Im Bereich des Formen- und Werkzeugbaus erfreut sich Aluminium wachsender Beliebtheit. Dank weiterentwickelter Werkstoffe und Beschichtungen findet es zunehmend auch Verwendung für höher beanspruchte Serien-Produktionswerkzeuge. Formenbauer und Werkstoffanbieter berichten über ihre Erfahrungen – und geben nützliche Tipps für die Praxis.

„Bei der Herstellung von Formen für PET-Flaschen kann Aluminium seine Vorteile voll ausspielen“, sagt Dipl.-Ing. Jürgen Röders, Geschäftsführer der Firma Röders GmbH in Soltau. Das Unternehmen stellt mit 15 zum größten Teil automatisierten Maschinen aus eigener Herstellung Blasformen für PET Flaschen bis zu einem Volumen von 3 Litern her. Wichtigster Vorteil des Werkstoffs Aluminiums ist bei dieser Anwendung zunächst seine geringe Dichte. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für die Begrenzung der Massenträgheitskräfte beim Öffnen und Schließen der Formen, die sehr schnell laufen müssen: Bei modernen Anlagen liegt der Ausstoß bei mehreren 10.000 Flaschen pro Stunde.

Aus Sicht des Bearbeiters kommen dann beim Aluminium noch weitere Vorteile hinzu. So ist das Material leicht und damit kostengünstig durch Fräsen zu bearbeiten. Gleiches gilt auch für die abschließende Finishbearbeitung durch Polieren. Als zusätzlicher Vorteil erweist sich dabei für Firma Röders das HSC-Fräsen. Die im eigenen Hause entwickelten HSC-Fräsbearbeitungszentren der RXP-Baureihe gestatten es, Freiformflächen in kürzester Zeit mit höchster Genauigkeit zu bearbeiten. Neben den hierdurch bereits beim Fräsen erzielten Kostenvorteilen ergeben sich zusätzlich noch Einsparungen beim abschließenden Polierarbeitsgang, da der Aufwand hierfür auf ein Minimum reduziert werden kann.

Mit Aluminium – schnell zur Form
„Viele Kunststoffteile werden heute sehr kurzfristig in kleineren bis mittleren Stückzahlen benötigt – und hier setzen wir auf Aluminium-Formen“, weiß Robert Hofmann, Geschäftsführer der Modellbau Robert Hofmann GmbH in Lichtenfels. Anschauliches Beispiel hierfür sind unter anderem Mobiltelefone, deren Gehäuse in kürzesten Intervallen mit den Modetrends der Jugendkultur wechseln müssen. Und selbst bei Produkten, deren Massenproduktion in Fernost erfolgt, müssen Referenzdesign-Modelle und Pilotserien im Rahmen der Produktentwicklung in Deutschland gefertigt werden.

Mit dem Speed-System-Tooling-Konzept realisiert Modellbau Hofmann in kürzestmöglicher Zeit die gesamte Prozesskette von der Formauslegung über ihre Herstellung bis zur Lieferung fertiger Teile bzw. montierter Baugruppen. Dabei spielt die gute Bearbeitbarkeit von Aluminium mit Hilfe von modifizierten und optimierten Fräs- und Erodiermaschinen eine Schlüsselrolle. Mit speziell angepassten Werkzeugaufbauten können innerhalb kürzester Zeit Mehrkomponentenspritzgussteile mit SST-Werkzeugen produziert werden.

Beispiel für die Geschwindigkeit, mit der ein solches Projekt realisiert werden kann, sind Belüftungsdüsen für einen PKW-Hersteller, die aus 30 Einzelteilen bestehen. Ab Startschuss bis zur Produktion der ersten Serienteile dauerte es einschließlich Bauteil- und Formauslegung nur 4 Wochen. Nur rund eine weitere Woche benötigte man für die Veredelungsphase, welche sowohl das Bedrucken und Lackieren als auch das Beschriften mittels Laser und die komplette Montage beinhaltete.

Mit Aluminium – kostenoptimal zur Form
„Bei Blasformen für Kunststoffteile sind wir Technologieführer und liefern weltweit“, erläutert Franz-Peter Esser, geschäftsführender Gesellschafter der Firma Kremann und Esser in Kierspe. Mit 60 Mitarbeitern beliefert das Unternehmen Kunden aus den Bereichen Automobil, Verpackungen und Spielwaren mit anspruchsvollen Formen für die Herstellung von großformatigen Blasformteilen wie Fässer und Flüssigkeitscontainer, Kraftstofftanks, Hutablagen oder auch Kfz-Luftkanäle. Bei den hierfür eingesetzten metallischen Serienwerkzeugen stehen die Werkstoffe Aluminium, Stahl und Zink im Wettbewerb. Für Aluminium sprechen dabei Kosten- und Geschwindigkeitsvorteile sowohl bei der Herstellung als auch im Einsatz. Während die volumenbezogenen Rohmaterialkosten von Aluminium und Stahl für eine Form in etwa vergleichbar seien, liege der Zerspanungsaufwand beim Aluminium um rund 40-50 % niedriger. Neben dem reinen Kostenunterschied spielt auch die Realisierungszeit eine entscheidende Rolle, weil viele der Abnehmer unter enormem Zeitdruck stehen, mit ihren neuen Modellen so schnell wie möglich an den Markt zu kommen. Hier könne der Zeitunterschied zwischen den 10-12 Wochen, die man früher für die Fertigung einer Form benötigte, und den heute nur noch 5-7 Wochen geradezu Gold wert sein. Dank dieser Vorteile stieg die Verwendung von Aluminium bei Kremann und Esser in den letzten 15 Jahren zu Ungunsten von Stahl und Zink kontinuierlich an. Beim Zink beispielsweise, das für Formen mit vorgegossener Kavität verwendet wird, sank der Einsatz von früher 120 t/Jahr auf heute nur noch etwa 20 t/Jahr.

Praxistipps
„Zu den wesentlichen Vorteilen des Aluminiums gehört auch die im Vergleich zum Stahl deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit“, weiß Armand Bayer, Leiter Vertrieb des Geschäftsbereichs sauer product der Fa. Sauer & Sohn KG in Dieburg. Gerade für den Kunststoff-Formenbau hat dies erhebliche Bedeutung, weil die Wärmeleitfähigkeit die Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit und damit die Zykluszeit beeinflusst. Aus der Praxis wird über Zykluszeitverkürzungen von bis zu 30 - 40 % vor allem bei dickwandigeren Kunststoffteilen berichtet. Weitere positive Folge der besseren Wärmeleitfähigkeit ist auch die gleichmäßigere Verteilung der Wärme mit entsprechend positiven Auswirkungen auf Formverzug und Teilegenauigkeit.

Obwohl Aluminium von Natur aus weicher und damit auch weniger abriebfest ist als gehärteter Werkzeugstahl, kann dieser Nachteil durch geeignete Oberflächenveredelungen oft soweit ausgeglichen werden, sodaß ausreichende Standzeiten selbst bei Verarbeitung stärker schleißender Kunststoffe erreicht werden. Hierfür stehen unterschiedlichste Verfahren wie Hartanodisieren, Titannitrit-Beschichtung, Vernickeln oder Verchromen zur Verfügung. Zudem gibt es spezielle chemische Überzüge, die das Ausformen erleichtern. Bei Verwendung geeigneter Legierungen können Aluminiumoberflächen zur Erzielung einer ansprechenden Oberflächenstruktur auch tiefgeätzt werden.

Aluminium lässt sich problemlos funkenerosiv bearbeiten, wobei mehrfach höhere Abtragraten im Vergleich zur Stahlbearbeitung erzielbar sind. Auch kommt es nicht zur Ausbildung der beim Stahl auftretenden „weißen Schicht“, die extrem hart ist und entsprechenden Polieraufwand verursacht. Eventuell erforderliche Polierarbeiten können daher auf ein Minimum reduziert werden. Bezüglich der Verarbeitungsparameter wird in der Praxis oft folgende Faustregel sowohl für das Senkerodieren als auch für die Drahterosion verwendet: Impulsstrom und Zündstrom je nach Elektrodenfläche und gewünschter Oberflächengüte wie beim Erodieren von Stahl einstellen, jedoch Impulsdauer etwas reduzieren oder stattdessen die Pausendauer leicht erhöhen.Auch der Nachteil, dass Aluminium unmagnetisch ist und sich daher auf den üblichen Planschleifmaschinen nicht magnetisch spannen lässt, lässt sich in der Weise umgehen, dass die Aluminiumplatten mit Stahlleisten umrahmt werden. Alternativ bieten sich Vakuum-Spannsysteme an. Beim Schleifen sollte man mit reichlich Kühlschmiermittel arbeiten.

Moderne Aluminium-Formenwerkstoffe
„Wesentliche Voraussetzung des Erfolgs, den Aluminium im Formenbau erzielen konnte, war die Entwicklung hochfester, schweißbarer und spannungsarmer Werkstoffgüten in grossen Wanddicken“, erinnert sich Dipl.-Ing. SFI Klaus Mechsner, Anwendungsingenieur Platten bei Aleris Aluminum Koblenz GmbH. Mit eigener Gießerei und eigenem Walzwerk stellt das Unternehmen Aluminiumwerkstoffe mit maßgeschneiderten Eigenschaften her. Je nach Wanddicke kommen dabei unterschiedliche Technologien zum Einsatz: Bis zu einer Plattendicke von 250 mm kann gewalzt und gereckt werden, darüber hinaus wird kaltgestaucht. Zur Gewährleistung eines niedrigen Eigenspannungsniveaus – eine wesentliche Voraussetzung zur Minimierung von Verzug nach der Zerspanung – kommt eine Reckanlage mit einer Zugkraft bis 80 MN (8000 Tonnen) zum Einsatz. Mit Festigkeit und niedrigem Eigenspannungsniveau allein ist es jedoch noch nicht getan, darüber hinaus sind noch weitere Eigenschaften wie Zerspanbarkeit, Polierbarkeit und Fotoätzbarkeit, zu gewährleisten. Dies setzt ein Knetgefüge voraus, welches nur durch Walzen oder Schmieden erzielt werden kann. Entsprechend den unterschiedlichen Einsatzbereichen im Formenbau wurden drei Legierungen mit entsprechenden Eigenschaftsprofilen entwickelt: Der „klassische“ schweißbare Werkstoff Giantal wird in Dicken bis 1000 mm hergestellt und erreicht eine Härte von 75 HB. Er zeichnet sich durch niedriges Eigenspannungsniveau und eine gute Bearbeitbarkeit aus. Eine mit 130 HB deutlich höhere Festigkeit hat Weldural, eine gut schweißbare Legierung, die sich zudem auch für den Einsatz bei höheren Temperaturen eignet und in Dicken bis 700 mm angeboten wird. Noch höhere Festigkeitsanforderungen erfüllt der Werkstoff Hokotol mit einer Härte von 180 HB, der in Wanddicken bis 300 mm verfügbar ist. Bevorzugtes Einsatzgebiet sind neben besonders hoch beanspruchten Kavitäten auch weitere Komponenten mit hohen Festigkeitsanforderungen wie Formrahmen oder Grundplatten.

Schnelle und flexible Aluminiumproduktion
„Unsere Stärke ist die schnelle Reaktion auf spezielle Kundenwünsche auch bei kleineren Abnahmemengen und bei Sondergrößen“, erläutert Horst Bütow, Leiter Verkauf des Walzwerks Meschede der Honsel AG. Angesichts der wachsenden Vielfalt an Werkstoffen und der großen Bandbreite an Abmessungen gebe es beim Handel immer mal wieder Engpässe, insbesondere bei weniger häufig gefragten Varianten. Für den Formenbauer, der in der Regel unter enormem Zeitdruck steht, ergebe sich hieraus oft ein regelrechter Notfall. Da die meisten Hersteller ihre Anlagen auf maximale Produktivität und Kosteneffizienz ausgelegt haben, eignen sich diese kaum für die schnelle und wirtschaftliche Herstellung von Kleinmengen.

Honsel verfügt dagegen über eine Anlagentechnologie, mit der man gerade dieses Marktsegment optimal bedienen kann. So ist man imstande, in kurzer Zeit auch kleine Mengen von deutlich weniger als einer Tonne zu erschmelzen und auf das vom Kunden gewünschte Maß zu walzen – das ganze zu wettbewerbsfähigen Preisen. Hinzu kommt, dass man auch bei den Abmessungen sehr flexibel agieren kann. Während konventionelle Walzgüten teils nur im festen 10-mm-Raster angeboten werden, ist man bei Honsel bereit, beim Walzen auch beliebige Zwischenwerte wie zum Beispiel 72 statt 80 mm einzustellen. Das erspart dem Kunden, unnötig teure Späne zu erzeugen. Flexibel reagiert man aber auch auf Abnehmer, die für ihr Material gleich eine bearbeitete Oberfläche statt der Walzoberfläche wünschen, und fräst auf Wunsch auch gleich auf die erforderliche Enddicke. Solche H-S-P-Platten (Honsel-Sonder-Plan) weisen engste Toleranzen von nur noch ± 0,1 mm auf, sodass der Formenbauer nach dem Aufspannen gleich mit dem Fräsen der Kavität anfangen kann.