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Der Formenbau ist ein Spezialgebiet des Werkzeugbaus und stellt Werkzeuge (Formen) für die Massenproduktion her.
In der Massenproduktion hergestellte Gegenstände werden in der Technik, im Haushalt usw. verwendet. Mit Hilfe von Formen ist ab einer gewissen Mindeststückzahl eine kostengünstige und schnelle Teileherstellung gewährleistet. Der Formenbau beschäftigt sich hauptsächlich mit der Herstellung von dreidimensionalen, aber auch zweidimensionalen Formen. Die eigentliche Form besteht in der Regel aus gehärtetem oder vergütetem Werkzeugstahl oder aus Hartmetall. Die meistens sehr genauen Formkonturen werden mit Hilfe von verschiedenen Werkzeugmaschinen eingearbeitet.
Verfahren
Der Formenbau dient der Herstellung von Werkzeugen (Formen) für verschiedenste Verfahren:
Spritzgießen (Verarbeitung von Kunststoff) (Thermoplast - Duroplast - Elastomer)
Druckgießen (Verarbeitung von Nichteisen-Legierungen, z. B. Aluminium, Magnesium und Zink)
Spritzpressen
Formpressen
Strangpressen
Gesenkschmieden (Verarbeitung von Metall)
Diese Verarbeitungsverfahren können wiederum in Kombination miteinander verwendet werden. Auch können komplett verschiedene oder ähnliche Materialien in nacheinender folgenden Prozessen kombiniert verarbeitet werden.
Formbestandteile
Der Formenbau hat unter anderem die Aufgabe, die verschiedensten Werkstücke nach Konstruktionszeichnung und NC-Daten herzustellen, die zusammen mit eingekauften Normteilen und Normalien ein komplettes Werkzeug ergeben. Insgesamt kann eine fertig montierte Form aus bis zu mehreren hundert Einzelteilen Formbestandteilen bestehen. Eine Form (Werkzeug) besteht mindestens aus einer Matrize, welche das Negativ der Außenform für das herzustellende Massenteil bildet. Um die Innenform dieses Teils zu bilden wird der so genannte Kern benötigt. Ein Kern und eine Matrize bilden gemeinsam eine Kavität.
Der Formaufbau besteht aus mehreren Teilen und dient verschiedensten Funktionen. Matrize und Kern werden darin in abgestimmter Position zu einander festgehalten. Das Werkzeug kann mit Hilfe von Aufspannplatten einfacher auf der Verarbeitungsmaschine befestigt werden. Auch ein Angusssystem (Heißkanal) und die Ausstoßerei befindet sich im Aufbau. Daneben erfüllt der Formaufbau aber noch weitere Funktionen.
Entformung
Je nach Verfahren wird ein herzustellendes Massenteil anders entformt. Zum Teil werden komplizierte Mechanismen angewendet, um ein Teil aus dieser Form wieder herauslösen zu können. Die kompliziertesten Mechanismen werden beim Spritzgießen und beim Druckgießen angewendet. Neben ganz gewöhnlichen Ausstoßern oder Abstreifern werden Schieber, Schrägausstoßer oder sogar Zusammenfallkerne verwendet, um Hinterschnitte entformen zu können. Diese Entformungsvarianten können auch miteinander kombiniert werden.
Schwindung
Damit die verschiedenen Materialien (Werkstoffe) in der Massenfertigung verarbeitet werden können, müssen diese erwärmt werden oder es entsteht bei der Verarbeitung Wärme. Beim Abkühlen wird dabei das endgültige Werkstück etwas kleiner. Diese Verkleinerung nennt man Schwindung (Schwund). Die Schwindung hängt hauptsächlich vom verwendeten Material, aber auch vom angewendeten Verfahren, dessen Verarbeitung und weiteren Faktoren ab. Die Schwindung muss bei der Herstellung einer Form berücksichtigt werden. Das heißt, dass eine Kontur (jedes Maß) um einen bestimmten Prozentsatz vergrößert werden muss. Dies wird in der Konstruktion berücksichtigt. Bei stark formunterschiedlichen und unsymmetrischen Konturen wird oftmals auch ein so genanntes Puschen der Kontur notwendig. Damit wird die Maßhaltigkeit bei unterschiedlicher Längs- und Quer-Schwindung verbessert.
Oberflächenbeschaffenheit
Ein Massenteil weist immer eine ganz bestimmte Oberflächenbeschaffenheit und Rauheit auf. Diese Oberflächenbeschaffenheit muss beim Herstellen einer Form berücksichtigt werden. Je nach Bedürfnis des Endkunden wird die Oberfläche einer Form poliert, nach einem bestimmten Muster strukturiert (z. B. ätzen oder sandstrahlen) oder im angewendeten Herstellungsverfahren der entsprechenden Werkzeugmaschine belassen.
Wichtige Funktionen in einer Form:
Angusssystem
Der Anguss bzw. das Angusssystem dient dazu, die vom Plastifizierzylinder kommende, aufgeschmolzene Formmasse aufzunehmen und in den Werkzeughohlraum zu leiten. Der Anguss, insbesondere seine Gestalt, seine Abmessung und seine Anbindung an den Spritzling, beeinflusst den Werkzeugfüllvorgang und damit weitgehend auch die Qualität eines Spritzteils. Die Auslegung nach rein wirtschaftlichen Gesichtspunkten (z.B. schnelles Einfrieren und kurze Zyklenzeiten) steht den Qualitätsanforderungen in vielen Fällen, insbesondere bei technischen Teilen, entgegen.
Der Anguss bzw. das Angusssystem besteht in der Regel aus mehreren Segmenten. Dies wird besonders deutlich bei Mehrfachwerkzeugen. Das Angusssystem besteht aus:
- dem Angusskegel, auch Angusszapfen oder Angussstange genannt,
- dem oder den Angusskanälen, auch Angussspinne oder Angussverteiler genannt,
- und dem Angusssteg, dessen Querschnitt am Eintritt in das Formnest "Anschnitt"
genannt wird (DIN 24450).
Der Angusskegel übernimmt die plastische Formmasse unmittelbar von der Düse, die den Plastifizierzylinder abschließt, und führt sie auf die Werkzeugebene, auf der er im allgemeinen senkrecht steht. Bei Einfachwerkzeugen bildet er vielfach allein das gesamte Angusssystem. Man spricht dann vom sogenannten Stangenguss.
Der Angusskanal ist der Teil des Angusssystems, der den Angusskegel mit dem oder den Angussstegen verbindet, Seine wesentliche Aufgabe besteht also, insbesonders bei Mehrfachwerkzeugen, darin, die Schmelze zu verteilen, und zwar derart, dass Material gleichen Zustands (gleicher Druck und gleiche Temperatur) gleichzeitig die Werkzeughohlräume füllt.
Angussarten: Stangen- oder Kegelanguss, Band- oder Filmanguss, Schirmanguss, Ringanguss, Tunnelanguss
Ausstoßer (Auswerfer)
Die Ausstoßer- oder Auswerfereinheit dient der Entformung eines gespritzten oder gegossenen Teiles. Es besteht im Wesentlichen aus einer Ausstoßerplatte und einer Halteplatte sowie von der Teilekontur abhängigen Anzahl, in der Regel runden Auswerfern. Die von der Halteplatte durch einen Bund festgehaltenen Auswerfer werden via Ausstoßbolzen und Ausstoßerplatte nach vorne geschoben, um das Teil aus der Form auszuwerfen respektive auszustoßen.
Bei komplexeren Formteilkonturen kann der Ausstoßer auch aufwändigere Funktionen wie Schrägausstoßer, Konturausstoßer, Hülsenauswerfer oder Flachauswerfer beinhalten. Der Ausstoßer ist in der Regel durch Endschalter abgesichert um Fehlern im Programmablauf und damit einer Beschädigung der teuren Formpartien vorzubeugen.
Schieber
Schieber dienen dazu, Partien zu entformen, die nicht in normaler Entformungsrichtung entformt werden können. Das heißt, dass das gespritzte oder gegossene Teil nicht durch das alleinige Öffnen der Form in der so genannten Trennebene entformt werden kann. Diese Partien nennt man Hinterschnitte.
Solche Hinterschnitte am Formteil können eine Form massiv verteuern, auch wenn diese nur sehr klein sind. Die Lage des Hinterschnittes, welche die Richtung der Entformung angibt, ist mitbestimmend für den Aufwand zur Herstellung eines Werkzeuges.
Schieber werden entweder mechanisch durch Schrägzugbolzen während des Öffnens der Form oder hydraulisch betätigt, um das Spritzteil oder Gussteil bei den Hinterschnitten zu befreien.
Kühlung oder Heizung (Temperierung)
Die Kühlung einer Form bestimmt wesentlich die Zykluszeit in der Produktion und damit die Kosten des herzustellenden Serienteiles. Je besser die Kühlung, desto kürzer ist die Zykluszeit. Auch der Teileverzug und damit die Qualität des gespritzten oder gegossenen Teiles kann damit beeinflusst werden.
In bestimmten Situationen ist auch eine Heizung notwendig, um zum Beispiel eine Form auf eine gewisse Temperatur für das Giessen zu bringen
Aufspannung
Um eine Form in der Gießmaschine zu befestigen dient in der Regel beidseitig eine Aufspannplatte. Diese wird meistens mit Spannnuten versehen, die auf den entsprechenden Maschinentyp abgestimmt sind.
Die heutige Fertigung verlangt immer schnellere Wechsel der Produkte und damit kleinere Serien, die hergestellt werden (Just-in-Time). Bei den damit verbundenen häufigen Wechseln der Form auf der Produktionsmaschine kann ein Schnellspannsystem sinnvoll sein. Dieses vereinfacht die Aufspannung und den schnellen Anschluss von Kühlung, Hydraulik oder Pneumatik.
Mikroformenbau
Die Mikrosystemtechnologie ist ein Markt mit einer der größten Wachstumsraten weltweit und hat inzwischen den Weg aus den Laboren in die Serienfertigung gefunden. Diese fortschreitende Miniaturisierung von Bauteilen stellt neue Herausforderungen an den Werkzeug- und Formenbau.
Das Fräsen nimmt in der Herstellung von Mikroformen und -werkzeugen eine Schlüsselposition ein. Im Vergleich zu anderen Verfahren, wie z.B. dem Schleifen, Erodieren, Lasern oder den Fertigungsverfahren aus der Halbleitertechnik weist es verschiedene Vorteile auf:
Bearbeitung von Werkzeugstählen
hohe Geometriefreiheit
Nutzung vorhandener CAD/CAM-Infrastrukturen
geringe Umweltbelastung durch Betriebsmittel
relativ geringe Investitionen
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