Additive Fertigung im Werkzeugbau

1. Einleitung: Werkzeugbau als Vorreiter der Additiven Fertigung

Der Werkzeug- und Formenbau war eine der ersten Industrien, die den wirtschaftlichen Nutzen des Metall-3D-Drucks im industriellen Maßstab erkannt hat. Hier geht es selten um Gewichtsreduktion, sondern vielmehr um Zykluszeit, Verschleißfestigkeit und Prozessstabilität in der anschließenden Serienproduktion.

Dieses Whitepaper zeigt, wie PBF (Pulverbettfusion) und DED (Laserauftragschweißen) die Konstruktion und Wartung von Spritzgussformen und Stanzwerkzeugen revolutionieren.

2. Spritzgussformen: Der Turbo durch konturnahe Kühlung

In der Kunststoffspritzgussproduktion ist die Kühlzeit (die Zeit, die das heiße Plastik im Werkzeug aushärten muss) der Flaschenhals. Sie macht oft über 60% der gesamten Zykluszeit aus.

• Verkürzung der Zykluszeit: Durch additiv gefertigte Werkzeugeinsätze (aus Maraging-Stahl 1.2709) mit konturnaher Kühlung kann die Zykluszeit um 20% bis 40% reduziert werden. Bei Millionenstückzahlen amortisiert sich der teure 3D-Druck-Einsatz oft schon nach wenigen Wochen.
• Qualitätssteigerung: Da das Kunststoffteil gleichmäßig abkühlt, werden thermische Spannungen reduziert. Das Risiko für Verzug ("Warping") und Einfallstellen im Endprodukt sinkt dramatisch.

3. Reparatur und Instandhaltung mittels DED

Große Stanz-, Zieh- oder Schmiedewerkzeuge verschleißen lokal extrem stark (z.B. an Kanten oder Radien). Wenn ein großes Gusswerkzeug ausbricht, bedeutet dies klassischerweise einen massiven Schaden und Produktionsstillstand.

• Laserauftragschweißen (DED): Statt das gesamte Werkzeug neu zu fräsen, wird der defekte Bereich ausgefräst und per DED zielgenau neu aufgebaut. Dabei kommt oft ein Pulver zum Einsatz, das noch verschleißfester ist als das Grundmaterial (Auftragspanzerung / Cladding).
• Vorteil gegenüber manuellem Schweißen: Der Lasereintrag ist präziser, der Wärmeeintrag geringer (weniger Verzug) und das Gefüge weist eine deutlich höhere metallurgische Qualität auf.

4. Hybridfertigung: Das Beste aus beiden Welten

Ein Metall-3D-Druck (PBF) baut relativ langsam auf. Eine komplette, massive Spritzgussform von 200 kg zu drucken, wäre völlig unwirtschaftlich. Daher nutzt der smarte Werkzeugbau hybride Ansätze.

• Der Hybridaufbau: Ein massiver Stahlblock (der spätere Fuß des Werkzeugs) wird konventionell auf einer CNC-Maschine vorgefertigt. Dieser Block wird dann als Bauplattform in den 3D-Drucker (PBF) gespannt. Der Drucker baut nur die obersten 5 Zentimeter (mit den feinen, konturnahen Kühlkanälen) additiv auf.
• Ergebnis: 90% des Materials sind günstiger Stahl, 10% sind hochkomplex gedruckt. Dies ist der "Sweet Spot" der Wirtschaftlichkeit.

5. Neue Materialien für den Formenbau

Neben dem klassischen 1.2709 (Maraging-Stahl) etablieren sich zunehmend neue Legierungen:

• Warmarbeitsstahl H13 (1.2344): Bekannt aus dem Druckguss, bietet hohe Warmfestigkeit. Im Druck (PBF) anspruchsvoll, da er zur Rissbildung neigt (benötigt Maschinen mit Hochtemperatur-Heizung der Bauplattform >500°C).
• Kupfer-Legierungen: Da Kupfer Wärme fantastisch leitet, werden Werkzeugeinsätze aus Kupferlegierungen (inzwischen mit grünen Lasern exzellent druckbar) eingesetzt, um Heatspots (Hotspots) blitzschnell abzuführen. Um die weiche Kupferoberfläche vor Verschleiß zu schützen, wird sie nachträglich beschichtet.

6. Fazit

Für den modernen Werkzeugbau ist der Metall-3D-Druck kein Zukunftsszenario mehr, sondern gelebter Alltag. Lohnfertiger und interne Werkzeugbauten, die konturnahe Kühlung und DED-Reparaturen nicht im Portfolio haben (oder extern einkaufen), werden auf lange Sicht gegen Wettbewerber mit deutlich kürzeren Zykluszeiten das Nachsehen haben.