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maschine+werkzeug 09/2017

Ausschussrate nahezu bei Null

Maschinen

Additive Manufacturing - Das Pulverbett-Verfahren steigert die Produktivität des Spritzgiessprozesses und verbessert obendrein die Qualität der spritzgegossenen Bauteile in Bezug auf knifflige Geometrien oder Bereiche.

Das ursprüngliche Ziel der strategischen Partnerschaft zwischen GF Machining Solutions und EOS war es, mit Hilfe des Pulverbett-Verfahrens eine Reduktion der Kühlzeit von Spritzgiessformen zu erreichen.

Erfahrungen aus der Praxis zeigten jedoch, dass die Verbesserung der Qualität eine höhere Relevanz besitzen. Grund: Die Zykluszeit wird unter anderem von der Montage spritzgegossener Komponenten bestimmt. Daher nimmt die Qualität der Komponenten im automatisierten Montageprozess eine Schlüsselrolle ein.

Praxisbeispiel Ventil

Beim Druckreduzierventil GF PRV-DN50 haben sich im Laufe der Zeit die Bindenähte im Bereich der Dichtungssitze sowie deren Ebenheit als kritische Qualitätsmerkmale herausgestellt. Ventilkörper mit Bindenähten tiefer als 0,01 Millimeter und Abweichungen grösser als 0,2 Millimeter zwischen den beiden Extremwerten einer Ebenheitsmessung an 40 Punkten gelten als Ausschuss und können nicht weiter verarbeitet werden. Diese Qualitätsmerkmale konnten nur durch ein variothermes Formtemperaturmanagement adressiert werden. Da die bisherigen Ansätze die erforderliche Reaktionsgeschwindigkeit der Formeinsätze auf einen Temperaturwechsel des Kühlmediums nicht in ausreichender Weise erfüllten, wurde die additive Herstellung der Formeinsätze in Erwägung gezogen.

In enger Zusammenarbeit zwischen GF Machining Solutions und dem IPC in Bellignat, Frankreich, wurde die Auslegung einer konturnahen Kühlung mittels Simulationen verifiziert und basierend auf den Resultaten optimiert. Die fluidtechnische Simulation unterstützt dabei die Bewertung und Optimierung von Durchflussmenge und -geschwindigkeit, sowie der Abstimmung von Länge und Durchmesser parallel verlaufender Kanäle. Die mechanische Simulation dient der Lebensdauerberechnung der Formkerne unter einem für das Spritzgiesswerkzeug typischen Lastkollektiv.

Eine thermische Simulation soll schliesslich sicherstellen, dass die gewünschte Temperaturverteilung an der Formoberfläche sowie deren Reaktionsgeschwindigkeit für das geplante variotherme Formtemperaturmanagement ausreichend ist. Um die Herstellungskosten gering zu halten, entschied man sich für eine hybride Bauweise. Dabei wird der geometrisch einfache untere Teil beider Formeinsätze auf einem Drehfräszentrum konventionell vorbereitet und der komplexe obere Teil mittels additiver Fertigung ergänzt.

Bei ausreichender mechanischer Festigkeit konnte die Durchflussmenge des additiv gefertigten Kerneinsatzes gegenüber der konventionell hergestellten ursprünglichen Version um einen Faktor von 3,75 verbessert werden. Das zeigt sich in einer deutlich homogeneren Oberflächentemperatur, die sich im Vergleich zum konventionell hergestellten Formeinsatz bereits nach weniger als 20 Prozent der Zeit stabilisiert.

Der Formeinsatz der Kavitätenseite konnte analog zur Kernseite nun auch aus dem korrosionsbeständigen Stahlpulver CX generiert und mit einer Härte von 51 HRC realisiert werden. Die additiv generierten Formeinsätze ließen sich problemlos durch Hochgeschwindigkeitsfräsen (Mikron Mill S 400 U) und funkenerosives Senken (Agie Charmilles Form 200) bearbeiten und in die vorhandene Spritzgiessform einpassen. Die Bindenähte in beiden Dichtungssitzen sowie die Schwindung im dickwandigen zylindrischen Ventilkörper, die ursächlich für die Ebenheitsproblematik des oberen Dichtungssitzes war, konnten nahezu vollständig beseitigt werden. Das Resultat ist eine annähernd vollständige Elimination der Schlechtteilerate aufgrund der adressierten Qualitätsmerkmale. Ein Erfolg, der ohne additive Herstellung der Formeinsätze nicht realisierbar gewesen wäre. Zweifellos ein positiver Nebeneffekt des Projektes ist die Reduktion der Zykluszeit um 10 bis 15 Prozent.

GF Machining Solutions positioniert sich mit dieser Technik nicht nur als Lieferant von Maschinen, sondern ebenso als Anbieter eines Gesamtkonzeptes für die additive Fertigung, das Projektanalyse und -unterstützung, Simulation des gemeinsam erarbeiteten Lösungskonzeptes sowie gezielte Schulung und Beratung umfasst – auch über die Projektphase hinaus.

www.gfms.com

www.eos.info

  • 3D-gedruckte Formeinsätze (Kern und Kavität) für die Herstellung von Kunststoffventilkörpern nach der Endbearbeitung. Bild: GF Machining Solutions

    3D-gedruckte Formeinsätze (Kern und Kavität) für die Herstellung von Kunststoffventilkörpern nach der Endbearbeitung. Bild: GF Machining Solutions

  • Bild: GF Machining Solutions

    Bild: GF Machining Solutions

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