Werkzeugbau

Werkzeug- und Formenbau für Morgen

Die Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung bietet eine Kommunikationsplattform für Unternehmen, Zulieferer und Kunden des Werkzeugbaus sowie Anwendern generativer Fertigungsverfahren. Die Institute entwickeln dafür neue Technologien und Dienstleistungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette – von der Werkzeugherstellung über den Einsatz der Werkzeuge bis hin zu deren Reparatur.

Werkzeugherstellung

Umformwerkzeuge

Werkzeugeinsätze für Umformverfahren lassen sich auf generativem Wege fertigen, um Mehrwert und Zusatzfunktionen in die Werkzeuge zu integrieren. Die laserstrahlgeschmolzenen Einsätze aus Werkzeugstahl erfüllen dabei die hohen Festigkeitsanforderungen der Umformprozesse.

Die Forschungsarbeiten der Fraunhofer-Allianz resultierten in der erfolgreichen generativen Fertigung von Schmiedegesenken und deren Einsatz im Gesenkschmiedeprozess. So können echte geschmiedete Prototypen bereits in einer sehr frühen Phase der Produktentwicklung bereitgestellt werden.

In der Blechwarmumformung (Presshärten) ermöglichen generativ gefertigte Werkzeugeinsätze kürzere Zykluszeiten und höhere oder variable Festigkeiten der Blechteile nach Bedarf. Auch kalte Umformverfahren können von den Besonderheiten laserstrahlgeschmolzener Werkzeugeinsätze profitieren.
 

Werkzeugeinsätze

Die Institute der Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung verfügen über umfassende Erfahrungen und Kompetenzen im Werkzeugbau. Auf dieser Grundlage entwickeln sie neue Werkzeugkonzepte für Ur- und Umformverfahren mit Hilfe der Technologie des Laserstrahlschmelzens –von der Idee bis zur Serienreife.

Das Laserstrahlschmelzen mit seinen Vorteilen kann im Werkzeugbau zur Herstellung komplexer Werkzeugkavitäten eingesetzt werden. Durch die Fertigung von Werkzeugaktivkomponenten, die in eine Stammform eingebaut werden, ergibt sich zudem eine Vielzahl an Bauteilvariationen bei vergleichsweise geringen Fertigungskosten.

Generativ gefertigte Werkzeugeinsätze integrieren auch neue Funktionen in Ur- und Umformwerkzeuge für die optimierte Prozessführung, zum Beispiel für eine konturnahe und -konforme Kühlung und Temperierung, die Zykluszeiten verkürzt und die erreichbaren Bauteilqualitäten verbessert.
 

Rapid-Technologien in der Werkzeugfertigung

Die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz fertigen mit generativen Verfahren Umformwerkzeuge. Wie sich die Technologie einsetzen lässt, zeigen sie am Beispiel eines Schmiedegesenks. Von der dreidimensionalen CAD-Werkzeugkonstruktion über die Prozesssimulation, das Laserschmelzen der Gesenkeinsätze bis hin zum Schmieden wurde die generative Prozesskette genutzt, um unter produktionsähnlichen Bedingungen Vorteile und Besonderheiten gegenüber der konventionellen Werkzeugfertigung zu erforschen.

Reparatur und Laserstrukturieren

Werkzeuge verschleißen in der Anwendung immer dort am schnellsten, wo sie am stärksten belastet werden. Der Werkstoffabtrag in diesen Bereichen führt schließlich dazu, dass die Werkzeuge ihre Funktionsfähigkeit einbüßen.
 

Reparatur durch Laserauftragschweißen

Mit dem Laserauftragschweißen steht nun ein effizientes Verfahren für Reparaturen im Werkzeug- und Formenbau bereit: Indem der Werkzeugwerkstoff lokal wieder neu aufgetragen wird, lässt sich die Geometrie und damit die Funktion der Werkzeuge wiederherstellen.

Um das Laserauftragschweißen für solche industriellen Anwendungsfälle automatisch und dennoch individuell auszulegen, hat das Fraunhofer IPT eine integrative, CAM-gestützte Prozessplanung für ein 5-achsiges Werkzeugmaschinensystem erarbeitet. Der Laser erweist sich hier hinsichtlich Qualität und Effizienz als ideales Werkzeug.
 

Laserstrahlstrukturieren im Werkzeugbau

Die Technologie des Laserstrahlstrukturierens birgt gerade für den Bereich des Werkzeug- und Formenbaus und hier besonders für das Kunststoffspritzgießen ein großes Potential. Für die Strukturierung der Oberflächen entsprechender Formwerkzeuge gewinnt das Laserstrahlstrukturierverfahren daher zunehmend an Bedeutung.

Neben den Möglichkeiten anhand funktionaler Mikrostrukturen, die mit dem Laser in eine Oberfläche eingebracht wurden, das tribologische Verhalten beweglicher Komponenten zu verbessern, ist eine Hauptanwendung der Laserstrahlstrukturierung die Oberflächengestaltung von Formeinsätzen für den Kunststoffspritzguss.