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Die Forderung des globalisieren Marktes insbesondere für alle in Hochlohnländern produzierenden Unternehmen und Formenbauer ist so einfach wie gnadenlos. Eine exzellente Qualität des Spritzteils wird als selbstverständlich vorausgesetzt. Und das bei einem ständig wachsenden Kostendruck. Damit sind die Anforderungen, die an das Spritzgießwerkzeug gestellt werden klar: beste Spritzteilqualität bei gleichzeitig kürzester Zykluszeit. Zudem sollen alle Komponenten kavitätsseitig- wie auch auf der „heißen Seite“ über die gesamte Lebensdauer des Spritzgießwerkzeuges möglichst unbeanstandet funktionieren.
Um die thermischen Anforderungen zu erfüllen ist eine hohe Wärmeleitfähigkeit des gewählten Werkstoffes eine wichtige Voraussetzung. Diese Voraussetzung erfüllen die hochwertigen Hovadur® - Kupferlegierungen der Schmelzmetall AG.
Das Unternehmen wurde im Jahre 1959 im kleinsten Kanton der Schweiz, im Kanton Uri in Gurtnellen, gegründet. Von Beginn an lag der Fokus auf der Entwicklung von Kupfer-Legierungen mit den für diese Legierungen bestmöglichen Eigenschaften. Die von der Schmelzmetall AG hergestellten Hovadur® - Legierungen werden in einer Einheit im Vakuum erschmolzen und vergossen. Hierdurch verhindern wir die Kontamination mit Sauerstoff- und Wasserstoff, die als die Hauptursache für die Sprödigkeit derartiger Legierungen anzusehen ist. Als Ausgangswerkstoffe werden nur reinste Elemente, wie Nickel, Chrom oder Kobalt und Master-Legierungen eingesetzt. Am deutschen Standort, der Schmelzmetall Deutschland GmbH, wurde zudem ein CNC-Bearbeitungszentrum aufgebaut um flexibel und schnell Kundenwünschen- und Anforderungen gerecht zu werden.
Um zu verstehen, warum die Wärmeleitfähig eine entscheidende Rolle spielt bedienen wir uns der folgenden Gleichung
Q = ∆T * λ * A/s
Q ist dabei die transportierte Wärmemenge. Wirklich beeinflussbar sind dabei nur die Wärmeleitfähigkeit (λ ) des an der Wärmeleitung beteiligten Werkstoffes sowie der Weg s zum Kühlkanal. Beide Möglichkeiten bieten wir heute in Verbindung mit unseren Legierungen.
Als ein innovatives Unternehmen ist es für uns selbstverständlich, das wir bestrebt sind die Möglichkeiten der Kupfer-Legierungen stets weiter zu entwickeln. So sind und waren wir in diversen geförderten Entwicklungsprojekten aktiv. Im Rahmen dieser Projekte wurden über einen mehrjährigen Zeitraum sowohl das Laserstrahl-Auftragsschweißen (LMD- Laser Metal Deposition) wie auch das Laser-Generieren (SLM – Selective Laser Melting) entwickelt.
Im Rahmen des in Deutschland bekannten „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)“ des BMWi wurden unter dem Arbeitstitel: Innovative Maschinenkomponenten aus Kupferwerkstoffen mit lokalem Verschleißschutz durch Laserstrahl-Auftragschweißen für das Spritzgießen von Kunststoffen mehrere Komponenten beleuchtet, wie etwa:
- Maschinendüse
- Anguss-Düse
- Anguss-Spitze
Maschinedüse
Die Maschinendüse, als das Bindeglied zwischen Extruder und Spritzgießwerkzeug, hat ganz besondere Anforderungen zu erfüllen. So muss der Kunststoff über die Maschinendüse möglichst ohne Temperaturverlust, in das Spritzgießwerkzeug transportiert werden. Bei verlängerten Maschinendüsen aus Stahl ist daher eine externe Beheizung unumgänglich. Müssen diese tief ins Werkzeug eintauchen ist zudem kein Platz für eine externe Beheizung gegeben. Maschinendüsen, die nur aus einer Kupferlegierung gefertigt werden zeigen sehr schnell einen nicht akzeptablen Verschleiß-Rissbildung an der Düsenspitze. Mit jedem Schuss werden diese an das Spritzgießwerkzeug angeschlagen. Aufgrund des Unterschieds im thermischen Ausdehnungskoeffizienten ergeben sich Probleme am Gewinde, mit dem die Düse in den Extruder eingeschraubt ist.
Die hier beschriebenen Maschinendüsen werden daher so ausgeführt, das der Düsenkörper aus einer Kupferlegierung besteht, die Düsenspitze und das Gewinde verschleißgeschützt ausgeführt werden. So dass der Gewindebereich in Stahl und die Düsenspitze meist aus einer sehr verschleiß- und korrosionsbeständigen Kobaltbasislegierung ausgeführt ist. So läuft bei der in den Extruder eingeschraubten Maschinendüse das Gewinde Stahl in Stahl! Der Materialauftrag erfolgt dabei mittels Laserstrahlauftragsschweißen.
LMD optimierte Maschinendüse
Anguss-Düse
Die Anguss-Düse als eine Komponente im Heißkanalsystem bei der der Hauptverschleiß- bereich, der vordere kavitätsnahe Bereich ist, muss in diesem besonders verschleißgeschützt ausgeführt sein. Mittels Laserstrahlauftragsschweißen sollte ein frei von Rissen oder Lunker geeigneter Verschleißschutz realisiert werden, der die einwandfreie Funktion im Praxiseinsatz sicherstellt. Werden diese Bauteile doch mit Einspritzdrücken von 2.000 bar und höher belastet. Im Weiteren muss ein zu hoher Wärmeeintrag in die Kavität meist vermieden werden.
Anguss-Düse Hovadur® K265 plus Stellite 21
Der vordere Bereich der im Bild dargestellten Anguss-Düse wurde mittels Stellite 21 ausgeführt. Wird dieser Bereich zu Großzügig gewählt kann es dazu führen, das dem Kunststoff zu viel an Wärme entzogen wird und es zu Vorerstarrung oder Kristallisation kommt.
Daher wurde im Rahmen des Projektes in einem weiteren Entwicklungsschritt mit den Experten am Fraunhofer Institut für Lasertechnik FhG-ILT in Aachen eine alternative Lösung erarbeitet. So gelang es in einer Matrix aus eine Hovadur® - Legierung einen hohen Anteil an TiC einzubringen. Das Titancarbid übernimmt so die Aufgabe des Verschleißschutzes.
Anguss-Spitze
Die folgende Grafik zeigt die Positionierung der Anguss-Spitze als Komponente im Heißkanalsystem am Beispiel eines Spritzgießwerkzeuges für Verschlüsse. Die Spitze dieses Bauteils dichtet in dem Anguss-Einsatz und ist während des Einspritzvorganges aufgrund der hohen Einspritzdrücke besonders hoch belastet.
Das Bild zeigt eine entsprechend optimierte Anguss-Spitze, bei der der vordere Bereich mittels Mikroauftragsschweißen mit Stellite 6 hoch verschleißfest ausgeführt wurde
Konturnahe Temperierung
Das direkte Laserformen, auch als Lasercusing oder Slective Laser Melting bekannt, ist ein Pulverbett basiertes generatives Fertigungsverfahren. Bei diesem werden Bauteile in Schichten von ca. 50 µm erstellt.
In einem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderten Vorhaben 16IN0587; „InnoSurface“, unter dem Arbeitstitel: „Entwicklung von innovativen Werkzeugen auf der Basis oberflächenfunktionalisierter generativer gefertigter Formeneinsätze“ wurde der SLM Prozess auch für eine Hovadur® - Legierung entwickelt.
Dies versetzt uns in die Lage, die hohe Wärmeleitfähigkeit mit konturnaher Kühlung zu koppeln und so die kürzest mögliche Zykluszeit zu realisieren. Die Arbeiten im Projekt wurden an einem am Süddeutschen Kunststoffzentrum vorhandenen Vierfach-Werkzeug, ein Teelichtbecher-Werkzeug, in enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Lasertechnik in Aachen ausgeführt.
In Abhängigkeit der Laserleistung ist es gelungen Dichten von über 99,5% gesichert zu realisieren.
Lichtmikroskopische Aufnahme, polierter Querschliff, Hovadur® K220; Laserleitung: 800 W
Mit der entsprechend angepassten Wärmebehandlung lassen gesichert Eigenschaften in generativ gefertigten Bauteilen erzielen, die denen der oberen Datenblatt-Werte für Hovadur® K220 entsprechen.
Vergleichende Untersuchungen zur Zykluszeit an dem oben erwähnten Teelichtbecher-Werkzeug haben gezeigt, das eine weitere Reduzierung der Zykluszeit um bis zu 10% möglich ist. Quelle: Abschlussbericht InnoSurface – Projekt 16IN2587.
Anguss-Einsatz und Formkern
Nun wäre es vermessen zu behaupten, das in jedem Falle und für alle Bauteile die generativen Verfahren vollumfänglich auch wirtschaftlich sind. Von daher war es unser Bestreben und auch die Forderung des Marktes, Bauteile auf hybride Weise herstellen zu können. Hierbei sollte der konventionell einfach zu fertigen Teil des Bauteils auch auf konventionelle und somit wirtschaftlich günstig Weise erstellt werden und nur der Bereich, der sehr komplex und oder mit konturnaher Kühlung ausgeführt sein muss, auf generativem Wege zu fertigen. Wesentlich dabei ist es darauf zu achten, das die erste generative Lage Riss- und Lunkerfrei mit dem konventionell gefertigten Part angebunden ist.
Auf diese Weise wurden Bauteile wie ein Formkern und der Anguss-Einsatz (siehe Grafik) erstellt. Diese hybride Bauweise ist jedoch nicht nur für artgleiche Werkstoffe möglich sondern, wie am Beispiel Anguss-Einsatz zusehen, auch für die Kombination mit Stahl möglich. Bei der Auswahl des Stahls ist darauf zu achten, dass die Wärmebehandlungsparameter auf die Hovadur® - Legierung abgestimmt sein müssen. In Bild 5 sind diese Bauteile zu sehen.
Formkern und Anguss-Einsatz in Hybridbauweise
Zusammenfassung
Stets war es unser Bestreben die Einsatzmöglichkeiten der von uns hergestellten Hovadur® - Legierungen immer weiter auszudehnen. Welche Möglichkeiten durch die neuen generativen Verfahren, sei es Pulver-Düse oder Pulver-Bett basierend, heute angeboten werden können, wurde anhand verschiedenen Bauteile aufgezeigt. Das Team der Schmelzmetall AG steht Ihnen hierzu jederzeit gerne beratend zu Seite und begleitet die Umsetzung bis zur Serienreife.
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SCHMELZMETALL AG
