Forschungsberichte

Fertigung von Blechteilen durch den Einsatz generativer Verfahren im Werkzeugbau

Stanislav Stanchev

124 Seiten 63 Abbildungen Hieronymus Buchreproduktions GmbH, München, 2006 ISBN 3-89791-354-2

Im Rahmen dieser Arbeit wurden ausgewählte generative Verfahren, wie das Laminated-Object-Manufacturing (LOM), das Selektive Lasersintern (SLS) und das Selektive Sandlasersintern & Gießen (SLSG) auf ihre Eignung zum Fertigen von Umformwerkzeugen zur Herstellung von Blechteilen in der Kleinserie bewertet. Diese Verfahren wurden zusammen mit dem Benchmark-Verfahren CNC-Fräsen zur Fertigung von Umformwerkzeugen eingesetzt.
Es wurde ein modular aufgebautes Werkzeug zum konventionellen Ziehen von Blechteilen entwickelt. Es bestand aus dem konstruktiv vorgegebenen Werkzeugrahmen, dem Basismodul, und den leicht auswechselbaren Werkzeugeinsätzen, den Formmodulen. Diese wurden durch die direkten, generativen Verfahren LOM und SLS und durch das indirekte Verfahren SLSG sowie durch das konventionelle Verfahren CNC-Fräsen hergestellt.

Werkstoffe:

  • LOM: VarioPaperPlus,
  • SLS: Feinpolyamid PA2200, glasgefülltes Polyamid PAGF, aluminiumverstärktes Polyamid (Alumide)
  • SLSG: Gusslegierung ZAMAK (ZnAl4Cu3)
  • CNC-Fräsen: Werkzeugstahl Ck45

Zusammenfassend konnte festgestellt werden, dass die untersuchten Werkzeugmodule werkstoffabhängig ein unterschiedliches Verschleißverhalten nach dem Umformen von 100 Blechteilen aufweisen, während sich die Werkzeugoberfläche bei allen Werkstoffen nahezu identisch über der Hubzahl einglättet. Es zeigte sich, dass ursprünglich weiche Werkstoffe, wie PA2200 und PAGF, einem geringeren Verschleiß unterliegen als metallische Werkstoffe, wie die Legierung ZAMAK, oder Werkstoffe mit höherer Steifigkeit, wie VarioPaperPlus.
Die Schichtdicke spielte beim Verschleiß von Werkzeugen aus dem gleichen Kunststoffwerkstoff nur eine untergeordnete Rolle. Größere Unterschiede ergaben sich nur bei Formmodulen aus ZAMAK bei der Verwendung von verschiedenen Sandarten für die Gießform - insbesondere nach der Fertigung der ersten Blechteile.

Insgesamt lässt sich feststellen, dass das SLS-Verfahren mit Kunststoffmaterialien dank der erreichten Blechteilqualität und der kürzeren Fertigungszeiten sowie der relativ geringeren Herstellungskosten die beste Alternative zum konventionellen Verfahren der Werkzeugherstellung durch CNC-Fräsen des Stahls Ck45 ist.

Die Eignung der ausgewählten generativen Werkzeugfertigungsverfahren für eine Kleinserienfertigung von Blechformteilen mit ähnlichen Abmessungen und Geometrieverhältnissen wurde nachgewiesen.

Da die Werkzeuggeometrie und -größe für die Werkzeugfertigung sowie für den Tiefziehprozess entscheidend sind, ist eine Übertragung der erzielten Ergebnisse auf Blechteile mit einer komplexeren Geometrie und besonders großen Abmessungen nicht ohne Weiteres möglich. Zudem müssen die gewonnenen Erkenntnisse auch durch Einbeziehung von neuen Blechwerkstoffen, wie zum Beispiel dem höherfesten Stahl DP500 oder von Aluminiumlegierungen erweitert werden.
Dadurch kann nicht nur eine schnellere und flexiblere Kleinserien-Werkzeugfertigung erreicht werden, sondern es lassen sich auch die umformtechnischen Grundlagen beim Umformen mit alternativen Werkzeugwerkstoffen, wie zum Beispiel PAGF, ermitteln.