Auslegung, Analyse und Prinzipdemonstration inkrementell gefertigter, modularer Leichtbau-Druckgießwerkzeuge

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Klaus Dröder; Professor Dr.-Ing. Sebastian Müller
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428178388

Ein Großteil der Komponenten für konventionelle Druckgießwerkzeuge wird seit jeher auftragsspezifisch entworfen und subtraktiv gefertigt. Das derzeitige Fertigungsprinzip ist jedoch mit Nachteilen verbunden. So führen hohe Werkzeuggewichte neben einem hohen Ressourcenaufwand bei der Herstellung zu thermisch trägen und energieaufwändig zu temperierenden Werkzeugen. Unter Berücksichtigung üblicher Werkzeuggewichte von 2 t bis 60 t und charakteristischer Auftragsraten metallischer, generativer Verfahren wird deutlich, dass einem verstärkten Einsatz additiver Fertigungsverfahren enge Grenzen gesetzt sind. Vielversprechende Ansätze hinsichtlich des verstärkten Einsatzes einer modularen bzw. standardisierten Bauweise zur Reduktion des Fertigungsaufwandes unter Beibehaltung konventioneller, subtraktiver Fertigungsverfahren wurden jedoch bereits aufgezeigt. Druckgießwerkzeuge könnten jedoch mit erheblich verringerten Materialeinsatz und Fertigungsaufwand sowie verbesserten energetischen Eigenschaften zur Verfügung gestellt werden, wenn der Aufbau nach Leichtbauprinzipien erfolgen würde. Daraus resultiert, dass nur die individuelle Kavität selbst subtraktiv durch Zerspanen hergestellt wird. Die anderen Werkzeugbestandteile können modular und wiederverwendbar, u. a. mithilfe von Tragwerken (Stäbe, Knoten), gestaltet und durch inkrementelle Fertigungsmethoden an die geometrischen Anforderungen angepasst werden. Das Ziel des hier beantragten Vorhabens ist daher das Erreichen einer Methodik zur experimentell fundierten Auslegung sowie zur inkrementellen Herstellung modularer Leichtbau-Druckgießwerkzeuge. Neben fertigungsbedingten Vorteilen könnte ein solches Leichtbauwerkzeug zahlreiche technologische Restriktionen konventioneller Werkzeuge überwinden. So können ein geringerer Energiebedarf im Gießereibetrieb, eine verbesserte Möglichkeit der Werkzeugtemperaturführung und damit eine gezieltere Beeinflussung von Bauteileigenschaften, kürzere Rüstzeiten, eine bessere Handhabbarkeit sowie eine geringere mechanische Anlagenbeanspruchung bzw. höhere -dynamik erreicht werden. Der Leichtbau von Druckgießwerkzeugen in Verbindung mit einer hohen Modularität fördert zudem den verstärkten Einsatz additiver Fertigungsverfahren. Die Umsetzung weist jedoch wissenschaftliche Fragestellungen in Hinblick auf die erreichbaren Werkzeug- als auch Bauteileigenschaften auf. Derzeit existiert nur ein sehr eingeschränkter Kenntnisstand hinsichtlich des Entwurfes, der Auslegung, Fertigung und des Einsatzes von Leichtbau-Druckgießwerkzeugen. Ein Lösungsansatz wird in dem Einsatz der inkrementellen Fertigungsmethode gesehen. Entgegen bestehender additiver Fertigungsverfahren zielt sie darauf ab, Bauteile aufbauend auf Halbzeugen schrittweise nach additiven Grundprinzipien zu erzeugen. Dies ermöglicht weiterhin eine erhöhte Flexibilität in der Produktion, kürzere Anfertigungszeiten sowie einen geringeren Material- bzw. Energiebedarf zur Herstellung der Druckgießwerkzeuge.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen