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Vorteile von Aluminiumspritzgußformen
Hier nachfolgend werden einige der wichtigsten Vorteile aufgeführt, die man beim Einsatz von Aluminiumlegierungen zur Herstellung von Gießformen erhält; manche sind bekannt, andere weniger:
 Die Wichtigkeit, durch das Werkzeug bearbeitet werden zu können
Extrem hohe Wärmeaustauschfähigkeit: Schnelle Abkühlung des gespritzten thermoplastischen Erzeugnisses
Freiheit beim Entwurf der Stärken des aus thermoplastischem Kunststoff hergestellten Formteils
Eliminierung vieler Elektroerosionsarbeiten (abgesehen von lokalen und auf bestimmte Bereiche kleineren Umfanges beschränkte Bearbeitungen / Kanten usw.)
Tatsächliche Ausnutzung der HSC- und VHSC-Schnittgeschwindigkeiten im Einsatz mit Aluminiumlegierungen
Eliminierung (bzw. starke Reduktion) der Richtzeiten
Haltbarkeit und gute Erhaltung der blankpolierten Oberflächen
Starke Gewichtsredukton: Leichtes Handling der Aluminiumspritzgußformen und vereinfachte Investitionen in die Infrastruktur
Flexibilität im Re-design
Die Wichtigkeit, durch das Werkzeug bearbeitet werden zu können
Die Bearbeitbarkeit mancher Familien von Aluminiumlegierungen ist hervorragend, sowohl aufgrund der geringen Schnittkraft, als auch wegen der Selbstabkühlung und der besonderen Form des Spans, der einem aus Metallpulver geformten Kügelchen ähnelt.
Die Legierungen, die am besten geeignet sind durch das Werkzeug bearbeitet zu werden, sind die Härteren mit einer optimierten Kornstruktur (Legierungen 7xxx der 2. Generation).
Man kann sagen, dass sich unter manchen, noch wenig ausgenutzten Bedingungen, die Aluminiumlegierungen beim Schnitt des Werkzeuges wie graphithaltige Materialien oder wie die Harze für die Modelle verhalten.
Die Möglichkeit bei einer entschieden höheren Schnittgeschwindigkeit als herkömmlich zu arbeiten (z.B. Tausende von Metern/Min), d.h. von 5 bis zu 10 Mal schneller im Vergleich zu Stahl, wobei die gute Qualität der Schneiden und Werkzeuge erhalten bleibt, bedingt:
- Im allgemeinen eine massive Reduktion der Werkzeugmaschinenzeit
- Eine neue Art das System der Fräsmaschine zu verwalten (lange Zeiten bei nicht überwachten Maschine)
- Die Möglichkeit, eine Reihe von Fräsarbeiten auszuführen, die mit Stahl nicht machbar sind (lange und tiefe Kavitäten zur Kunststoffverrippung, exakte Schrägen ohne Richtarbeiten usw. auszuführen)
- Die Machbarkeit "direkter Zyklen": eine einzige Einstellung gefolgt von Rohbearbeitung, Vorfertigstellung und Fertigstellung, ohne Richtarbeiten auszuführen.
Extrem hohe Wärmeaustauschfähigkeit: Schnelle Abkühlung des gespritzten thermoplastischen Erzeugnisses
Die Wärmeleitfähigkeit der Aluminiumlegierungen ist bis zu 7/8 mal größer im Vergleich zu den gewöhnlichen Legierungen für herkömmliche Spritzformen.
Stahl ist ein sehr schlechter Wärmeleiter und der ständige Zusatz von Chrom verschlechtert die bereits kritischen Eigenschaften der Wärmeleitfähigkeit. Jedermann kann das banale Experiment durchführen, und eine Gabel aus Chromstahl ins Feuer halten, bis die Spitzen glühend rot werden ohne den kleinsten Schmerz zu fühlen oder Verbrennungen zu erleiden.
Die Bedeutung der Wärmeleitfähigkeit, die schon immer als ein wichtiger Faktor im Spritzgießverfahren thermoplastischer Kunstharze galt, ist in den letzten Jahren gewachsen. Sowohl wegen des ansteigenden Chromgehalts in den für Gießformen verwendeten Stahlsorten, als auch wegen der Entwicklung von Schnellpressen.
Die Kühlzeit in der Presse beträgt 70 - 75% der zum Spritzen erforderlichen Zykluszeit: jede Verbesserung des Leitfähigkeitskoeffizienten der für die Gießform verwendeten Legierung verwandelt sich somit in eine Reduktion der Zykluszeit, wenn die Spritzpresse leistungsstark und vor allem schnell ist.
Das Gegenteil erfolgt, wenn die Gießform isolierend (aus Stahl) ist: auch mit immer schnelleren Pressen wird der Öffnungs- und Schließ-Arbeitstakt durch die Kühlzeit des in einer Kavität aus isolierendem Metall hergestellten Formteil stark beeinflusst.
Kurz gefasst, mit Aluminiumspritzgußformen kann die Zykluszeit um die Hälfte reduziert werden, wenn die zum Spritzen verwendete Presse (Spritzgießmaschine) schnell genug und mit einer geeigneten Leistung (hydraulisch und elektrisch) ausgerüstet ist.
Sich den Vorteilen bewusst, die eine Gießform mit starkem Abkühlungsvermögen bietet, werden heute Produktionssysteme des Typs "1 Einzelpresse mit Aluminiumspritzgußform " anstatt "2 Pressen mit herkömmlicher Gießform " erforscht.
Freiheit beim Entwurf der Stärken des aus thermoplastischem Kunststoff hergestellten Formteils
Das äußerst geringe Abkühlungsvermögen der Stahlwerkzeuge und deren Schwierigkeit, die Schmelzwärme abzugeben, bedingen wichtige Einschränkungen bei der Gestaltung thermoplastischer Erzeugnisse:
- Die Schwierigkeit, mittels Spritzverfahren Wände mit Stärke > 3 mm herzustellen (für Stärken > 5 mm noch schwieriger, wenn nicht unmöglich)
- Die Unmöglichkeit, massive Teile zu bauen (Vollform, eine für den Möbelbau typische Technik)
- Erhebliche Schwierigkeiten beim Spritzen von Teilen mit großen Stärkeschwankungen - z.B. 5mm -> 12,5 m/m -> 5 mm
- Das Auftreten von Verformungen infolge der starken Schwankungen beim Abkühlen: Beibehaltung ungleichmäßiger Temperaturen aufgrund der isolierenden Wirkung des Stahls
- Die Notwendigkeit, die Abkühlungskanäle des Wasser-Kreislaufes an den kritischen Stellen sorgfältig zu positionieren
- · Leichte und rasche oberflächliche Abkühlung, um glänzende, durchlaufende und kompakte Oberflächen zu erhalten, die über dem "Kunststoffkern" gelagert sind und "unterschiedliche" Porosität aufweisen oder aus anderen Kunstharzen oder Flüssigkeiten zusammengesetzt sind.
Dank des Antriebs zur technologischen Evolution in bezug auf die besonderen Eigenschaften von Aluminiumlegierungen, konnten manche Spezialverfahren (propretary) entwickelt werden.
Eliminierung vieler Elektroerosionsarbeiten (abgesehen von lokalen und auf bestimmte Bereiche kleineren Umfanges beschränkte Bearbeitungen / Kanten usw.)
Diese - wahrhaft strategische - Eigenschaft der Aluminiumspritzgußform könnte man ohne weiteres dem Begriff "Technologischer Hurricane" zuordnen; eine Definition, die vor 18 Monaten in der Zeitschrift "Utensili ed Attrezzature" in der Ausgabe von November 1999 erschienen ist.
Die fast vollständige Eliminierung der EDM-Technik - Electro Discharge Machining - und der daraus resultierende eingeschränkte Einsatz dieser Technik auf kleine, örtlich beschränkte Eingriffe, hat sowohl die Art und Weise Gießformen zu entwickeln verändert, als auch die der Investitionen in Bezug auf die Werkzeugherstellung.
Es gibt viele Aspekte, die dazu beitragen, die Reichweite der "Eliminierung der EDM-Technik" besser zu verstehen, von denen wir einige beschreiben möchten.
"Es gibt bei der Herstellung von Gießformen kein langsameres Verfahren als die verschiedenen Phasen, sowohl bei der Elektrodenverarbeitung, als auch bei der nachfolgenden Anwendung in der Elektroerosion " - laut Meinung einer der besten Alu-Formenbauer Norditaliens.
Die logische Konsequenz, wenn man die Techniken der Aluminiumspritzgussform (Blöcke aus geeigneten Aluminiumlegierungen, Superfräsmaschinen, usw.) zur Verfügung hat, ist es, den Einsatz der EDM-Technik aufs Minimum zu reduzieren.
Ein zweiter Aspekt ist die Auswirkung der Investitionen in Elektroerosionsmaschinen im altmodischen Werkzeugbau. In der Vergangenheit musste man aufgrund der Langsamkeit der Verfahren die Anzahl der EDM-Einheiten erhöhen: zum Schluss musste man aber (leider) feststellen, dass 50 bis 60% des in den Werkzeugbau angelegten Kapitals in ein langsames Verfahren investiert wurde: eben in die EDM-Technik.
Ein typischer Aspekt der mit dem Einsatz der EDM-Technik auf Stahl verbundenen Langsamkeit ist durch die Notwendigkeit gegeben, alle schmalen Kavitäten nacharbeiten zu müssen, um die Verrippung im thermoplastischen Erzeugnis auszuführen.
Dies ist die Folge der äußerst schlechten Oberflächenqualität, welche die durch die EDM-Behandlung verursachten Mikroverbrennungen auf allen Oberflächen hinterlassen.
Abgesehen von den negativen Resultaten bei der Anwendung von EDM-Technik auf Stahl, die man durch Fräsen der Aluminiumlegierungen beheben kann, ist der weitaus schlimmste Aspekt der daraus resultierende schwache Nutzungsgrad der Investitionen.
Ein traditioneller Werkzeugbau für Stahlgießformen, der Investitionen auf Langzeitbasis plant, die zu 60% aus langsamen und für Stahl typischen Maschinen/Techniken, wie die Batterien für EDM-Maschinen bestehen, schafft sich eine sehr schwer zu aktualisierende Einrichtung an, denn in der Praxis ist die Aktualisierung, im Sinne eines graduellen Übergangs zu Gießformen der 2. Generation, bei bereits durchgeführten Investitionen, sehr schwer zu vollziehen: die "traditionellen" Investitionen werden die Organisation des Werkzeugbaus lebenslang prägen. Um vom neuen Business - schnelle Gießformen, Hochtaktpressen - das Beste herauszuholen, muss man an einen Werkzeugbau mit zum größten Teil unterschiedlichen Werkzeugen akzeptieren.
Daher haben viele große Firmengruppen die Entscheidung getroffen, eine vollkommen neue Al-Tooling-Abteilung im eigenen Werk einzurichten.
Tatsächliche Ausnutzung der HSC- und VHSC-Schnittgeschwindigkeiten im Einsatz mit Aluminiumlegierungen
Obwohl die Schnittgeschwindigkeiten für leichte Legierungen bemerkenswert höher liegen, insbesondere mit Superfräsmaschinen, ist die Lebensdauer der Werkzeuge mindestens 10 bis 50 Mal besser als im Vergleich zu Stahl.
In vielen Fällen ist es möglich, mit merklich niedrigeren Kosten superschnelle Stahlwerkzeuge (mit hohem Co-Gehalt) zu verwenden.
Die Möglichkeit, Stahl mit Schnittgeschwindigkeiten zu bearbeiten, die beinahe unvorstellbar sind, führt zu folgenden Schlussfolgerungen:
a) dass die kontinuierliche Hochgeschwindigkeit nur beim Fräsen leichter Legierungen wirklich erreicht und in großem Umfang ausgenutzt werden kann
b) dass die Very High Speed Cutting (VHSC) -Schnittgeschwindigkeiten für den Einsatz mit Stahl vollkommen ausgeschlossen sind.
Im Falle von Stahl, insbesondere bei der Rohverarbeitung, kann man eher von Hochleistungs-bearbeitung HPM (High Productivity Machining) anstatt von Hochgeschwindigkeitsfräsen sprechen. Die Unterscheidung zwischen beiden Schnittgeschwindigkeiten ist ganz neu. (siehe Diagramme in der den Superfräsmaschinen gewidmeten Box)
Eliminierung (bzw. starke Reduktion) der Richtzeiten
Hier meinen wir z.B. die Nachbearbeitung der Schrägen an den Oberflächen, wobei denjenigen Bereichen besondere Beachtung geschenkt wird, die nur mit Werkzeugen zu erreichen sind, die ein extrem hohes Verhältnis von Länge zu Ø aufweisen.
Die Schnittfehler (Erzeugung der IST-Oberfläche durch das Werkzeug) können im Vergleich zum theoretischen, geometrischen Profil um so größer sein (siehe durchgehende Linie in der Abbildung) je mehr das Werkzeug unter kritischen Bedingungen arbeitet und neigen dazu, sich besonders tief auf die Stahloberflächen zu biegen. Der Fehler wird mit einem langsamen und besonders aufwendigen Richtzyklus korrigiert.
Haltbarkeit und gute Erhaltung der blankpolierten Oberflächen
Aluminium rostet nicht! Diese typische Behauptung, die für diejenigen, die gewöhnlich mit leichten Legierungen arbeiten zum Alltag gehört, hat an bemerkenswerter Bedeutung gewonnen, als man einsehen musste, dass die Stahlgießformen dagegen ziemlich schnell rosten, insbesondere unter ganz bestimmten klimatischen Bedingungen.
Wie bereits gesagt liegt die Lösung für gewöhnliche Legierungen für Gießformen herkömmlicher Art (Stahl) in der Erhöhung des Chromgehalts in den spezifischen Analysen für Gussblöcke.
Leider stoßt diese Art von Lösung (z.T. bereits angewandt) gegen die bereits geringe Wärmeleitfähigkeit der Stahlarten für Gießformen, die ursprünglich "ohne" oder "mit" geringem Chromgehalt waren. Bei Erhöhung des Chromgehalts sinkt einerseits die bereits schwache Wärmeleitfähigkeit. Andererseits steigt die Schwierigkeit beim schnellen Betrieb der Pressen.
Starke Gewichtsreduktion: Leichtes Handling der Aluminiumspritzgußformen und vereinfachte Investitionen in die Infrastruktur
Die positive Wirkung, welche leichte Gießformen auf den Verschleiß von Spritzmaschinen sowie auf deren Dynamik (Beschleunigung und Bremsung) und mitwirkenden Kräften haben, ist mittlerweile sehr bekannt.
Anders und unter gewissen Aspekten neu ist die Planung von Werkhallen für die neuen Abteilungen, wobei für die Gießformen ein Höchstgewicht von 10 Tonnen (Aluminium-Spritzgußformen der 2. Generation) statt 30 Tonnen (Stahl) berechnet wurde. Dadurch konnten nicht nur die Laufkräne, sondern auch die Pfeiler und Fundamente der Pfeiler reduziert werden.
Flexibilität im Re-design
Die Optimierung von Aufwand und Kosten sowie die Vereinfachung der notwendigen Maßnahmen für bestimmte Thermoplast-Profile gestatten, zusammen mit all den vorher erläuterten typischen Eigenschaften der Aluminium-Spritzgußformen, auch extrem komplexe Profile und Komponenten mit technisch einfachen Gießformen bei wenig Risiko und geringen Kosten herzustellen. Die Geschwindigkeit, mit der Produkte mit neuem Design konzipiert werden, begünstigt die Erstellung neuer Produktkataloge. Ein in mancher Hinsicht sensationelles Beispiel ist der in der Abbildung dargestellte Kompostbehälter aus Polypropylen.
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