Werkzeuge spielen in der Fertigungsindustrie die Rolle von unauffälligen Helden, die unzähligen Produkten ihre Form verleihen. Dennoch ist es ein großer Fehler anzunehmen, dass alle Werkzeuge gleich sind. Es ist vergleichbar mit dem Unterschied zwischen Werkzeugen, die zur Formgebung von Metall eingesetzt werden, und solchen, die zur Formgebung von Kunststoff verwendet werden – beide sind völlig unterschiedliche Konstruktionen, die speziell auf das jeweilige Materialverhalten und die Anforderungen der Produktfertigung abgestimmt sind. Ingenieure, Designer und Hersteller sollten daher die wesentlichen Unterschiede zwischen Metallstanzwerkzeugen und Kunststoffverarbeitungswerkzeugen kennen.
1. Die Kernherausforderung: Materialverhalten
Metallumformwerkzeuge: Diese Werkzeuge stehen vor dem Problem der plastischen Verformung im festen Zustand. Zwischen den Werkzeugkomponenten wird ein Metallblech oder Metallcoil (z. B. Stahl, Aluminium, Kupfer) platziert. Durch den Einsatz von hohem Druck (Presskraft) wird das Metall dauerhaft verformt, es biegt sich, dehnt sich, schneidet oder zieht sich in eine gewünschte Form, ohne zu schmelzen. Dabei liegt das Hauptaugenmerk darauf, die Streckgrenze des Metalls zu überwinden und das Federndes Metalls (die Tendenz des Metalls, in seine ursprüngliche Form zurückzukehren) zu kompensieren.
Kunststoffverarbeitende Werkzeuge (Formen): Diese arbeiten mit geschmolzenem oder stark weichgemachtem Material. Die Kunststoffpellets werden so lange geschmolzen, bis sie wie eine viskose Flüssigkeit fließen können. Dieses Schmelzmaterial wird anschließend unter Druck eingespritzt oder in einen Formhohlraum gepresst. Der Kunststoff erstarrt in der Form und nimmt seine endgültige Gestalt an. Dies geschieht aufgrund der Schwierigkeiten, die Strömungsdynamik zu kontrollieren, sicherzustellen, dass der Hohlraum vollständig gefüllt wird, den Abkühlprozess so zu steuern, dass Fehler wie Vertiefungen oder Verzug minimiert werden, und die Entnahme des erstarrten Teils problemlos erfolgen kann.
2. Prioritäten beim Konstruieren und Bau von Werkzeugen
Metallumformwerkzeuge:
●Festigkeit und Verschleißwiderstand: Von höchster Bedeutung. Werkzeuge müssen massiven Belastungen standhalten, häufig wiederholtem Ein- und Ausfahren sowie dem abrasiven Abrieb bewegter Metallkontakte. Typischerweise werden Werkzeugstähle (wie D2, A2) oder sogar Hartmetall verwendet, die oft auf eine sehr hohe Härte nach Rockwell C gehärtet werden.
●Präzisionsfreiraum: Beim Schneidvorgang ist ein sehr geringer Abstand zwischen Stempel und Matrize erforderlich, um übermäßigen Grat und/oder Schäden an den verwendeten Werkzeugen zu vermeiden.
●Druckübertragung: Das Design zielt darauf ab, große Presskräfte effizient zu übertragen, unter Verwendung stabiler konstruktiver Elemente (Stempel, Matrizenblöcke, Wangen).
●Oftmals: Stanzwerkzeuge vieler Formen, insbesondere solche im Biege- oder Schneidmodus, benötigen nicht die aufwendige Komplexität von Kunststoffformen.
●Kunststoffverarbeitungswerkzeuge (Formen):
●Komplexe Kavität und Kern: Die Form bestimmt die komplexe äußere (Kavität) und innere (Kern) Geometrie des betreffenden Kunststoffteils. Die Komplexität kann sehr hoch sein.
●Kühlsystem: Ein internes Kühlmittelsystem (Wasser- oder Ölkanaele) ist unerlässlich. Optimales, gleichmäßiges Kühlen steht in direktem Zusammenhang mit Zykluszeit und Teilequalität.
●Anbindesystem: Die Sprue, Läufer und Gatter, durch die das geschmolzene Kunststoffmaterial aus der Düse der Maschine in den Hohlraum gelangt. Das Design beeinflusst Strömungsmuster, Fülldruck und das Erscheinungsbild der Bauteile.
●Austreibersystem: Stifte, Hülsen oder Heber werden sorgfältig positioniert, um das abgekühlte Teil aus dem Werkzeug zu entfernen, ohne es zu beschädigen.
●Entlüftung: Die Entlüftung erfolgt über kleine Kanäle oder Löcher, die eingeschlossene Luft entweichen lassen, sobald das Schmelzmaterial in den Hohlraum eintritt, um Verbrennungen oder unvollständiges Füllen zu vermeiden.
●Material: Es kann sich um gehärtete Werkzeugstähle (P20, H13, S7) oder verschiedene Arten von Edelstahl handeln, wobei auch Oberflächenfinish und Korrosionsbeständigkeit (insbesondere bei bestimmten Kunststoffen) wichtige Faktoren darstellen.
3. Die Produktionsumgebung
Metallumformung: Dies erfolgt üblicherweise auf einer mechanischen oder hydraulischen Presse. Die Vorgänge sind in der Regel äußerst schnell (hunderte von Teilen pro Minute können zu einfachen Komponenten verarbeitet werden). Dies ist normalerweise ein Kaltumformverfahren, obwohl es einige spezielle Umformverfahren gibt, bei denen eine Beheizung erforderlich ist. Reibung und Verschleiß werden oft durch Schmiermittel reduziert.
Kunststoffverarbeitung: Kunststoffe werden vorwiegend mit Hilfe von Spritzgießmaschinen, aber auch durch andere Verfahren wie Blas- oder Pressformverfahren verarbeitet. Der Prozess selbst beinhaltet eine erhebliche Wärmemenge: das Schmelzen des Kunststoffs, gefolgt von seiner Abkühlung in der Form. Ein Zyklus kann je nach Größe des Bauteils und Wanddicke zwischen Sekunden und Minuten variieren. Die Kühlleistung hat großen Einfluss auf die Zykluszeit. Schmiermittel können verwendet werden, allerdings nicht so universell wie bei Umformprozessen.
4. Lebensdauer & Verschleißmechanismen
Metallumformwerkzeuge: Abrasiver Verschleiß – hauptsächlich Metall gegen Werkzeugstahl, adhäsiver Verschleiß – Kaltverschweißung. Kerben können stumpf werden. Aufgrund hoher zyklischer Belastungen kann Ermüdungsbruch auftreten. Wartung umfasst Schärfen, Austausch abgenutzter Bereiche oder das Einsetzen von Einsätzen. Die Lebensdauer wird traditionell in Hunderttausenden oder Millionen von Schlägen gemessen, bei gut gewarteten Werkzeugen.
Kunststoffverarbeitungswerkzeuge (Formen): Die auftretenden Verschleißarten sind abrasiv durch Füllstoffe in Kunststoffen, Korrosion durch bestimmte Polymere oder Kühlwasser sowie potenziell Erosion durch Hochgeschwindigkeits-Kunststoffschmelze. Eine optische Eigenschaft, die durch Abnutzung der Politur auf der Kavitätsoberfläche beeinflusst wird, ist das Erscheinungsbild des Teils. Wartung beinhaltet Politur, Beseitigung von Oberflächenschäden sowie das Freimachen der Kühlkanäle oder Kühllüftung. Die Lebensdauer ist ebenfalls generell sehr lang (Hunderttausende bis Millionen von Zyklen), ist jedoch äußerst empfindlich gegenüber der Art des verwendeten Kunststoffs sowie der Wartung.
Warum der Unterschied wichtig ist
Die falsche Wahl der Werkzeuggestaltungsphilosophie in Bezug auf das Material ist eine Anlage für das Scheitern. Ein Werkzeug, das zum Stanzen von Metall verwendet wird, verfügt nicht über diese Kühlkanäle und das Gating, die für Kunststoff erforderlich sind. Ein Abdruck in Kunststoff würde den Vibrationen beim Stanzen von Stahl nicht standhalten. Dies sind die grundlegenden Unterschiede: Festkörperverformung und Schmelzverarbeitung, der Bedarf an optimierter Kühlung und sorgfältiger Passung, Fluss- und Rückfederungsmanagement, die verstanden werden müssen, um
● Effektive, langlebige Werkzeuge zu konstruieren.
●Fertigungsprozesse zu optimieren.
●Werkstoffe für das Werkzeug selbst geeignet auszuwählen.
●Bei Produktionsproblemen effizient zu analysieren und zu beheben.
●Kosten für Werkzeuge und Bauteile genau einzuschätzen.
Obwohl beide Arten von Werkzeugen präzise Instrumente sind, die bei Massenproduktionsbemühungen erforderlich sind, werden ihr Design, ihre Konstruktion und Funktionalität von grundlegend unterschiedlichen physikalischen Prinzipien bestimmt, bei denen Metalle und Kunststoffe durch die Rohbearbeitung in das fertige Bauteil umgewandelt werden. Dies ist eine grundlegende Unterscheidung, die große Chancen in der Fertigung eröffnet.