3D-gedruckte Werkzeuge im Materialkreislauf
Forschungseinrichtung: Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
Werkzeuge, Vorrichtungen und Schalungselemente werden heute typischerweise aus dem Vollen, also aus großen Materialblöcken gefräst. Dies geht mit einem hohen zeitlichen Aufwand, hohen Kosten, einem hohen Spanvolumen und somit auch einer schlechten Ressourceneffizienz einher. Die vornehmlich eingesetzten geschäumten PUR-Blöcke sind zudem umweltbelastend, da ein Recycling von PUR-Material nur unter sehr hohem Energieaufwand möglich ist und das anfallende Spangut sowie defekte Werkzeuge und Vorrichtungen dadurch wirtschaftlich sinnvoll nur thermisch verwertet werden können.
Der Einsatz geeigneter additiver Fertigungsverfahren erlaubt im Vergleich zum herkömmlichen subtraktiven Fertigungsansatz das Potenzial, über den gesamten Lebenszyklus solcher Werkzeuge und Vorrichtungen hinweg, Ressourcen, Kosten und CO2-Emissionen einzusparen. Hier bietet das granulatbasierte additive „SEAM“-Verfahren (Screw Extrusion Additive Manufacturing) die Möglichkeit, automatisiert mittels hoher Aufbauraten Werkzeuge und Formen in einer materialeffizienten Sandwichbauweise mit integrierten Funktionen endkontournah zu fertigen, wodurch die notwendige Nachbearbeitung (Fräsen/Schleifen) auf ein minimales Spanvolumen reduziert werden kann. Eine additive Fertigung mit anschließender subtraktiver Nachbearbeitung in einer Aufspannung erlaubt zudem, Zeit und somit Kosten zu verringern. Weiterhin leisten vor allem die hohl strukturierte Sandwichbauweise sowie Struktur- und Topologie-Optimierungen schon während des additiven Aufbaus des Formwerkzeugs einen Beitrag zur Materialeinsparung. Dazu wird durch den Einsatz eines geeigneten faserverstärkten, recyclebaren Thermoplasts die Möglichkeit geschaffen, den Stoffkreislauf zu schließen, indem hergestellte Werkzeuge und Formen nach ihrem Lebenszyklus-Ende zerkleinert und als Kunststoff-Rezyklate dem Kreislauf wieder zugeführt werden.
Die Entwicklung eines Kreislaufprozesses zur Herstellung von strukturoptimierten Formwerkzeugen für die Herstellung von FVK Bauteilen ist ein erster Schritt zur Reduktion von Ressourcen und CO2-Emissionen. Die Lagerung von Werkzeugen entfällt, stattdessen erflogt eine Weiternutzung der Materialien im Kreislauf (digitales Warenlager). Ferner müssen die einzelnen Prozesse weiterentwickelt, optimiert und industrialisiert werden. Eine Steigerung des rezyklierten Anteil ist in Erprobung. Die Übertragung der Erkenntnisse auf weitere Applikationen sowie Polymere vorgesehen.
Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU ist treibende Kraft für Forschung und Entwicklung in der Produktionstechnik. Mit rund 670 hochqualifizierten Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern sind wir an den Standorten Chemnitz, Dresden, Leipzig, Wolfsburg und Zittau vertreten. Wir erschließen Potenziale für die wettbewerbsfähige Fertigung im Automobil- und Maschinenbau, der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Elektrotechnik sowie der Feinwerk- und Mikrotechnik. Im Fokus von Wissenschaft und Auftragsforschung stehen Bauteile, Verfahren und Prozesse sowie die zugehörigen komplexen Maschinensysteme und das Zusammenspiel mit dem Menschen – die ganze Fabrik.
Dr. Martin Kausch, Abteilungsleiter
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