Additiv gefertigte Werkzeugkerne als Lösungsansatz für segmentierte Kühlprobleme im Spritzguss

Segmentierte Werkzeugbereiche gehören zu den anspruchsvollsten Zonen im Spritzguss. Gerade bei Bauteilen, die zur Erhöhung der Stabilität ausgeprägte Rippenstrukturen benötigen, entstehen geometrisch bedingte Einschränkungen bei der Werkzeugkühlung. In der industriellen Praxis führt dies häufig zu:

• eingeschränkter oder vollständig fehlender aktiver Kühlung,

• inhomogener Temperaturverteilung innerhalb der Segmente,

• erhöhten Zykluszeiten und

• lokalen Hotspots mit Risiken für Einfallstellen oder verzögerte Kristallisation.
  

Traditionell wird versucht, diese Problematik durch den Einsatz von Werkstoffen mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit zu kompensieren. Solche Materialien bieten zwar zunächst Vorteile im Wärmehaushalt, sind jedoch in segmentierten Bereichen nur eingeschränkt wirksam, da die Wärmeableitung letztlich passiv erfolgt. Zusätzlich bringt diese Werkstoffklasse häufig eine geringere Verschleiß- und Prozessbeständigkeit mit sich und zeigt Nachteile in der Bearbeitbarkeit – insbesondere beim Erodieren und Drahterodieren.

Thermische Herausforderungen in segmentierten Werkzeugbereichen

Bei Rippen- oder Segmentgeometrien liegen die entscheidenden Herausforderungen insbesondere im Wärmeabtransport. Die Kühlkanäle müssen auf engem Raum geführt werden, ohne die strukturelle Integrität des Werkzeugs zu beeinträchtigen. In klassischen Werkzeugen sind die Kühlkanäle daher oft zu weit von der Kontur entfernt oder lassen sich gar nicht platzieren. Die Folge sind Temperaturgradienten und verlängerte Kühlzeiten.

Genau an dieser Stelle setzt der additiv gefertigte Werkzeugkern an: Er ermöglicht die Umsetzung komplexer Kanalführungen, die mit konventioneller Fertigung nicht realisierbar wären.

Additive Lösung: Werkzeugkern mit segmentindividueller Kühlführung

Gemeinsam mit Juri Müller und dem Team von Addition wurde eine Werkzeuglösung entwickelt, die diese Limitierungen gezielt adressiert: Ein im SLM-Verfahren (Selective Laser Melting) additiv gefertigter Stahlkern, dessen Konstruktion jedes einzelne Werkzeugsegment mit einer eigenen aktiven Kühlbohrung versorgt.

Dieses Konzept führt zu mehreren verfahrenstechnischen Vorteilen:

1. Gleichmäßige Kühlung direkt an der Kontur

Durch die Nähe der Kühlkanäle zur konturgebenden Oberfläche wird eine homogene Temperaturverteilung in allen Segmenten erzielt. Lokale Hotspots werden eliminiert.

2. Verbesserte thermische Reproduzierbarkeit

Die gezielte Kühlführung unterstützt eine gleichmäßige Kristallisation und reduziert damit Schwankungen in den Bauteileigenschaften.

3. Potenzial zur deutlichen Reduktion der Kühlzeit

Da die Kühlung nicht mehr passiv, sondern aktiv segmentiert erfolgt, kann die Zykluszeit perspektivisch erheblich verkürzt werden.

4. Mechanisch stabile Werkzeugkomponenten

Trotz der komplexen Kanalgeometrie bleibt die Stabilität der Segmentstruktur vollständig erhalten.

Fertigungskette: Additive Herstellung und präzise Endbearbeitung

Der Rohling wurde bei Addition als durchgängiges, bereits mit Kühlkanälen versehenes Stahlbauteil gedruckt.Die nachfolgenden Prozessschritte erfolgten vollständig bei Faust:

• Fräsen

• Erodieren

• Schleifen

• Drahtschneiden
  

Im Vergleich zu konventionellen Alternativwerkstoffen, deren Bearbeitung insbesondere im Erodierprozess aufwendig sein kann, erwies sich der additiv erzeugte Stahlkern als deutlich besser zerspanbar. Dies führt zu einer spürbaren Reduktion der Nachbearbeitungszeit und damit zu einem insgesamt effizienteren Herstellungsprozess.

Fazit: Additive Fertigung als technologischer Fortschritt im Werkzeugbau

Dieses Projekt zeigt exemplarisch, welches Potenzial die additive Fertigung für komplexe, thermisch anspruchsvolle Werkzeugbereiche im Spritzguss bietet. Durch die Kombination aus modernster additiver Technologie und der präzisen Nachbearbeitung bei Faust entsteht ein Werkzeugkern, der sowohl prozesstechnisch als auch wirtschaftlich klare Vorteile aufweist.

Unternehmen, die mit Hotspots, langen Zykluszeiten oder kritischen Segmentbereichen zu kämpfen haben, profitieren von exakt solchen Lösungen – individuell konstruiert, thermisch optimiert und zuverlässig herstellbar.

Faust verfügt über die Erfahrung, das Netzwerk und die Fertigungskompetenz, um auch komplexe Herausforderungen im Werkzeugbau gezielt zu lösen.