderungen an die thermomechanische Belastbarkeit und das Temperaturmanagement des Werkzeugs.
Topologieoptimierung bedeutet dabei, durch intelligente Materialverteilung bzw. mit Hilfe einer verbesserten geometrischen Gestaltung von Kühlkanälen das Werkzeug gleichzeitig auf minimales Gewicht und maximale Steifigkeit auszulegen.
Effiziente Materialverteilung im Werkzeug senkt das Gewicht um rund 30 Prozent
Am Beispiel der Produktionsprozesse Spritzgießen und Presshärten wurde eine numerische Methode entwickelt, mit der sich das Belastungs- und Strukturverhalten thermisch hochbeanspruchter Werkzeuge zuverlässig vorhersagen lässt. Diese Methode kam für die Topologieoptimierung und Auslegung der Kühlkanäle je eines Demonstratorwerkzeugs für das Spritzgießen sowie für das Presshärten zum Einsatz. Die Forschenden validierten außerdem die optimierten und additiv gefertigten Werkzeuggeometrien im Labormaßstab.
Das Ergebnis: Eine Gewichtsreduktion des Spritzgusswerkzeugs um ca. 34 Prozent und des Presshärtewerkzeug-Segments um ca. 28 Prozent, ohne dass die Anforderungen an die Formstabilität beeinträchtigt werden.
Durch effizientere Temperiersysteme können die Zykluszeiten der spritzgegossenen Bauteile um 60 Prozent und die Wärmebehandlung der pressgehärteten Bauteile um fast die Hälfte verkürzt werden. Dabei kann in einigen Fällen sogar eine Verbesserung der Qualität und Maßhaltigkeit der Endprodukte erreicht werden.
EWAM (Effizienter Werkzeugbau mit Additiver Fertigung)
Fehlende Erfahrung mit additiver Fertigung, eine aufwändige Auslegung der Temperiersysteme und lückenhafte Konstruktionsrichtlinien stehen einem breiten Einsatz dieser Technologie bislang im Weg.
Um solche Hürden zu überwinden, entwickelt das Fraunhofer IWU im aktuellen Projekt EWAM (Effizienter Werkzeugbau mit Additiver Fertigung) eine skriptbasierte, automatische Temperierungsauslegung. Weniger manueller Aufwand und eine verkürzte Entwicklungszeit für das Werkzeug sollen zu einer deutlichen Effizienzsteigerung führen.
Automatische Temperierkanalkonstruktion für additiv gefertigte Werkzeuge
Ziel ist ein Software-Plug-in für die automatische Konstruktion von additiven Temperiersystemen unter Berücksichtigung von Vorgaben der additiven Fertigung sowie der Ergebnisse von thermischen, strömungstechnischen und Belastungsanalysen. Damit das Plug-in nach dem Marktstart zügig Verbreitung finden kann, wird es in einer universellen Programmiersprache erstellt und mit verschiedenen 3D-CAD-Programmen kompatibel sein.
Die Anwendung des Laser-Powder-Bed-Fusion-Verfahrens, eine optimierte Werkzeuggeometrie, die tatsächliche Prozessbelastungen berücksichtigt, sowie eine intelligente Werkzeugkühlung schaffen für mittelständische Werkzeugbauer einen echten Mehrwert. Das Fraunhofer IWU hat sich auf die Fahnen geschrieben, neue Maßstäbe für schnell umsetzbare, ressourceneffiziente und hochwertige Werkzeuglösungen zu setzen.
Quelle: Fraunhofer IWU
Das könnte Sie auch interessieren
Großformatiger Metalldruck für industrielle Anwendungen
Gefertec stellt auf der diesjährigen Formnext seine neuesten Entwicklungen im Bereich Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) vor. Das Verfahren erweitert die Grenzen des 3D-Drucks metallischer Bauteile. Mit WAAM lassen sich große und komplexe...
mehr...Additive Fertigung für die Serienproduktion
Als Full-Liner in der additiven Fertigung metallischer Bauteile zeigt DMG Mori auf der kommenden Formnext vom 18. bis zum 21. November 2025 in Frankfurt, wie sich diese Prozesse weiter optimieren lassen.
mehr...Forschung zu additiv gefertigtem Stahl
Warum additiv gefertigter Stahl besondere Aufmerksamkeit erfordert
Wie verhält sich additiv gefertigter Stahl in Kombination mit traditionell hergestelltem Stahl? Wie können sie optimal zusammen verarbeitet werden? Hierzu forscht eine Promovendin der Hochschule Osnabrück. Sie untersucht die Schweißbarkeit von...
mehr...Wie KMU von 3D-Druck profitieren können
Additive Fertigungsverfahren bieten nicht nur Produktionsmöglichkeiten für das Prototyping, sondern auch ökonomische und ökologische Potenziale für kleine und mittlere Unternehmen. Mit Chancen und Herausforderungen industrieller 3D-Druckverfahren...
mehr...Produkte und Lösungen aus 32 Industrienationen
Fakuma 2014 ist mit 1.288 Ausstellern restlos ausgebucht!
Die Fakuma – Internationale Fachmesse für Kunststoffverarbeitung, geht auch mit ihrer 23. Ausgabe buchstäblich in die Vollen! So kann das Branchen-Highlight des Jahres 2014 nicht nur erneut mit einer stark rekordverdächtigen Anzahl an Ausstellern –...
mehr...Neues Harz öffnet 3D-Druck für die Optik
Mit BMF Clear hat Boston Micro Fabrication ein optisch transparentes Photopolymerharz für den Mikropräzisions-3D-Druck vorgestellt, das eine Lichtdurchlässigkeit von über 90 Prozent bei Schichthöhen ab 10 Mikrometern erreicht und sich für...
mehr...Wire Arc Additive Manufacturing
WAAM: Wie die additive Metallfertigung industrietauglich wird
Beim Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) steht nicht mehr die technische Machbarkeit im Mittelpunkt. Auf dem dritten WAAMathon in Berlin diskutierten Experten vor allem über Qualifizierung, Standardisierung und die Integration in industrielle...
mehr...UltiMaker verdoppelt Geschwindigkeit im industriellen 3D-Druck
Mit dem Factor 4 Plus stellt UltiMaker eine neue Variante seiner industriellen Desktop-3D-Druckplattform vor, die gegenüber dem Standardmodell mit bis zu doppelter Druckgeschwindigkeit arbeitet. Die Plattform ist für den Einsatz in Fertigungs- und...
mehr...Stratasys übernimmt MarkForged
Stratasys übernimmt MarkForged von Nano Dimension für 42,5 Millionen US-Dollar und erweitert damit gezielt sein Portfolio im Bereich faserverstärkter Verbundwerkstoffe. Mit der Akquisition stärkt das Unternehmen zugleich seine Software- und...
mehr...