Rapid Tooling für Produktionsteile: Geringere Kosten, kürzere Markteinführungszeiten

Produktionswerkzeuge und -formen sind das Rückgrat der Fertigungsindustrie. Die Herstellung geeigneter Werkzeuge für einen Produktionsdurchlauf gehört nicht selten zu den kostenaufwändigsten Aufgaben in der Produktion. Schon vor der Massenproduktion und vor der Einführung von Rapid-Prototyping-Technologien wie dem 3D-Druck war der Bau eines funktionsfähigen Prototyps kostspielig und zeitaufwändig und dadurch für viele Unternehmer und kleine bis mittlere Unternehmen nicht erschwinglich.

Rapid Tooling entwickelt sich derzeit jedoch schnell zu einer kostengünstigen und schlanken Option für Prototyping und Kleinserienproduktion. Um mehr darüber zu erfahren, wie Rapid Tooling Herstellern Geld sparen kann, sprach engineering.com kürzlich mit Raymond Cheng, dem Gründer von WayKen, einem Rapid Prototyp Manufacturing Service mit Sitz im Produktionsmekka Shenzhen in China.

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„Mit der Verkürzung der heutigen Produktlebenszyklen müssen Produktentwickler den Schritt von Design und Fertigung hin zu schlanken, produktorientierten Lösungen für die Kleinserienproduktion machen. Rapid Tooling ist ein äußerst effektiver Weg, um adäquate Ergebnisse zu erzielen“, riet Cheng.

Konventionelle Produktionswerkzeuge vs. Rapid Tooling

Je nach Prozess werden konventionelle Produktionswerkzeuge typischerweise aus hochfestem Werkzeugstahl hergestellt. Die bekannten Legierungssorten O1, D2 und P20 waren verschleißfest und härtbar, aber Schruppen, Fräsen, Schleifen (und manchmal Polieren) – alles Aufgaben von Präzisionswerkzeugmaschinen – waren kostspielig und schwierig. Moderne Legierungsstähle und CNC-Werkzeugmaschinen schufen hier zwar Abhilfe, aber die hohen Kosten und die kundenspezifische Beschaffenheit der Werkzeuge führten dazu, dass Komponenten erhebliche Produktionsmengen benötigten, um die Werkzeugkosten zu amortisieren. Die andere Alternative, Soft-Tooling oder maßgeschneiderte Teilefertigung, war noch teurer pro Produktionsteil. Die meisten Produktionsprozesse benötigen Werkzeuge, und selbst wenn die Kosten kontrolliert werden können, ist Zeit ein bedeutender Faktor.

Dieser Prozess kann abhängig von den erforderlichen Parametern des Werkzeugs bis zu mehreren Monaten dauern. Die Strategie hinter Rapid Tooling besteht darin, ein weniger langlebiges Werkzeug herzustellen, das für eine viel kürzere Lebensdauer ausgelegt ist als ein herkömmliches Werkzeug. Dies ermöglicht es dem Werkzeugmacher, mit kostengünstigeren Materialien und schnelleren Fertigungsprozessen zu arbeiten, wodurch der Ausschuss reduziert und Kosten eingespart werden können.

„Im Vergleich zu herkömmlichen Produktionswerkzeugen ist Rapid Tooling oft ein einfacherer Prozess, der schnelle und kostengünstige Produktionslösungen für jeden Aspekt der Herstellung bietet, wie z.B. Formdesign, Formmaterialien und Formprozesse“, erklärt Cheng. „Je nach den Bedürfnissen der Kunden kann diese Technik ihnen in der Regel dabei helfen, die Produktionskosten um 50 Prozent oder mehr zu senken.“

Testen und Einsatz von Rapid-Tooling-Techniken

WayKen bietet DFM-Dienstleistungen („Design for Manufacturability“, dt. in etwa: Design für bessere Herstellbarkeit) im Bereich Rapid Injection Molding an, die jeden Aspekt des Spritzgießprozesses abdecken, vom Teiledesign über das Werkzeugdesign und die Materialauswahl bis hin zur Verarbeitung, erklärt Cheng.

„Mit 20 Jahren praktischer Erfahrung im traditionellen Formenbau und Rapid Tooling vereinen unsere Ingenieure ein umfassendes, interaktives Angebot mit einer detaillierten Herstellbarkeitsanalyse und können Design Reviews durchführen, um Ihnen die beste Technologie für Ihren spezifischen Prototyp zu empfehlen in Bezug auf bspw. die Angussart und -position, die Trennlinie, die Formschräge, das Ausgusssystem, Schlitten und Einsätze, den Ausstoß, kritische Maßstäbe, Toleranzen und Oberflächenbeschaffenheiten – alles das spielt eine Rolle, wenn es um die Produktionszeit geht.“

Kunden können auf der Website von WayKen ganz einfach ein Angebot anfordern.

Optionen für den Rapid-Tooling-Prozess

Rapid Tooling ist eine schnellere, flexiblere und kostengünstigere Produktionslösung für die Kleinserienfertigung von Komponenten und Prototypen. Wie herkömmliche Produktionswerkzeuge umfasst auch das Rapid Tooling abhängig von den Konstruktionsparametern des Bauteils unterschiedliche Verarbeitungstechnologien und -ausstattung. Rapid Tooling kann für eine Vielzahl von Fertigungsprozessen eingesetzt werden, einschließlich:

• Stanzen und Formen

• CNC-Bearbeitung

• 3D-Druck

• Formverfahren wie Spritzgießen, Silikonformen, Druckguss, Thermoformen und Extrudieren

Direktes Rapid Tooling: Der 3D-Druck

Der Begriff „Rapid“ kann an den 3D-Druck erinnern, der manchmal als Rapid Prototyping bezeichnet wird. Der 3D-Druck ist eine ideale Technologie für die schnelle Verarbeitung von Prototypen oder Kleinserienteilen, da praktisch jedes CAD-Modell in weniger als einem Tag unter Verwendung einer Vielzahl von Rohmaterialien oder technischen Werkstoffen, einschließlich Metallen, gedruckt werden kann.

Laut WayKen verwenden die am weitesten verbreiteten Drucker für Rapid Tooling Direktmetallabscheidungs- (DMD) oder Pulverbett-Schmelzverfahren. Die Additivherstellung erfordert keine fixierenden Elemente oder Rohteile, sondern lediglich universelle Pulver- oder Filamentmaterialien. Die Oberflächenbeschaffenheit von Druckteilen ist jedoch ähnlich wie bei Gussteilen und erfordert oft eine Nachbearbeitung.

CNC-Bearbeitung

Die CNC-Bearbeitung (Computer Numerical Control) umfasst Fräsen, Bohren und Gewindeschneiden, Drehen, Schleifen und mehr. Das CNC-Fräsen ist das wichtigste Verfahren zur Herstellung von Produktionswerkzeugen und wird auch für die Schnellbearbeitung eingesetzt. Die typische Toleranzgenauigkeit reicht von +/-0,125 mm bis +/-0,025 mm für CNC-gefrästes Aluminium.

WayKen verwendet 5-Achsen-Fräsmaschinen, weil diese Maschinen Rohlinge ohne komplizierte Vorrichtungen schnell lokalisieren und komplexe Werkzeugwege schneiden können, die auf herkömmlichen 3-Achsen-Anlagen nicht möglich sind. Während 3-Achsen-Maschinen das Werkzeug in x-, y- und z-Richtung bewegen können, verfügen 5-Achsen-Maschinen über zwei zusätzliche Drehachsen. Dies ermöglicht die Realisierung komplexer Merkmale, die mit einer 3-Achsen-Maschine nicht möglich sind.

Aluminium ist dank der niedrigen Kosten und der Zerspanbarkeit oft das effektivste Material für Rapid Tooling. Aluminium kann für Spritzgussformen, Pressformen und sogar Druckgießformen verwendet werden. Aluminiumwerkzeuge haben eine kürzere Lebensdauer als Stahlwerkzeuge, eignen sich aber hervorragend für kleine bis mittlere Serien und haben sehr gute Wärmeübertragungseigenschaften, eine nützliche Eigenschaft für Spritzgussformen.

CNC-Aluminium hat Einschränkungen im Vergleich zu einigen spezialisierteren Prozessen. Da das Material beispielsweise von einem Drehwerkzeug geschnitten wird, müssen Innenecken einen Radius aufweisen. Tiefe Sacklöcher, schräge Löcher oder hinterschnittene Merkmale sind nicht möglich. Darüber hinaus erfordern Merkmale auf beiden Seiten eines Teils mehrere Bearbeitungsvorgänge, um das Teil zu wenden und die andere Seite zu bearbeiten.

CNC-Kunststoffbearbeitung

Neben Metallen können auch einige Kunststoffe dementsprechend bearbeitet werden. Kunststoffe verhalten sich bei Zerspanungsprozessen anders als Metalle, so dass unterschiedliche Schneidwerkzeuge sowie Vorschübe und Geschwindigkeiten benötigt werden, um hochpräzise Toleranzen und Oberflächen zu erzielen. Die CNC-Bearbeitung kann eine Option für Prototypen sein, die für Form- oder andere Prozesse in der Endfertigung vorgesehen sind. Wayken bietet auch CNC-Prototyping–Dienstleistungen an.

EDM

Die Funkenerosion (EDM, „Electric Discharge Machining“) ist ein subtraktiver CNC-Prozess, der nach dem gleichen Phänomen funktionier0t, das auftritt, wenn Lichtbogenbildung in elektrischen Schaltern die Metallkontakte mit der Zeit allmählich erodiert. Wenn ein elektrischer Lichtbogen auftritt, trägt die Energie einen kleinen Bereich der Oberfläche des Metalls ab bzw. verdampft sie. Erodiermaschinen skalieren dieses Phänomen mit einer entsprechend geformten Senkelektrode oder einem Draht, um diese Abtragung auf einen vorgegebenen Bereich des Werkstücks zu fokussieren.

Mit diesem Verfahren können einzigartige Merkmale wie rechteckige Löcher, schräge Löcher oder bestimmte Merkmale in Kleinmaßstäben realisiert werden. Das Verfahren ist auch ideal für sehr harte Materialien wie Inconel oder Titan, die mit Schneidwerkzeugen nur sehr teuer zu bearbeiten sind.

Diese Senkelektroden sind im Wesentlichen Reverse-Cavity-Formen und bestehen typischerweise aus weichen, leitfähigen Materialien wie Kupfer oder Graphit. Rapid Tooling kann eine effektive Möglichkeit sein, ein Erodierwerkzeug schnell vorzubereiten und die Arbeit an einem neuen Auftrag schneller zu beginnen.

Urethan-Guss

Der Urethan-Vakuumguss kann eine ausgezeichnete Methode sein, um Kleinserien- oder Prototypenteile herzustellen, die sonst im Spritzgussverfahren hergestellt würden. Dies ist eine schnelle und kostengünstige Alternative für Prototyping sowie Pre-Marketing- oder Kleinserienfertigung.

Um den Urethanguss adäquat einsetzen zu können, muss ein Urmodell des jeweiligen Teils angefertigt werden. Dieses Modell kann aus einer Vielzahl von starren Materialien, einschließlich Holz, hergestellt werden. Das Meistermodell wird in einem Tank aufgehängt und mit Silikon umgossen. Wenn das Silikon aushärtet, wird die Form halbiert und das Meistermodell entfernt, wobei ein Formhohlraum entsteht. Diese weichen Silikonformen halten in der Regel für 10-15 Gussteile, wobei die Gussteile aus Polyurethanharzen hergestellt werden.

Wenn mehr als 30 Gussteile benötigt werden, kann das Meistermodell verwendet werden, um mehrere Silikonformen herzustellen, so dass die Teile parallel gegossen werden können und Zeit eingespart wird.

Branchen, die von Rapid Tooling profitieren

Obenstehend haben wir einige der wichtigsten Prozesse für das Rapid Tooling im Überblick dargestellt. Welche Branchen profitieren also von diesen Techniken?

Automotive Design & Prototyping

Der Automotive-Prototyping-Prozess ist langwierig und teuer, aber ein besserer Einsatz des schnelleren, weniger aufwändigen Rapid Tooling könnte den Zeit- und Kostenaufwand für den Bau von Prototypenteilen reduzieren und die Markteinführung beschleunigen.

Luft- und Raumfahrtfertigung

Da die Luft- und Raumfahrtfertigung typischerweise mit kleinen Losgrößen verbunden ist, ist sie ideal geeignet für Werkzeuge, die zur Herstellung kleinerer Stückzahlen gedacht sind. Aufgrund der hohen Kosten, der teuren Materialien und der komplexen Designanforderungen von Komponenten in der Luft- und Raumfahrt sind auch additive Fertigungsprozesse eine geeignete Lösung.

Prototyping in der Medizintechnik

Aus offensichtlichen Gründen unterliegen Medizintechnikprodukte extensiven regulatorischen Vorschriften. Durch die Beschleunigung der Herstellung von Funktionsprototypen können Medizintechnikhersteller klinische Studien erfolgreich abschließen und ihr Produkt dank Medical Device Prototyping schneller auf den Markt bringen.

WayKen Rapid Manufacturing hat diesen Beitrag gesponsert. Alle geäußerten Meinungen sind meine eigenen. – Isaac Maw