Spritzguss mit PPL-Werkzeugen – Neues generatives Verfahren für Bauteile mit komplexer Innengeometriet

Bei der Neue Materialien Bayreuth GmbH wurden die Grundlagen für ein neues generatives Verfahren mit der Bezeichnung Plattenpresslöten (PPL) gelegt. Das Verfahren beruht auf einer hybriden Kombination von zwei Fertigungsprozessen (Fräsen und Löten) und bietet die Möglichkeit, Werkzeugeinsätze mit komplizierten inneren Kanälen herzustellen. Damit lassen sich etwa konturnahe Kühlung oder variotherme Temperierkreisläufe realisieren, wodurch sich Taktzeiten im Kunststoffspritzguss verringern und Oberflächenqualitäten verbessern lassen. Als Grundwerkstoff dienen beschichtete Metallplatten.

Der Ablauf des hybriden generativen Verfahrens beginnt mit der virtuellen Zerlegung eines dreidimensionalen CAD-Modells mit inneren Konturen in einzelne Schichten mit einer Stärke entsprechend der zu verwendenden Metallplatten (Abbildung 1). Die Metallplatten sind mit einer Lotlegierung beschichtet und die Konturen der jeweiligen Schichten werden ausgefräst. Anschließend werden die Platten passgenau gestapelt und in einer, speziell für diesen Prozess entwickelten, Anlage zum Plattenpresslöten (PPL) gefügt. Als Basis hierfür dient die sogenannte Kontakterwärmung.

Bei der Kontakterwärmung fungieren zwei massive Stahlplatten (auch Kontaktplatten genannt) als Wärmequelle für einen definierten Wärmeeintrag in das aufzuheizende Metallplattenpaket. Von der Umgebung durch eine keramische Hülle isoliert, stellen die Kontaktplatten einen konstant temperierten Energiespeicher dar. Die Aufheizung der gestapelten Metallplatten erfolgt durch direkten Kontakt zu den Kontaktplatten. Über die Schließvorrichtung wird gezielt Druck auf die Platten aufgebracht, wodurch eventuell vorhandene Unebenheiten ausgeglichen werden und somit eine größtmögliche Kontaktfläche zwischen den einzelnen Platten und optimale Wärmeleitung gewährleistet wird.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Plattenpresslötens (PPL)

Im Rahmen eines Forschungsprojektes in Zusammenarbeit mit Hofmann Werkzeugbau GmbH, Grießhammer Werkzeugbau e. K. und der Airbus Stiftungsprofessur für Integrative Simulation und Engineering von Materialien und Prozessen (ISEMP) an der Universität Bremen wurde die Anwendbarkeit des Verfahrens im Werkzeugbau für Kunststoffspritzgussformen erprobt. Abbildung 2 zeigt das zugrundeliegende CAD-Modell sowie den, mit dem neu entwickelten Verfahren gefertigten Werkzeugeinsatz für den Kunststoffspritzguss.

Abbildung 2: CAD-Modell (links) und fertiger Werkzeugeinsatz zur Kunststoffverarbeitung (rechts)

Die Eignung des Verfahrens zur Herstellung von Wechselkassetten für den Spritzguss konnte bereits getestet werden. Abbildung 3 zeigt eine solche Kassette mit den hergestellten Bauteilen (wiederlösbare Kabelbinder) aus thermoplastischem Elastomer.

Das vorgestellte Verfahren bietet ein erhebliches Skalierungspotenzial, um auch Werkzeuge mit größeren Abmessungen herzustellen. Die Fügedauer großflächiger Bauteile liegt dabei im Bereich weniger Stunden.

Abbildung 3: Mit Hilfe von PPL hergestellte Spritzgusskassette