Additive Fertigung von Werkzeugstahl (H13 / 1.2709)
Konformale Kühlung in Spritzgussformen für extrem verkürzte Zykluszeiten.
1. Einleitung: Werkzeugbau in der nächsten Dimension
Der Werkzeugbau (Tooling) für Kunststoffspritzguss oder Druckguss ist eine Milliardenindustrie. Die massiven Stahlformen müssen nicht nur dem extremen Druck des einschießenden Kunststoffs oder Aluminiums standhalten, sondern die Schmelze danach so schnell wie möglich abkühlen. Je schneller die Form kühlt, desto kürzer ist die Zykluszeit pro Bauteil, was Millionen einspart.
Traditionell werden Kühlkanäle gerade in den Stahl gebohrt. Sie erreichen die Kanten des Werkzeugs oft nicht richtig (Hot-Spots entstehen). Der 3D-Druck von Warmarbeitsstahl (z.B. 1.2709 / Maraging Steel oder H13) revolutioniert diesen Bereich durch konformale Kühlung (Conformal Cooling).
Was ist konformale Kühlung?
Beim 3D-Druck können Kühlkanäle gebogen, spiralförmig oder konturnah exakt der komplexen 3D-Form der Werkzeugoberfläche folgen. Das Kühlwasser fließt nur wenige Millimeter unter der heißen Werkzeugoberfläche entlang und kühlt das Bauteil absolut gleichmäßig. Dies verhindert Verzug (Warping) beim Kunststoffteil und senkt die Taktzeit oft um 20 bis 40 %.
2. Der PBF-LB Druck von Werkzeugstahl
Die Verarbeitung von kohlenstoffhaltigen Werkzeugstählen (wie H13) im Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB) Verfahren ist anspruchsvoll, aber äußerst lohnend.
- Rissvermeidung: Hochkohlenstoffhaltige Stähle wie H13 (1.2344) sind extrem anfällig für Kalt- und Heißrisse durch den rasanten Temperaturwechsel beim Laserschmelzen. Um dies zu verhindern, heizen moderne Drucker die Bauplatte auf über 200 °C (teils bis 500 °C) auf. Dadurch sinkt der Temperaturgradient, und Risse werden vermieden.
- Maraging Steel (1.2709): Dieser nickellégierte Martensit-Stahl (ohne viel Kohlenstoff) lässt sich extrem gut drucken. Er ist im gedruckten Zustand (as-built) relativ weich (gut zum Nachfräsen) und entfaltet seine extreme Härte (bis zu 54 HRC) erst durch eine nachträgliche Warmauslagerung (Ageing) bei ca. 500 °C.
3. Hybridfertigung: Fräsen und Drucken vereint
Eine Werkzeugform komplett aus Stahl zu drucken, dauert oft Wochen und kostet enorm viel Pulver. Daher wendet die Industrie meist einen Hybrid-Ansatz an.
Der massive Grundstock der Form wird klassisch und günstig CNC-gefräst. Dieser Block wird dann als Bauplatte in den 3D-Drucker gespannt. Der Laser druckt dann nur die obersten, hochkomplexen Zentimeter der Form (inklusive der feinen Kühlkanäle) exakt auf den gefrästen Grundblock auf. Dies vereint die Geschwindigkeit der CNC-Technik mit der Freiheit des 3D-Drucks.
4. Langlebigkeit und Reparatur
Werkzeuge verschleißen. Die scharfen Kanten von Spritzgussformen runden mit der Zeit ab. Anstatt die halbe Tonne Stahl wegzuwerfen, nutzt die Industrie das Laserauftragschweißen (DED/LMD).
Ein Roboterarm mit einem Laser-Pulver-Kopf fährt über die beschädigte Kante der Werkzeugform und trägt punktgenau eine neue Schicht aus ultra-hartem Werkzeugstahl auf. Die reparierte Stelle wird leicht überfräst, und die Form ist wieder einsatzbereit. Dieser "In-Situ-Repair" Prozess spart massiv Zeit und Material.
5. Fazit: Ein No-Brainer für die Serienproduktion
Der 3D-Druck von Werkzeugeinsätzen aus Stahl ist heute keine Forschung mehr, sondern industrieller Standard. Wer Spritzguss-Serien von mehreren Millionen Teilen fertigt, hat die hohen Kosten für einen 3D-gedruckten Werkzeugeinsatz durch die eingesparte Zykluszeit (Taktzeitverkürzung durch konformale Kühlung) oft schon nach wenigen Wochen amortisiert.