Multimaterial-3D-Drucker für die additive Fertigung
Funktionsintegration: 3D-Druck eines Metall-Spritzgieß-Werkzeuges (MIM) mit konturnaher Kühlung
Multimaterial-3D-Drucker ExAM 255
Der Lehrstuhl für Mikrofluidik der Universität Rostock bearbeitet zusammen mit der Stenzel MIM Technik GmbH ein Projekt zum Druck eines 3D-MIM-Spritzgießwerkzeugs. Grundlage der Entwicklung ist der Einsatz der CEM-Technologie von AIM3D mit einer ExAM 255-Anlage.
Die ExAM 255-Anlage vereinigt hohe Präzision der 3D-Bauteile mit hohen Aufbaugeschwindigkeiten für das Additive Manufacturing. Die Bereitstellung eines MIM-Werkzeuges durch ein AM-Verfahren verkürzt gegenüber einem konventionellen Ansatz in der Zerspanung den Zeitaufwand von rund 8 Wochen auf ca. 5 Tage.
Im Rahmen eines durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Projektes, ist das 3D-MIM-Werkzeug eine Kooperationsentwicklung des Lehrstuhls für Mikrofluidik (LFM) der Universität Rostock mit der Stenzel MIM Technik GmbH. Die Projektlaufzeit dauert von April 2021 bis Oktober 2023. Verfahrens- und anwendungstechnische Grundlage ist der Einsatz der CEM-Technik von AIM3D, umgesetzt auf einer ExAM 255-Anlage. Das Projekt stellt den aktuellen Stand der Technik im 3D-Metalldruck dar.
3D-Werkzeug mit konturnaher Kühlung für das Spritzgießen von Metallen
Die Aufgabenstellung des Projektes der Universität Rostock mit der Stenzel MIM Technik war der 3D-Druck eines Werkzeuges für das Metallspritzgießen mit konturnaher Kühlung. Im 3D-Druck kann die konturnahe Kühlung mit Wendelkanälen als sogenannte Funktionsintegration direkt im Werkzeug abgebildet werden. Also nicht, wie bei größeren Werkzeugen, die als Inlets eingebettet werden. Ziel jeder konturnahen Kühlung von Spritzgießwerkzeugen von Metallen oder Polymeren ist es, die Zykluszeit deutlich zu reduzieren. Das Prinzip einer konturnahen Kühlung beruht darauf, durch konturnahe Kühlkanäle mit niedrigen Querschnitten Kühlmittel-Fluids zu führen. Sie kühlen das Bauteil bereits während des Zyklus.
Im Resultat ergibt sich eine schnellere Entformung, die den Zyklus entscheidend verkürzt. Die komplexe Geometrie der Kühlkanäle in Wendeltechnik entsteht mit Hilfe von CAD-Technik unter Einsatz von Simulationsmodellen, die sich an den „Bedürfnissen“ des Bauteils orientieren. Langjährige Erfahrungswerte liegen bei ca. 20% Zykluszeitverkürzung, allerdings in Abhängigkeit von Wandstärken und Größe. Der 3D-Druck bietet als integrierte Bauteillösung den Vorzug einer „One-Shot-Technik“ als Funktionsintegration gegenüber formgebundenen Verfahren.
Das Anwendungsbeispiel ist daher eine Möglichkeit die „Time-to-Market“-Zeit drastisch zu reduzieren. Ziel des Kooperationsprojektes ist es, eine neue Prozesskette zur kostengünstigen und schnellen Fertigung von MIM-Spritzgießwerkzeugen zu entwickeln. Bisher werden Zeiträume von bis zu acht Wochen benötigt, um ein konventionelles MIM-Spritzgießwerkzeug zu fertigen. Durch den 3D-Metalldruck kann die Bereitstellungszeit eines MIM-Werkzeuges auf etwa fünf Tage reduziert werden.
Details der Werkzeugentwicklung an der Universität Rostock
Im Rahmen der Kooperation wurde zunächst ein optimiertes 3D-Modell des Werkzeuges mit Hilfe von CAD- und Simulations-Tools entwickelt. Diese Daten wurden dann auf die CEM-Anlage ExAM 255 mit den notwendigen Prozessparametern übertragen. Im 3D-Druck entsteht ein sogenanntes „Green Part“ auf dem 3D-Drucker. Nach dem 3D-Druck wird, in einem mehrstufigen Verfahren, das Bauteil gesintert, um die endgültigen Materialeigenschaften zu erzeugen.
Mit diesem Verfahren können nach den notwendigen Entbinder- und Sinterprozessen schnell komplexe metallische Bauteile hergestellt werden. Gleichzeitig erlaubt das CEM-Verfahren die Beherrschung des volumetrischen Schrumpfens, der mit dem Sintern verbunden ist. Die Form hat eine Kavität. Das Bauteil besteht aus einem dickwandigen Teil mit dünnen Finnen. Diese Finnen lassen sich ohne konturnahe Kühlung nicht umsetzen, da schlecht entformbar. Die Stenzel MIM Technik erhofft sich speziell für dieses Bauteil eine signifikante Zykluszeiteinsparung von 70 bis 80 Prozent. Spritzgießversuche zur Erprobung stehen aber noch aus.
Werkstoffvielfalt mit dem ExAM 255
Der Multimaterial-3D-Drucker ExAM 255 kann werkstoffübergreifend (Metall, Kunststoff, Keramik) und verfahrensübergreifend (Hybride Bauteile) eingesetzt werden. Gegenüber den Pulverbettverfahren oder auch anderen 3D-Druck-Verfahren, die auf Materialien mit Filamenten zurückgreifen, erreichen die Anlagen des CEM-Verfahrens Zugfestigkeiten, die an das klassische thermoplastische, formgebundene Spritzgießen heranreichen. Augenfällig ist der Preisvorteil mit dem 3D-Druck, wenn handelsübliche Granulate statt Filamente verwandt werden. Beim Einsatz von Granulaten ergeben sich Preisvorteile bis zum Faktor 10 durch das CEM-Verfahren.
