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Werkzeugbau aus Polymerbeton - ideal für Prototypen und Kleinserien aus Kunststoff

by Martin Hintsteiner

Das RIM Niederdruck-Spritzgießen ist der Hidden Champion, wenn es um die Herstellung großer Bauteile aus Polyurethan Kunststoff geht. Schließlich ermöglicht sein vergleichsweise kostengünstiger Werkzeugbau die Fertigung von Prototypen und Kleinserien zu besonders wirtschaftlichen Konditionen. Diesen Kostenvorteil können Sie durch die Wahl des richtigen Formwerkstoffs aber noch zusätzlich ausbauen. Wie Polymerbeton dazu beiträgt und in welchen Anwendungsfällen Sie auf seine Vorzüge setzen sollten, erläutern wir in diesem Beitrag.

Polyurethan Formteile

Abbildung 1: Türverkleidung aus Polyurethan (Baydur)

 

Inhaltsverzeichnis:
1. RIM-Formenbau: So bestimmen Sie den passenden Werkstoff
2. Gründe, die für den Einsatz von Formen und Werkzeugen aus Polymerbeton sprechen
3. Fazit: Große Teile, kleine Preise 

 

RIM-Formenbau: So bestimmen Sie den passenden Werkstoff

Mit welchem Formwerkstoff Sie beim RIM-Niederdruckspritzguss arbeiten sollten, ist neben der geplanten Stückzahl und dem eingesetzten PU-Material vor allem von der Bauteilgröße abhängig: Aus Kunststoff gefräste Werkzeuge können zwar mit hohen Schnittgeschwindigkeiten aus Blockmaterial gefertigt werden, eignen sich aber – ebenso wie aus Kunststoff gegossene Formen – eher für die Herstellung kleinerer Bauteile und begrenzter Stückzahlen.

RakutoolAbbildung 2: Zuschnitt von Blockmaterial (Ureol) für die Herstellung eines Mastermodells

Demgegenüber weisen die festeren Werkzeuge / Formen aus Stahl, Aluminium oder Polymerbeton nicht nur höhere Standzeiten und Vorteile hinsichtlich der Wiederholgenauigkeit auf: Sie überzeugen auch bei der Fertigung größerer PU-Formteile. Handelt es sich um großflächige Kunststoffteile bzw. soll der Formenbau besonders schnell und kostengünstig vonstattengehen, erweist sich Polymerbeton (PB) jedenfalls als Werkstoff erster Wahl.

Ureol ModellAbbildung 3: gefräßtes Urmodell mit Teilungsebene (Rakutool)

Der typische Aufbau einer Kunstharz/Polymerbetonform

Der typische Aufbau einer Kunstharz/Polymerbetonform bestehe aus einer Oberflächenschicht, einer Kupplungsschicht und einer Hinterfüllung.

  • Oberflächenschicht
    Je nach Anforderung (thermisch/chemisch/mechanisch) muss das Oberflächenharz den Belastungen standhalten

Werkzeugbau Oberfläche

  • Kupplungsschicht
    Zur optimalen Verbindung zwischen der Oberflächenschicht und der danach eingebrachten Hinterfüllung (Polymerbeton) wird eine Kupplungsschicht aufgetragen.

werkzeugbau Kupplung

  • Hinterfüllung
    Körnige Füllstoffe werden mit Epoxidharz vermischt und anschließend  in mehreren Schichten in den Formkasten eingebracht

Werkzeugbau Polymerbeton

Gründe, die für den Einsatz von Formen und Werkzeugen aus Polymerbeton sprechen

Kostengünstige & rasche Herstellung

Polymerbeton-Formen (auch Epoxy-Werkzeuge genannt) punkten mit geringen Materialkosten und kurzen Produktionszeiten. So wird das Mastermodell oder Urmodell, dass die Oberflächenstruktur des Bauteils originalgetreu wiedergibt, zunächst mittels Kunststoffmaterial formschlüssig umbaut und mit einem Form-Rahmen (meistens aus Mehrschichtplatten) umschlossen. Die anschließend eingebrachte Aluminium- oder Quarzsand-Epoxidharz-Mischung muss ca. 24 Stunden aushärten, ehe das finale Tempern für eine optimale Vernetzung des Polymerbeton sorgt.

Polymerbeton Werkzeugbau
Abbildung 4: Polymerbeton als Hinterfüllung und Aufbau des Kleinserien-Werkzeuges

Ist das Urmodell bereits vorhanden, nimmt der Werkzeugbau je nach Komplexität 5 bis 15 Tage in Anspruch. Da moderne Portalfräsen die Produktion von Modellen aus CAD-Daten rasch und unkompliziert ermöglichen, verzögert sich die Produktion aber auch dann nicht wesentlich, wenn die Herstellung des Mastermodells noch ausständig ist.

 

Höhere Taktzeiten

Der Polymerbeton-Werkzeugbau punktet aber auch mit der Eigenschaft, keine Ausdehnung in Folge von Wärmeeinwirkung zu zeigen. Die Werkzeuge sind im Bauteil-Fertigungsprozess also problemlos temperierbar, was zur Beschleunigung der Polymerisation der produzierten Teile und somit zur Erhöhung der Taktzeiten führt.

PU FormteileAbbildung 5: Enformung eines Bauteils aus einem Kleinserienwerkzeug

Die Entformung der PU-Formteile aus dem Kleinserien Werkzeugen kann bereits nach ca. 15 Minuten erfolgen. Die Formbelegung verkürzt sich damit gegenüber alternativen Verfahren, was sich positiv auf die Kostenstruktur des Projekts auswirkt: Schließlich führen lange Zykluszeiten ressourcentechnisch zu Mehraufwänden.

Hohe Standzeiten

Während aus Kunststoffen gefräste Werkzeuge rund 100 Entformungen und aus Polyurethanen gegossene meist nur 25 Entformungen zulassen, punkten Polymerbeton-Formen durch vergleichsweise hohe Standzeiten: Ihre massive Bauweise erlaubt bis zu  3000 Entformungen und reduziert damit die Zahl der nötigen Werkzeugwechsel – mit positiven Auswirkungen auf die Projektkosten.

Kleinserien Spritzguss-1Abbildung 6: PUR-Formteil für Baumaschinen (Losgröße: 150 Stück/jährlich; Laufzeit: 7 Jahre)

Fazit: Große Teile, kleine Preise

Der Vergleich zeigt: In der Kleinserienfertigung großflächiger Polyurethan Formteile bzw. Weichschaumteile sollten Sie möglichst auf einen massiven Werkstoff zurückgreifen, um schnell und kostengünstig zu produzieren. Setzen Sie also auf einen erfahrenen Fertigungspartner, der den Werkzeugbau und Formenbau aus Aluminium- bzw. Quarzsand-Epoxid-Mischungen (Polymerbeton) anbietet und neben Produktions-Know-How und Erfahrung auch über die für zur Herstellung erforderlichen Spezialisten und handwerklichen Kapazitäten verfügt.  Je nach Anforderungen an die Form erzielen Sie mit Kunststoffen immer ein optimales Preis-Leistungsverhältnis. Bei vielen Anwendungen, insbesondere sehr komplexen Geometrien, ist die Kunstharzform  bzw. der Polymerbeton die einzige Möglichkeit, wirtschaftlich zu produzieren.

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RIM Werkzeugbau

Martin Hintsteiner

Geschäftsführer HINTSTEINER GROUP Experte Carbontechnik & Kunststofftechnik

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