Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung hybrider Aluminium-Serienwerkzeuge mittels Transfer von Erkenntnissen im additiven Lichtbogen- und Rührreibschweißen und Abscheiden von diamantähnlichen Kohlenstoffschichten

NextMould ist ein interdisziplinäres Cornet-Projekt in den Bereichen Werkzeug-und Formenbau, Spritzgieß- und Metallverarbeitung mit Innovationspotenzial auf nationaler und internationaler Ebene. Der Bedarf der KMU an diesem Projekt stammt aus dem Bereich der Kunststoffproduktion, wo kostengünstige, qualitativ hochwertige und ressourcenschonende Werkzeuge benötigt werden. Die Herstellung und der Betrieb eines Spritzgießwerkzeugs muss durch Maßnahmen der Energiereduzierung kostengünstiger werden bei gleichzeitiger Steigerung der Kunststoff-Produktqualität. Zudem benötigen die KMU Leitlinien zur additiven Fertigung, wie sie bisher noch nicht existieren und Möglichkeiten der additiven Fertigung großer Strukturen. Im Vorhaben werden die betreffenden Aspekte zunächst einzeln in Verbindung mit den PA bei den betreffenden Forschungsstellen numerisch und experimentell untersucht, dann in versch. Stadien zu Demonstratoren kombiniert und untersucht. Ziel ist die Herstellung eines Demonstrator-Spritzgießwerkzeug (additiv, aus Aluminiumlegierung + innerer Struktur, mit DLC-Beschichtung unter Anwendung der Leitlinien).

Die Ergebnisse des Projekts sind einzeln, wie auch kombiniert nutzbar und sind:

-Additive Fertigung von Spritzgießwerkzeugen aus Aluminiumlegierungen durch Lichtbogenschweißen; Schaffung von Strukturen zur Steigerung der Energieeffizienz durch integrierte Leichtbau- und Isolierstrukturen; Untersuchung des Einsatzes von Rührreibschweißen zur Erzeugung einer verschleißfesten Stahlbeschichtung der Aluminiumstruktur

-Entwicklung von dicken DLC-Beschichtungen für Werkstücke aus Aluminiumlegierungen unter Verwendung von additivem Lichtbogenschweißen, als Verschleiß- und Korrosionsschutz

-Konstruktionsrichtlinien für energieeffizientes, additives Design (auch verwendbar für konventionell hergestellte Werkzeuge aus Aluminiumlegierungen und additiv hergestellte Stahlformen)

Ergebniszusammenfassung:

Das Ziel von NextMould war die Erarbeitung von Designrichtlinien und einer Methodik zur additiven Herstellung von Serien‐Aluminium-Spritzgießwerkzeugen mit einer verschleißfesten Oberflächenschicht. Die erzielten Ergebnisse erstrecken sich auf drei Einzelbereiche, welche auch kombiniert angewendet werden können. Die Ergebnisse können im Bereich des Werkzeug- und Formenbaus (Spritzgießwerkzeuge, Schäumwerkzeuge, Blaswerkzeuge) sowie allgemein in der Kunststoffverarbeitung genutzt und zu konkreten Produkten weiterentwickelt werden. Die Ergebnisse bilden daher die Grundlage für energieeffiziente Produktionsprozesse in der Kunststoffverarbeitung. Im Bereich der konstruktiven Auslegung wurden umfangreiche Designrichtlinien für additive sowie konventionell zu fertigende Spritzgießwerkzeuge entwickelt. Diese dienen der Auslegung und Weiterentwicklung von neuen Produktionswerkzeugen. Im Bereich Beschichtung wurden PACVD-Schichten untersucht, welche allerdings auf der Aluminiumlegierung EN AW 5083 eine schlechte Polierbarkeit und Abplatzungen an scharfen Kannten aufwiesen. Weiterhin wurden Chemisch-Nickel-Beschichtungen betrachtet, welche eine sehr gute Polierbarkeit sowie konstante Schichtdicken aufweisen. Auch Eloxalschichten wurden untersucht und festgestellt, dass diese eine moderate Polierbarkeit aufweisen und unterhalb von 200 °C angewendet werden sollten, da ansonsten Risse entstehen.

Im Bereich der konstruktiven Auslegung von WAAM-Bauteilen konnten die Prozessparameter bei der Formteilherstellung so angepasst werden, dass der Tropfendurchmesser im Bereich 4 mm bis 12 mm variabel gesteuert werden kann. Auch konnten Leichtbaustrukturen ausgelegt und in Form von freitragenden Supportstrukturen in das Innere von Spritzgießwerkzeugen integriert werden. Ebenso wurden Temperierkanäle in die Formteile eingebettet. Insgesamt konnte der WAAM-Prozess inkl. Bahnplanung für EN AW 5083 qualifiziert und validiert werden und bildet daher die Grundlage für weitere Entwicklungen.