Aluminium versus Stahl

Das optimale Spritzgießwerkzeug

Der WAAM-Einsatz für Fronius wurde anhand aller im Projekt gewonnen Erkenntnisse gefertigt
Der WAAM-Einsatz für Fronius wurde anhand aller im Projekt gewonnen Erkenntnisse gefertigt © TU Ilmenau
Prof. Dr.-Ing. Thomas Seul, Hochschule Schmalkalden
Prof. Dr.-Ing. Thomas Seul, Hochschule Schmalkalden © VDWF e.V

24.03.2022

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. 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.

Die PC Electric GmbH (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.
 

Erfolgreiche Bemusterung

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 beeindruckenden 67 %. Ziel Nummer zwei war eine Optimierung des Spritzgießprozesses durch geringeren Energiebedarf beim Temperieren der Form und kürzere Zykluszeiten. Auch hier gibt’s positive Ergebnisse zu berichten: 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 Oberf lächentemperatur beim Aluminiumeinsatz homogener“, erklärt Thomas Seul von der Hochschule Schmalkalden.
 

Bruchstück dient der Forschung

Wie so oft gelingt nicht alles gleich beim ersten Versuch. Der ursprüngliche Prototyp des Spritzgießeinsatzes konnte nämlich aufgrund einer undichten Stelle und eines Fallschadens nicht bemustert werden. Vielmehr nutze 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 sind. 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.
 

Weiterer Use Case aus Oberösterreich

Einen ähnlich anspruchsvollen Use Case lieferte die Firma Fronius International GmbH 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
  • Vermeiden von Bindefehlern
  • Verringerung des Verzugs im Schweißprozess
  • Gute Endkonturnähte der Temperierstrukturen


Eloxal und Chemisch-Nickel im Vergleich

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 sind jedoch auch Probleme aufgetreten: 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.

 

Der erste gefertigte Einsatz wurde an den Linien A und B von der FH Wels aufgeschnitten, um zu zeigen, wo noch Optimierungen bei der Bahnplanung umgesetzt werden können   Schnitt A und Schnitt B zeigen Bindefehler im Bereich der Kühlkanäle. Diese wurden bei der Fertigung des zweiten Einsatzes deutlich verbessert   Schnitt A und Schnitt B zeigen Bindefehler im Bereich der Kühlkanäle. Diese wurden bei der Fertigung des zweiten Einsatzes deutlich verbessert
Der erste gefertigte Einsatz wurde an den Linien A und B von der FH Wels aufgeschnitten, um zu zeigen, wo noch Optimierungen bei der Bahnplanung umgesetzt werden können. Schnitt A und Schnitt B zeigen Bindefehler im Bereich der Kühlkanäle. Diese wurden bei der Fertigung des zweiten Einsatzes deutlich verbessert © FH Wels

Wichtige Erkenntnisse gewonnen

„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 gewonnen 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.

 

>> Infos zum Forschungsprojekt „NextMould“


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.


Das könnte Sie auch interessieren:

Mag. (FH) Doris Würzlhuber

Mag. (FH) Doris Würzlhuber

Projektmanagement

Fachbereiche: Werkzeugbau, Qualitätsmanagement
Bürozeiten: Mi 08:00 - 17:00 Uhr 
                     Do 08:00 - 16:00 Uhr

Mobil: +43 664 8481228

Kooperationspartner finden