Januar

Euroguss, Nürnberg

Internationale Fachmesse für Druckguss: Technik, Prozesse, Produkte
14. bis 16. Januar
www.euroguss.de

Swiss Plastics, Luzern

Schweizer Kunststoffmesse
21. bis 23. Januar
www.swissplastics-expo.ch

Februar

FMB Süd, Augsburg

Zuliefermesse Maschinenbau
12. und 13. Februar
www.fmb-sued.de

Maintenance, Zürich

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung
12. und 13. Februar
www.maintenance-schweiz.ch

Solids, Zürich

Schweizer Fachmesse für Granulat-, Pulver- und Schüttguttechnologien
12. und 13. Februar
www.solids-zurich.ch

März

AM Expo, Luzern

Additive Manufacturing Expo
3. und 4. März
www.am-expo.ch

Command Control, München

The Leanding Summit for Cyber Security
3. und 4. März
www.cmdctrl.com

all about automation, Friedrichshafen

Automatisierungsmesse in der Vierländerregion
4. und 5. März
www.automation-friedrichshafen.com

Eine Wabenstruktur im Inneren des 3D-gedruckten Glockenwerkzeugs sorgt für Stabilität und gleichzeitig für ein deutlich niedrigeres Gewicht im Vergleich zum konventionell hergestellten Werkzeug.

Additive Fertigung im Serieneinsatz

MAPAL Dr. Kress KG
Gässli 10
CH-4588 Brittern

T +41 (0)32 661 01 80
www.mapal.com
andreas.mollet@ch.mapal.com

Bereits 2011 erzielte MAPAL mit einem neuen Werkzeugkonzept erhebliche Verbesserungen. Konventionell wurde ein Glockenwerkzeug mit geschlossenem Käfigbau hergestellt. Die Schneiden wurden erstmals mit dem Laser bearbeitet – das wird auch beim neuen 3D-gedruckten Werkzeug so gehandhabt.

Die additive Fertigung verschiebt die Grenzen des Machbaren mehr und mehr – auch im Serieneinsatz. Der Werkzeughersteller MAPAL hat bei der pulverbasierten, metallischen additiven Fertigung sein Know-how schon mehrfach mit innovativen Produkten unter Beweis gestellt. Das neueste, per selektivem Laserschmelzen gedruckte Werkzeug aus Aalen ist ein Glocken-Sonderwerkzeug mit gelöteten PKD-Schneiden für die Turboladerfertigung.
Damit am Automobilstandort Deutschland auch weiterhin konkurrenzfähig produziert werden kann, müssen in regelmässigen Abständen Produktivitätssteigerungen in der Fertigung erreicht werden. Dabei haben sich die Werkzeughersteller als einer der grossen Innovationstreiber hervorgetan. Deren Anwendungstechniker durchleuchten und hinterfragen hierfür kontinuierlich die Herstellungsprozesse. So entstehen gemeinsam mit dem Kunden zum Teil revolu­tionäre Ideen.
MAPAL ist gerade auch in der Automobilbranche als ein Werkzeughersteller mit einem enormen Prozess-Know-how bekannt. So wurde zum Beispiel die Turboladerfertigung bei einem Automobilzulieferer immer wieder optimiert. Im Besonderen wurde die Bearbeitung des Schlauchanschlusses schlussendlich auf ein völlig neues Niveau gehoben.

PKD-Glockenwerkzeug soft für beste Oberflächen
Eine Herausforderung bei der Bearbeitung des Schlauchanschlusses an dem Turbolader ist die geforderte hohe Bauteilqualität. Insbesondere stellten die Konturgenauigkeit und das Auftreten von Rattermarken den Hersteller immer wieder vor grosse Herausforderungen. Hier erzielte MAPAL bereits 2011 gemeinsam mit dem Hersteller und einem neuen Werkzeugkonzept erhebliche Verbesserungen. Damals entwickelte man bei MAPAL ein neues Glockenwerkzeug, das durch seinen geschlossenen Käfigbau sehr viel stabiler war als das offen gestal­tete Vorgängermodell. Die hohe Steifigkeit des Werkzeugs ermöglichte sehr gute und ratterfreie Oberflächen.
Die neue, geschlossene Konstruktion erforderte aber eine völlig neue Herangehensweise bei der Werkzeugherstellung. Aufgrund des geschlossenen Käfigs konnten die PKD-Schneiden nicht mehr mittels Drahterodieren in Form gebracht werden. Die PKD-Experten setzten deshalb auf eine Bearbeitung per Laser – und das mit grossem Erfolg.
Der Kunde war vollauf zu­frieden, die Bauteilqualität passte nun perfekt. Nur mit der Produktivität des Prozesses wollte man sich noch nicht zufriedengeben. Der Einsatz eines leistungsfähigeren konventionellen Werkzeugs war allerdings aufgrund des zu erwartenden höheren Werkzeuggewichts nicht möglich. Sowohl die Spindel als auch der Werkzeugwechsler der eingesetzten Mehrspindlermaschinen hätten das höhere Gewicht nicht mehr bewerkstelligen können.

Wabenstruktur bringt 30 Prozent Gewichtseinsparung
Aufgrund der langjährigen sehr guten Erfahrungen mit dem metallischen, pulverbasierten 3D-Druck beschlossen die MAPAL Anwendungstechniker, das Glockenwerkzeug zu drucken. Ziel war ein leichteres und zugleich stabileres Werkzeug. Eine Wabenstruktur im Inneren des Werkzeugs brachte hier die Lösung: Wog das ursprüngliche Werkzeug noch über vier Kilogramm, so bringt die gedruckte Version nur noch knapp drei Kilogramm auf die Waage.
Für derart komplexe Aufgaben steht bei MAPAL im Bereich der Konstruktion ein eigenes 3D-Druck-Expertenteam zur Verfügung. Damit das fertige Werkzeug auch die geforderten Eigenschaften aufweist, simulieren die Experten die Bauteile zudem komplett vor dem Druck.
Die Kühlung durch das Werkzeug versprach noch weiteres Optimierungspotenzial. Denn durch die Kühlkanäle in dem konventionellen Glockenwerkzeug konnte das Kühlmedium nicht an die ­optimale Stelle transportiert werden. In dem neuen, gedruckten Werkzeug haben die Kühlmittelaustritte die richtige Form und Lage, sodass die Minimalmengenschmierung optimal eingesetzt werden kann.

Bauprozesse im Einzelnen
Die neue Werkzeuggeometrie wird per selektivem Laserschmelzen auf einen hochpräzisen Grundkörper mit einer HSK-63-Schnittstelle aufgedruckt. Das eingesetzte Metallpulver ist ein Vergütungsstahl. Nach dem obligatorischen Entfernen der Stützstrukturen wird das Werkzeug feingedreht und entgratet. Im letzten Schritt werden auf den fertigen Werkzeugkörper die PKD-Schneiden aufgelötet und per Laser in Form gebracht.

Ergebnis
Im Praxistest brillierte das Werkzeug beim Kunden: Aufgrund des um 30 Prozent reduzierten Gewichts konnten von Anfang an ­signifikant höhere Schnittdaten gefahren werden. Dabei blieb die Bearbeitungsqualität, wie gefordert, unverändert hoch. Die ­Wabenstruktur im Inneren des Werkzeugs dämpft zudem noch die Vibrationen während der Bearbeitung. Aus der Summe dieser Verbesserungen ergab sich ein weiterer Vorteil für den Kunden: Die Standzeit des Werkzeugs ist im Schnitt 70 Prozent höher als die des Vorgängermodells.
Konkret wurden die maximale Drehzahl von 6000 auf 10’000 min–1 und der Vorschub je Schneide von 0,09 auf 0,15 mm erhöht. Damit verringerte sich die Bearbeitungszeit von ursprünglich 17 s um 67 Prozent auf nur noch 6 s.

Auf andere Bauteile übertragbar
Das so entwickelte Werkzeugkonzept lässt sich auch auf weitere Bauteile mit ähnlichen Anforderungen übertragen. Klassisch werden mit einem Glockenwerkzeug zum Beispiel auch Drosselklappen-, Lenk- oder Getriebegehäuse bearbeitet – im Prinzip jedes Bauteil mit einem Schlauchanschluss. Die hochpräzisen PKD-Schneiden eignen sich dabei besonders, wenn Nicht-Eisen-Metalle, hauptsächlich Aluminium, aber auch Magnesium, Kupfer oder Messing bearbeitet werden sollen. Zudem können mit den PKD-Schneiden auch moderne Schichtwerkstoffe wie CFK und GFK zerspant werden.