Damit sich Fragezeichen in Ausrufezeichen auflösen, braucht es starke Lösungsmittel.
Entwicklungen sind immer mit Fragezeichen verbunden, immer eine Herausforderung. Gut, wenn es in diesem Prozess rasche Lösungen, echte Ausrufezeichen, gibt. Wie etwa, wenn es um die Herstellung eines Werkzeugs geht, mit dem seriennahe Prototypen produziert werden sollen.
Auch in diesem Fall verfügen wir über das richtige Mittel: Rapid Tooling.
Technologische Grundlage für das Rapid Tooling bildet das HSC-Verfahren (High Speed Cutting), vorbereitend für den Kunststoffspritzguss von Bauteilen in drei- bis fünfstelliger Menge. Beratende und konstruktive Grundlagenarbeit leisten wir zudem, kundennah und effizient bereits von Entwicklungsanfang an.
Weitere Informationen zum Verfahren
Der Begriff Rapid Tooling kann grundsätzlich als „schneller Werkzeugbau“ übersetzt werden. Es handelt sich hierbei um ein Anwendungsgebiet aus dem Bereich der generativen Fertigungsverfahren. Im Fokus steht dabei der Werkzeugbau und Formenbau respektive die Herstellung von Werkzeugen sowie von Werkzeugkomponenten, insbesondere von Kunststoffspritzwerkzeugen.
Der Begriff Rapid Tooling wird mit Bezug zum so bezeichneten Hard Tooling verwendet. Demgegenüber bezeichnet die Begrifflichkeit Soft Tooling einen Folgeprozess mit zum Beispiel Silikonkautschuk oder anderen weichen Materialien, die für das Vakuumgießen oder auch für anderweitige handelsübliche Abformmassen genutzt werden können; im Mittelpunkt steht dabei immer die Reproduktion von Produkten. Beim Rapid Tooling an sich geht es immer ausschließlich um die Fertigstellung von Werkzeugeinsätzen oder von vollständigen Werkzeugen; dies wird mit Hilfe von diversen Rapid Prototyping Verfahren umgesetzt. Dabei haben sich im Hinblick auf die Kunststofftechnik vor allem zwei Verfahrensansätze durchgesetzt:
Ob die diesbezügliche bedarfsorientierte Herstellung von Bau- bzw. Formteilen, die Anwendung von Bridge-Tooling, die Realisierung von Probe- und Testläufen oder aber von funktionalen Prototypen – insbesondere der Kunststoff-Spritzguss im Schnellverfahren hat sich hier als ein besonders effizientes Verfahren erwiesen. Die schnelle Fertigung von entsprechenden Formen in extrem kurzen Bearbeitungszeiten trägt dabei generell zu einer deutlichen Reduzierung bestehender Entwicklungsrisiken sowie zu einer prägnanten Begrenzung der Gesamtherstellungskosten. Im Fokus steht dabei in erster Linie der Kunststoff-Spritzguss. Bei diesem Verfahren handelt es sich um eine Fertigungsmethode, bei dem Kunststoffe mittels direkter Hitzeeinwirkung in einem Zylinder geschmolzen wird, bevor es dann anschließend in eine vorgefertigte Form eingespritzt wird. Mit dem Kunststoff-Spritzguss werden also grundsätzlich thermoplastische Teile in hochwertiger Qualität hergestellt respektive geformt. Dabei lassen sich in spezifischen Fällen sowohl Produktionsteile und Werkzeugeinsätze für die Endanwendung als auch individuelle Prototypen innerhalb von wenigen Tagen anfertigen. Nicht unwesentlich ist es dabei, welche Form und welche thermoplastischen Kunststoffe genau zum Einsatz kommen. Um die Vorteile beschleunigter Fertigungszyklen im Verbund mit den Vorzügen geringer Werkzeugkosten auch tatsächlich vorteilhaft nutzen zu können, ist hier eine sorgfältige Auswahl erforderlich. Dabei können Sie zum Beispiel aus weit über 100 thermoplastischen Kunststoffen die jeweils richtige Lösung auswählen.
Beim Kunststoff-Spritzguss werden analog zum Namen nahezu ausschließlich Kunststoffe der Kategorie Thermoplaste, Duroplaste sowie Elastomere verarbeitet. Der Kunststoff-Spritzguss mit Thermoplasten stellt dabei das am häufigsten genutzte Kunststoffverarbeitungsverfahren dar und hat daher auch für die Industrie die größte wirtschaftliche Bedeutung.
Unter Zuhilfenahme von bedarfsgerechten Farb-Batches und Additiven profitieren Sie – je nach Verwendungszweck Ihres Produktes – von folgenden Qualitäten und Materialeigenschaften unserer Kunststoffe:
Es können auch Kunststoffe für den Kunststoff-Spritzguss verwendet werden, die ozonbeständig
und alterungsbeständig sind.
Sollen Thermoplaste als Ausgangsmaterial beim Rapid Tooling bzw. beim Kunststoff-Spritzguss dienen, wird das Granulat in den Zylinder eingebracht und rieselt anschließend in die Gänge der integrierten Schnecke. Hier beginnt dann direkt auch der Schmelzprozess. Dieser wird ausgelöst durch die freigesetzte Wärme beim Zerteilen des Granulats sowie durch die am Zylinder angebrachten Heizelemente, wodurch eine entsprechende Zylinderwärme entsteht. Anschließend sammelt sich der flüssige Kunststoff direkt vor der Düse. Sobald genügend Material zum Einspritzen in das Formteil vorhanden ist, stoppt die Rotation der Schnecke und die Spritzeinheit bewegt sich auf die Schließeinheit zu. Dann presst die Schnecke unter Druck von etwa 500 bis 2.000 bar den flüssigen bzw. geschmolzenen Kunststoff durch die Düse in die Form bzw. in den Hohlraum des Werkzeugs.
In der Urform kühlt sich der Flüssigkunststoff dann ab und erstarrt. Dieses Abkühlen und Erstarren wird durch unterschiedliche Temperaturen realisiert. Denn das Werkzeug weist in der Regel eine Temperatur von etwa 20 bis maximal 120°C auf und ist damit deutlich kälter als die Kunststoffmasse. Ist die Aushärtung komplett abgeschlossen, kann direkt der nächste Plastifiziervorgang starten. Damit Sie das jeweils fertige Formteil zusammen mit dem Ausguss entnehmen können, wird die Auswerferseite der Schließeinheit geöffnet. Zum problemlosen Herausnehmen können Sie zum Beispiel Handlinggeräte oder etwa eindringende Stifte nutzen. Manchmal sind auch mehrere Personen für das Herausnehmen erforderlich. Denn im Rapid Tooling und auch bei anderen Verfahren werden mitunter Werkstücke aus Thermoplast gefertigt, die bis zu 50 kg schwer sind. Diese Formteile bestehen dann in der Regel allerdings nicht ausschließlich aus einer einzigen Kunststoffart, sondern beinhalten auch bestimmte Additive sowie spezifische Füllstoffe wie zum Beispiel Glasfasern. Thermoplast-Werkstücke können dabei bis zu 50 kg schwer sein und bestehen nicht nur aus einer Kunststoffart, sondern enthalten auch noch Additive und spezielle Füllstoffe wie z. B. Glasfasern.
Der große Unterschied zwischen Thermoplasten und Duroplasten liegt in der unterschiedlichen Form der Aushärtung. Denn im Gegensatz zu Formteilen aus Thermoplast benötigen Werkstücke aus Duroplast für das Erstarren Wärme. Wenn Kunststoff aus Duroplast erst einmal erkaltet ist, lässt er sich aufgrund technischer Unmachbarkeit nicht wieder erneut einschmelzen. Aufgrund dieser besonderen Eigenschaft werden Duroplast Kunststoffe mit einer vergleichsweise niedrigen Temperatur von etwa 30 bis maximal 100°C in die Form eingespritzt. Dort wird der Kunststoff dann durch die Zufuhr von Hitze ausgehärtet; dabei werden Temperaturen von etwa 130 bis 250°C erzeugt. Zudem verfügen Duroplasten über weitaus mehr Füllstoffe, daher fließen sie prinzipiell träger durch den Zylinder. Ein weiterer Unterschied zu Thermoplasten liegt in der geringeren Hitzeentwicklung, die von der Förderschnecke ausgeht. In der Regel werden beim Rapid Tooling respektive beim Kunststoff-Spritzguss Duroplaste als Ausgangsmaterial genutzt, wenn Wanddicken bis zu 50 mm gefragt sind. Bei Wanddicken unter 40 mm ist die Verwendung von Duroplasten gegenüber den Thermoplasten allerdings oftmals nicht wirtschaftlich genug. So werden dann in der Regel Kunststoffe aus Thermoplast vorgezogen.
Auch Elastomere – wie zum Beispiel Naturkautschuk – benötigen Hitze bzw. hohe Temperaturen, um zu vulkanisieren bzw. zu verhärten. Die Ausnahme bilden thermoplastische Elastomere, die als Hart-Weich-Formteile bekannt sind. Beim Elastomer-Spritzgießverfahren wird der Zylinder auf rund 80°C wassergekühlt, wobei die Formmasse aus Kunststoffgranulat von der Schnecke geknetet und gemischt wird. Die hierbei entstehende Reibungswärme verkürzt die Vulkanisierzeit. Viele Spritzgießmaschinen, die für die Fertigung von Elastomeren eingesetzt werden, verfügen über mehrere Schließeinheiten. Daher ist es dann auch jederzeit möglich, mehr als jeweils nur ein einziges Formteil zu produzieren. Vom technischen Aufwand her entspricht der Kunststoff-Vakuumguss mit Elastomere etwa der Duroplast-Urform-Anfertigung.
Bei den für den Kunststoff-Spritzguss verwendeten Maschinen kommen mittlerweile in der Regel so bezeichnete Schnecken-Spritzgießmaschinen zum Einsatz. Diese werden grundsätzlich in Einkomponenten- und Zweikomponenten-Maschinen unterschieden.
Die Schließeinheit bei beiden Maschinentypen besteht grundsätzlich aus einer der Düse zugewandten Seite, die aber unbeweglich ist, und der so bezeichneten Auswerferseite. Diese ist beweglich und wird – je nach Maschinentyp elektrisch oder hydraulisch auf die Düsenseite gepresst oder im umgekehrten Fall von ihr wegbewegt. Sind die Kunststoff-Formteile nach Beendigung des Arbeitsprozesses ausgehärtet respektive erkaltet, können Sie entsprechende Nachbearbeitungsoptionen ins Auge fassen. Möglich sind zum Beispiel eine Einfärbung im Vielfarbdruck oder Siebdruck gefärbt, ein explizites Verkleben oder ein Verschweißen (hier: ultraschweißen). Zudem können die jeweiligen Formteile entweder spanend bearbeitet oder etwa zu Baugruppen aneinander montiert werden.
Kommen Einkomponenten-Maschinen zum Einsatz, muss – je nach verwendetem Kunststoff – zwischen Thermoplast-, dem Duroplast- sowie dem Elastomer-Spritzgießverfahren unterschieden werden. Vom grundsätzlichen Ablauf ähneln sich alle drei Produktionsmethoden in ihrer Funktionsweise. Die jeweiligen Spritzgießmaschinen bestehen in der Regel aus zwei Bauteilen: der so bezeichneten Schließeinheit und der eigentlichen Spritzeinheit. In letzterer Einheit dient ein waagerechter Zylinder als funktionales Zentrum, wobei in diesem eine rotierende Schnecke angebracht ist. Zudem befindet sich an einem Ende des Zylinders ein Einfülltrichter. In diesen füllen Sie als Anwender das Kunststoff-Granulat oder -Pulver ein. Für den Transport des flüssigen Kunststoffs zur Schließeinheit sorgt eine verschließbare Düse, die am anderen Ende des Zylinders platziert ist. Der Düse kommt dabei eine Doppelfunktion zu. Zum einen schließt sie das mit flüssigem Kunststoff befüllte Werkzeug; zum anderen öffnet es dieses nach dem Aushärten bzw. Erkalten wieder.
Die Zweikomponenten-Maschinen gewährleisten die Fertigung von Formteilen von mehrfarbigen Objekten oder die kombinierte Herstellung der entsprechenden Teile aus mehreren Kunststoffarten. Dabei rückt als Vorteil gerade eine besondere Eigenschaft dieses Verfahrens in den Fokus. Denn die Werkstoffe können bereits während der Fertigung in lediglich einem Arbeitsgang vollumfänglich miteinander verbunden werden. Dadurch entstehen keine sensiblen bzw. empfindlichen Übergangsstellen. Außerdem sind die Zweikomponenten-Maschinen im Rahmen der Zwei-Komponenten-Technik darauf ausgerichtet, generell kostengünstiger und schneller zu produzieren, da in diesem Fall sowohl Montage als auch eine entsprechende Nachbereitung des Formstücks grundsätzlich entfallen.
In Bezug auf die Entwicklung des Rapid Toolings haben sich im Laufe der Zeit gleich mehrere Verfahrensprinzipien industriell durchgesetzt. Gerade die für diesen Bereich typischen Anwendungsszenarien zur schnellen Werkzeug- und Produktentwicklung, wie zum Beispiel Design- oder Funktionsprüfungen, zählen mittlerweile zu den etablierten Prozessen in modernen respektive leistungsfähigen Unternehmen. Studien und wissenschaftliche Ausarbeitungen belegen, dass das gesamte Anwendungsgebiet rund um das Rapid Tooling gemeinsam mit mehr oder weniger innovativen Kombinationen aus unterschiedlichen Folgeprozessen zu den aktuell bedeutsamsten Weiterentwicklungen gehört. Insbesondere der Bereich Kunststofftechnik gilt diesbezüglich als dominierend im Hinblick auf Rapid Tooling Prozessketten.
Der Kunststoff-Spritzguss zur Fertigung von Kunststoff-Formteilen findet als Fertigungsverfahren
insbesondere in der kunststoffverarbeitenden Industrie Anwendung.
Als Material kommen vorzugsweise Thermoplaste, Duroplaste oder auch Elastomere respektive
thermoplastische Elastomere zum Einsatz. Im Verfahrensverlauf werden diese Materialien von einer
Spritzgießmaschine in einen Werkstoff wie Kunststoffgranulat oder
pulver umgewandelt, bevor dieser Werkstoff dann unter Anwendung von Druck in ein
Spritzgießwerkzeug, das stets einer Urform entspricht, eingefüllt bzw. eingespritzt wird.
Sobald der flüssige Kunststoff später ausgehärtet ist, kann er als Formteil aus dem
verwendeten Werkzeug entnommen werden. Dabei ist der Kunststoff-Spritzguss für
verschiedenste Aufgabenbereiche prädestiniert. So lassen sich mittels des Kunststoff
Spritzgusses sowohl extrem große Formteile bis zu einem Gewicht von etwa 150 kg als auch
kleinste Plastikteile mit einem Gewicht von lediglich wenigen Milligramm Gewicht in
großer Stückzahl und dabei auch noch vergleichsweise kostengünstig herstellen.
Außerdem profitieren Sie beim Kunststoff-Spritzguss zusätzlich von der großen
Designfreiheit im Hinblick auf die Werkzeuge, was die zuverlässige Realisierung
diverser Formen und Oberflächen gewährleistet.
Neben diesen gängigen Fertigungsverfahren für Thermoplasten, Duroplasten sowie Elastomeren können Sie zudem noch auf spezielle Verfahren beim Kunststoff-Spritzguss zurückgreifen:
Auch wenn gerade die kunststoffverarbeitende Industrie den Kunststoff-Spritzguss verstärkt einsetzt, kommt diese Herstellungsmethode aufgrund der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und der hohen Wirtschaftlichkeit in nahezu allen Bereichen der industriellen Fertigung zum Einsatz. Als exemplarische Beispiele können hier folgende Szenarien genannt werden:
Mit dem Kunststoff-Spritzguss werden in der Lebensmittelindustrie zum Beispiel Tubendosierer oder Joghurt-Becher hergestellt.
Demgegenüber werden mittels des Verfahrens beispielsweise Dispenser, Plastik-Zahnbürsten oder
auch spezifische Pumpensysteme für die Kosmetikindustrie produziert
Auch in der Medizintechnik zählt der Kunststoff-Spritzguss zu den wichtigsten Verfahren. Ob Einweg-OP-Artikel oder zum Beispiel Gehäuse für CT-Geräte – dieses Verfahren optimiert Produktionszeiten, sorgt für eine Kostenreduktion und bietet qualitativ hochwertige Ergebnisse.
Im Hinblick auf den Hausbau entstammen oftmals die Profilrahmen für Fenster oder entsprechende Gummidichtungen dem Kunststoff-Spritzguss.
In der Fahrzeugtechnik bzw. in der Automobilbranche dient das Verfahren, um etwa Gurthalterungen, Fahrzeugkonsolen oder auch Trennkolben aus gespritzten Formteilen herzustellen. Außerdem kommt der Kunststoff-Spritzguss zum Beispiel für die Fertigung von Armaturenbrettern und Stoßstangen aus Polypropylen (PP) oder etwa für die Herstellung von Scheinwerfern aus Polycarbonat (PC) und Plexiglas (PMMA).
In der Elektrotechnik und dem Maschinenbau werden zudem gerade Polyamid- und POM-Teile nachgefragt.
Selbst wenn es für Sie darauf ankommt, dass Kunststoffprodukte wie Prototypen oder Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze im Rahmen von Rapid Tooling absolut steril gefertigt werden, bietet Ihnen der Kunststoff-Spritzguss effektive Lösungen. So können die jeweiligen Produkte dann in einem so bezeichneten „Reinraum“ herstellen. Hierbei handelt es sich um einen Raum, in dem es nur zu einer äußerst geringen Konzentration luftgetragener Teilchen kommt. Rein- oder auch Reinsträume sind gerade für spezielle Fertigungsverfahren – zum Beispiel in der Halbleiterfertigung – eine wichtige Fertigungsvoraussetzung. Denn herrscht gewöhnliche Umgebungsluft vor, stören die sich darin befindlichen Partikel die nachhaltige Strukturierung integrierter Schaltkreise. Weitere Einsatzgebiete von Reinräumen oder der allgemeinen Reinraumtechnik in Verbindung mit dem Kunststoff-Spritzguss lassen sich in der Optik- und Lasertechnologie, den Biowissenschaften, der Luft- und Raumfahrttechnik sowie der medizinischen Behandlung und Forschung finden. Ein hohes Verwendungspotenzial hat diese Kombination aus Reinraum und Kunststoff-Spritzguss zudem in der Nanotechnologie, der medizinischen Forschung und der keimfreien Herstellung von Arzneimitteln sowie Lebensmitteln. Hinzu kommt, dass höherwertige Kunststoff-Formteile immer häufiger Metallteile ersetzen.
Branchenübergreifend ist es für einen Hersteller ein stets entscheidender Aspekt, dass auf den Markt gebrachte Serienprodukte bzw. Artikel auch tatsächlich funktionieren. Gerade in der Automobilbranche, im Maschinen und Anlagenbau, in der Hydraulik, in der Medizin oder auch in den Bereichen Klima, Heizung und Sanitär kommt es dabei auf Details sowie sowohl funktionelle als auch gestalterische Nuancen an. Ohne eine entsprechende Vorbereitung in Form von Testläufen,
Anschauungsobjekten und Funktionsprüfungen können Produkte nicht ohne ein eminent großes Risiko auf den Markt gebracht werden. Um diesbezüglich stets auf der sicheren Seite zu sein, sollten Sie auf Rapid Tooling und die damit zusammenhängenden generativen Fertigungsverfahren zurückgreifen.
Zudem können Sie explizite Kühleffekte bei der Fertigung vorteilhaft nutzen. So bietet das Rapid Tooling im Rahmen eines generativen Fertigungsverfahren erstklassige Möglichkeiten, zum Beispiel interne und explizit konturnahe Kühlkanäle in Werkzeuge oder Werkzeugbestandteile zu integrieren. In dieser generativen Form gefertigte Werkzeuge bzw. Tools weisen im Vergleich zu Werkzeugen aus Vollmaterial diesbezüglich ganz klar verbesserte Kühlleistungen auf. Davon können Sie nachhaltig profitieren. Denn dadurch können Sie grundsätzlich eine bessere Bauteilqualität – aufgrund des reduzierten thermischen Verzugs – generieren sowie die Zykluszeiten deutlich reduzieren. Selbst Kombinationen von optimierter Temperierung und konturnaher Kühlung direkt in einem einzigen Werkzeug sind möglich.
In der Praxis wird dieser Verfahrensweg zum Beispiel bei der Fertigung von Staubsaugeroberteilen genutzt, indem sowohl gekühlte als auch beheizte Zonen in das jeweilige Werkzeug integriert wird. Es kommt also zu einer so bezeichneten thermischen Differenzierung im Werkzeug. Ein solches Werkzeug verfügt dann zum einben über eine konturnahe Kühlung, die beispielsweise bei 15°C wirkt. Zum anderen sorgt das Medium bei angenommenen 50°C für die entsprechende Hochglanzoptik.
Dank der Möglichkeiten im Rapid Tooling bzw. im generativen Fertigungsbereich können Sie den Wirkungsgrad noch weiter erhöhen. Dies kann realisiert werden etwa durch das Nutzen einer Parallelkühlung im entsprechenden Werkzeug-Einsatz. Kommt eine solche Parallelkühlung zum Einsatz, wird mehr Kühlmittel an die Formteiloberfläche respektive an die Kavität. Eine einfache konturnahe Kühlung, die in der Regel über einen langen Kühlkanal verfügt, kann dies nicht in dieser Form leisten. Stattdessen nimmt hierbei die Kühlleistung – im Verhältnis zur Strecke – kontinuierlich ab. Außerdem sorgt eine Parallelkühlung dafür, dass jede Kühlschleife sofort mit frischem Kühlmittel bzw. -medium nachhaltig versorgt wird. Aus diesem Umstand resultiert eine gleichmäßige und dynamische Kühlung, was im Hinblick auf die Zykluszeitreduktion und die Teilequalität den Effekt deutlich steigert.
Wenn Sie Rapid Tooling gezielt nutzen, können Sie sich bereits im Entwicklungsstadium einen genauen Überblick über Optik und Eigenschaften eines Produkts verschaffen, das später in die Serienfertigung gehen soll. Sind die Voraussetzungen und Gegebenheiten optimal, ist es durchaus möglich, mit Hilfe von Prototypen und Funktionsmodellen bereits nach sieben bis zehn Tagen eine seriennahe Fertigung zu realisieren. Sie profitieren vom Rapid Tooling aber nicht nicht nur bei neuen
Produkten. Vielmehr können Sie auch bei Artikeln, die sich bereits in der Serienproduktion befinden und bei denen zum Beispiel Qualitätsprobleme oder Prozessschwierigkeiten auftreten, Optimierungen in Form von verifizierten bzw. veränderten Produkten direkt in die Serienfertigung bzw. in die laufende Serie einfließen lassen. Wichtig ist dabei, dass bei jedem einzelnen Projekt immer individuell überprüft wird, ob die vorhandenen Werkzeuge die jeweils avisierte Geometrie
auch produzieren können. Dabei ist zudem zu beachten, dass die jeweilige Ausbringungsmenge je nach eingesetztem Material und Artikelgeometrie variiert.
Grundsätzlich werden mit Rapid Tooling Produktideen schnell und dabei auch noch günstig greifbar. Dabei entsteht im Rahmen eben des Rapid Toolings allerdings nicht der komplette bzw. vollständige Artikel, sondern via 3D-Druck der entsprechende Werkzeugeinsatz. Die eigentliche Stammform kann dabei aus Stahl bestehen, während der Werkzeugeinsatz in der Regel aus einem Kunststoffträgermaterial gefertigt bzw. gedruckt wird. Anschließend können Sie den in 3D gedruckten Werkzeugeinsatz mit der Stammform verschrauben und es auf die kunststoffverarbeitende Maschine – im Grunde genommen wie ein herkömmliches Stahlwerkzeug –
montieren. Ist dieser Vorgang abgeschlossen, können Sie das Produkt dann im Echtmaterial anfertigen lassen. In extrem kurzer Zeit entsteht auf diese Art und Weise ein voll funktionsfähiges Bauteil. Dies zeichnet sich dabei nicht nur durch eine hohe Qualität aus; vielmehr ist die gesamte Herstellung auch weitaus kostengünstiger, da alleine schon weitaus weniger Material erforderlich ist.