Rapid Tooling

 

Werkzeuge und Formen sind häufig verwendete Hilfsmittel, um Massenprodukte gerade in der industriellen Serienfertigung schnell und kostengünstig produzieren zu können. Da es sich bei diesen Formen und Werkzeugstrukturen häufig um Einzelanfertigungen handelt, zählt die Produktion dieser Hilfsmittel zu den teuersten und zeitintensivsten Arbeitsgängen. Additive Fertigungsmethoden wie das Rapid Tooling ermöglichen hier jedoch Kosten- und Zeitersparnisse. Wie kommt das? Was ist besonders am Verfahren? Gibt es Nachteile durch Rapid Tooling? Und was gilt es zu beachten? Mehr dazu in diesem Beitrag.

 

Was ist Rapid Tooling?

Rapid Tooling umfasst alle additiven Herstellungsprozesse, mit denen Kerne, Kavitäten, Werkzeug- sowie Matrizeneinsätze und Formen produziert werden können. Da der konventionelle Werkzeug- und Formenbau vielfach geprägt ist von Einzelanfertigungen, welche eine teure und zeitintensive Herstellung benötigen, ermöglichen gerade in diesem Bereich additive Fertigungsverfahren Zeit- und Kosteneinsparungen. Weiterhin aber auch Optionen, zusätzliche Funktionalitäten in die Werkzeugbestandteile zu integrieren. Dies sind bspw. konturnah geführte, integrierte Kühlkanäle, welche mittels konventioneller Verarbeitung nicht möglich wären.

Beim Rapid Tooling werden weiter zwei Unterebenen unterschieden: "Direct Tooling" (Direkte Werkzeugherstellung) und "Prototype Tooling" (Herstellung von Werkzeugprototypen).

  • Direct Tooling ist das produzieren von Werkzeugeinsätzen, Matrizen und Formen in Serienqualität. Charakteristisch ist vor allem die komplexe Detailkonstruktion, in der z. B. Trennebenen festgelegt, Schrumpfvorgänge berücksichtigt, Entformungsschrägen eingebracht und Auswerfer dimensioniert werden. In der Regel wird auch ein zusätzlicher, nachgelagerter Metallbearbeitungsprozess benötigt.Mit diesem Verfahren müssen aber keine kompletten Werkzeuge hergestellt werden. Meist werden Werkzeugbestandteile erzeugt, das Gesamtwerkzeug entsteht anschließend durch Zusammenbau.
  • Prototype Tooling kennzeichnet die Herstellung einer vorläufigen Werkzeugform aus einem Ersatzmaterial. Ein Werkzeug in Serienqualität ist gerade für Kleinserien zu kosten- und zu zeitintensiv. Werden in dem Fall jedoch nur wenige Teile benötigt oder ist die Detailkonstruktion des Werkzeuges noch nicht final geklärt, genügt in der Regel ein vorläufiges Werkzeug, welches allerdings die Anforderungen erfüllen muss.

 

Wo sind Unterschiede zwischen additiven und konventionellen Tools?

Additiv mittels Rapid Tooling hergestellte Werkzeuge unterscheiden sich natürlich einerseits durch den Herstellprozess von konventionellen Werkzeugen und andererseits im strategischen Ansatz.

Ziel der additiven Herstellung ist vor allem die Beschleunigung der Werkzeugproduktion. Weiter kann die Umsetzung neuer Werkzeugdesigns als Zielsetzung angesehen werden.

Schnellere Fertigung

Eine schnellere Werkzeugfertigung erreicht man meist mittels Prototype Tooling. Nicht metallene Werkzeuge werden dabei entweder durch Abformung von additiv hergestellten Urmodellen erzeugt oder durch generative Kunststoffdruckverfahren wie der Stereolithografie.

Neue Designs

Neue und innovative Werkzeugkonzepte werden mit Methoden des Direct Tooling umgesetzt. Dabei kommen nur additive Verfahren für Metalle und Keramiken zum Einsatz. So können komplexe Werkzeuge für die Anwendung in der Serienproduktion hergestellt werden, welche bspw. interne Hohlräume aufweisen und eine konturnahe Kühlung ermöglichen.

 

Welche Anwendungen gibt es?

Sandformen und Kerne für Metallguss

Als Werkstoffe für das Rapid Tooling kommen neben Metallen und Kunststoffen auch mineralische Materialien zum Einsatz. So werden u. a. Sandkerne durch 3D-Drucker hergestellt. Diese Sandkerne bestehen konventionell hergestellt aus mehreren Segmenten mit aufwendigen Hinterschneidungen. Dies macht die Herstellung extrem zeitintensiv und teuer. Ein additives Schichtbauverfahren kann diese Aufgabe innerhalb weniger Stunden und vollautomatisch erledigen. Dabei wird Sand über einen Druckkopf schichtweise mit einem Binder verklebt und so das Bauteil als Monoblock-Sandkern aufgebaut.

 

Vorteile - Nachteile

Vorteile mit Rapid Tooling

  • wirtschaftliche Herstellung von Formen, Werkzeugen und Einsätzen
  • schnelle Produktion aufwändiger Strukturen
  • Integration zusätzlicher Funktionen ins Werkzeug
  • Umsetzung neuer Designkonzepte

 

Nachteile

  • keine fertigen Werkzeuge als Ergebnis, Nacharbeit erforderlich
  • Oberflächeneigenschaften bei manchen Verfahren nicht gut genug
  • einfache Werkzeuge sind konventionell hergestellt billiger

 

Zukunftsaussichten

Die zeitnahe Herstellung neuer Werkzeugen und Formen (Rapid Tooling) ermöglicht bereits enorme Kosten- und Zeiteinsparungen. Im Zuge weiterer Entwicklungsaktivitäten sollten sich additive Verfahren im Werkzeugbau immer stärker etablieren. Gerade bei weniger komplexen Formen ist Rapid Tooling allerdings noch nicht wirtschaftlich anwendbar. Da müssen in Zukunft bei der Prozessgeschwindigkeit Fortschritte erzielt werden.