Ein Megatrend im 3D-Druck ist die Fertigung gedruckter Werkzeugeinsätze für die Kleinserienproduktion mittels Spritzgießen. Denn die konventionelle Werkzeugherstellung ist zeit- sowie kostenintensiv und lässt gleichzeitig wenig Raum für schnelle und kostengünstige Iterationen in der Bauteilmodellierung. Dieser Innovationstreiber ermöglicht Unternehmen neue Ideen und Produkte schneller am Markt zu etablieren, auf individuelle Kundenwünsche zu reagieren und Kosten in der Entwicklung zu senken. Der Einsatz additiv gefertigter Werkzeugeinsätze für das Spritzgießen stellt Unternehmen jedoch auch vor neue Herausforderungen und erfordert ein Umdenken in der Prozessführung. So bedingen beispielsweise die Wärmeübertragungseigenschaften der Form maßgeblich den Kristallisationsgrad und das Schwindungsverhalten, sodass Einsätze aus Kunststoff verlängerte Kühl- und somit Zykluszeiten benötigen. Des Weiteren führen die zyklisch wirkenden Kräfte der Schließeinheit sowie der Auswerfer zu einem schnellen Versagen der Werkzeugform.

Besondere Herausforderungen beim Thermoplast-Schaumspritzgießen
Das Thermoplast-Schaumspritzgießen (TSG) bietet sowohl betriebswirtschaftliche, prozesstechnische als auch bauteilspezifische Vorteile – mit besonderem Blick auf Ressourceneffizienz, verbesserter CO₂-Bilanz und optimierter Kostenstruktur. Trotz dieser Vorteile wird eine breite Marktdurchdringung durch zwei wesentliche Faktoren behindert: erstens eine fehlende wirtschaftlich attraktive Inline-Produktüberwachung und zweitens die verfahrensbedingte Schlierenbildung an der Bauteiloberfläche. Insbesondere Letzteres verhindert die Etablierung des Verfahrens für Sichtbauteile.

Technologie-Kombination als Schlüssel zum Erfolg
Durch die Kombination additiv gefertigter Werkzeugeinsätze mit dem TSG werden auf kosteneffiziente Art und Weise die Nachteile der jeweiligen Technologien ausgeglichen. Die geringere Wärmeleitfähigkeit gedruckter Formeinsätze bedingt eine Verlängerung der Kühl- und somit Zykluszeit. Gleichzeitig reduziert die geringere Wärmeleitfähigkeit der Werkzeugoberfläche ebenfalls in erheblichem Maße die Ausbildung von Schlieren, da die gasbeladene Schmelze an der Grenzfläche langsamer erstarrt. Die Einsparung der Nachdruckphase beim Schäumen, die geringere Schmelzetemperatur der gasbeladenen Schmelze und die verringerte Masse des Bauteils führen zu einer signifikanten Zykluszeitverkürzung.  Die niedrigeren Werkzeuginnendrücke beim TSG-Verfahren reduziert die zyklische Belastung für additiv gefertigte Werkzeuge erheblich, wodurch die Formen beständiger sind und länger eingesetzt werden können.

Zum Projekt
Das im April 2021 am SKZ gestartete Forschungsvorhaben ADDfoam (IGF-Nr: 21792 N) nutzt beide Technologien, um einen Mehrwert für Unternehmen entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu generieren. Untersucht werden die Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit sowie die Oberflächenbeschaffenheit in Abhängigkeit von verschiedenen Fertigungsparametern sowohl für die Werkzeugeinsätze als auch für die spritzgegossenen Leichtbauteile. Der Fokus der Untersuchungen liegt ebenfalls auf der Beständigkeit der gedruckten Kunstharz-Werkzeuge und die Auswirkung ihrer Verwendung – auch in Kombination mit formnahen Kühlkanälen – auf die Mechanik und Optik geschäumter Bauteile.

Interessierte Unternehmen sind herzlich eingeladen, im projektbegleitenden Ausschuss des Forschungsvorhabens kostenfrei mitzuwirken und sich über die aktuellen Ergebnisse zu informieren. Das Vorhaben wird im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) der Forschungsvereinigung Kunststoff-Zentrum über die AiF vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.