Interview mit Seeni Congivaram, Xaloy

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Datensätze mit realen Prozessmessungen...

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Werkzeuge aus Aluminium werden im Spritzguss trotz vieler Vorteile meist nur für die Herstellung von Prototypen verwendet. Das Forschungsprojekt Nextmould hat bereits in mehreren Anwendungsfällen aufgezeigt, dass Aluminium auch in der Serienfertigung eine interessante Alternative zu Stahl sein kann.

Die PC Electric (PCE) aus St. Martin im Innkreis produziert Industriesteckvorrichtungen. Als Teil des User Committees Österreich brachte das Unternehmen einen Anwendungsfall in das Projekt ein: Es ging um das additive Fertigen eines Spritzgießeinsatzes für ein Gehäuseteil einer Starkstromsteckdose.

Erstes Ziel war eine Gewichtsreduktion des Bauteils. Erreicht werden sollte dies zum einen aufgrund der geringeren Dichte von Aluminium im Vergleich zu Stahl, zum anderen durch den Einbau von Leichtbaustrukturen während des additiven Aufbaus. Die Bemusterung durch die Hochschule Schmalkalden hat gezeigt: Die Gewichtseinsparung liegt bei 67 %.

Ziel Nummer zwei war eine Optimierung des Spritzgießprozesses durch geringeren Energiebedarf beim Temperieren der Form und kürzere Zykluszeiten. Das Ergebnis: Die Dauer des Spritzgusszyklus verringerte sich um 30 %. „Diese Reduktion der Zyklusdauer konnte durch eine schnellere Wärmeabfuhr – bedingt durch den höheren Wärmeleitungskoeffizienten von Aluminium – erzielt werden. Zudem war die Oberflächentemperatur beim Aluminiumeinsatz homogener“, erklärt Thomas Seul, Professor für Fertigungstechnik und Werkzeugkonstruktion an der Hochschule Schmalkalden und Präsident des VDWF (Verband Deutscher Werkzeug- und Formenbauer).

Wie so oft gelang nicht alles gleich beim ersten Versuch. Der ursprüngliche Prototyp des Spritzgießeinsatzes konnte nämlich aufgrund einer undichten Stelle und eines Fallschadens nicht bemustert werden. Vielmehr nutzte ihn die FH Wels für weitere Forschungszwecke und gewann daraus wichtige Erkenntnisse: Um einen Einblick in die Kühlkanalgeometrie zu erhalten, wurde der Einsatz in Scheiben geschnitten und geschliffen. Dabei zeigten sich in den Auswerferbohrungen Reste der Chemisch-Nickel-Beschichtung, die vermutlich auf zu kurze Prozessdauer und unzureichende Durchspülung während des Entschichtens zurückzuführen waren.

Im Bereich der Kühlkanäle waren außerdem Bindefehler zu sehen. Diese Erkenntnisse flossen beim Aufbau des zweiten Bauteils ein und schafften trotz anfänglicher Schwierigkeiten schließlich einen Mehrwert für das gesamte Projekt. Eine weitere wichtige Schlussfolgerung zog die Projektgruppe aus dem entstandenen Fallschaden: Aluminium besitzt eine geringe Festigkeit. Folglich müssen diese Bauteile mit größerer Vorsicht behandelt werden als konventionell gefertigte aus Stahl.

Einen ähnlich anspruchsvollen Use Case lieferte die Firma Fronius International aus Wels. Auch hier lag der Fokus auf einem möglichst kurzen Spritzgusszyklus. Zudem sollte die Wärmeabfuhr im Bereich der dickwandigen Bauteile erhöht werden, die Werkzeugoberflächentemperatur jedoch homogen bleiben. Weitere Herausforderungen bei der Herstellung des Bauteils waren: porenfreie Flächen, das Vermeiden von Bindefehlern, die Verringerung des Verzugs im Schweißprozess und gute Endkonturnähte der Temperierstrukturen.

Nachdem die TU Ilmenau den Einsatz erfolgreich aufgebaut hatte, startete die FH Wels zwei unterschiedliche Beschichtungsversuche: Dabei verglich sie Eloxal mit Chemisch-Nickel. Bei der Eloxalschicht zeigte sich zwar eine etwas stärkere Zunahme der Rauheit als bei der Chemisch-Nickel-Beschichtung, dieser Effekt lässt sich aber grundsätzlich durch Polieren je nach Bedarf reduzieren. Im Zuge des Eloxierens traten jedoch auch Probleme auf: Durch die Feinbearbeitung im unbeschichteten Zustand wurden Defekte wie Poren und Bindefehler verdeckt bzw. zugeschmiert. Da beim Beschichtungsprozess mit Säuren gearbeitet wird, lässt sich ein Ätzen des Bauteils nicht vermeiden. Die Folge: Defekte werden wieder geöffnet, Kühlschmierstoffe können austreten und die Schichtbildung negativ beeinflussen. Wie Eloxal und Chemisch-Nickel im Realversuch im Vergleich abschneiden, wird die Bemusterung der beiden Bauteile noch zeigen. Der Fokus wird dabei insbesondere auf der Verschleißbeständigkeit beider Beschichtungen liegen.

„Additive Fertigung muss im Werkzeugbau in Zukunft noch wesentlich mehr Anwendung finden. Jede neue Technologie hat bei den ersten Versuchen ihre Herausforderungen und Tücken. Auch die Nextmould-Projektgruppe hatte einige zusätzliche Aufgaben zu meistern. Gemeinsam konnten die Probleme aber gut bewältigt und viele wichtige Erfahrungen gemacht werden. Es lohnt sich für Unternehmen – insbesondere für KMU –, sich an Branchenprojekten zu beteiligen und von der gemeinsamen Forschungsarbeit zu profitieren“, ist Doris Würzlhuber, Projektmanagerin im Kunststoff-Cluster, überzeugt.

„Nextmould hat gezeigt, dass Aluminium-Spritzgießwerkzeuge qualifizierte, serientaugliche Produktionsmittel sind, die eine Reduktion des Energie- und Ressourceneinsatzes bei gleichzeitiger Kostenminimierung ermöglichen. Die gewonnenen Erkenntnisse können unkompliziert in die Entwicklungsprozesse der Werkzeug- und Formenbauer integriert werden, sodass ein schneller Transfer dieses neuen Ansatzes in die Praxis möglich ist“, sagt Thomas Seul von der Hochschule Schmalkalden.

Das Projekt Nextmould wurde im Rahmen der Ausschreibung CORNET II 26-2018 in Österreich von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) und in Deutschland vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) koordiniert und von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF) gefördert. Thomas Seul, Professor für Fertigungstechnik und Werkzeugkonstruktion an der Hochschule Schmalkalden und Präsident des VDWF (Verband Deutscher Werkzeug- und Formenbauer), hat das Projekt gemeinsam mit dem Kunststoff-Cluster initiiert.

Interview mit Seeni Congivaram, Xaloy

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