Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »3DHeat«
Doppelte Standzeit von Werkzeugen bei der Glasumformung
Hochpräzise Glasoptiken stecken in vielen Bauteilen wie Smartphones, medizintechnische Systemen, Fahrzeugsensorik und Defense-Anwendungen. Die Anwender verlangen engste Toleranzen und herausragende Oberflächenqualität. Gleichzeitig kämpft die europäische Optikfertigung mit massivem Kostendruck durch asiatische Konkurrenz.
Sowohl aus ökologischer Perspektive als auch aufgrund von ökonomischer Effizienz und kurzer Taktzeiten eignet sich die nicht-isotherme Glasumformung besonders für die Fertigung solcher optischen Glasbauteile in hoher Stückzahl. Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit sind hier effiziente Prozesse und langlebige Formwerkzeuge. Dies ist derzeit nur bedingt gegeben: Bei der nicht-isothermen Glasumformung halten die Werkzeuge häufig weniger als 1000 Umformzyklen durch. Bei Taktzeiten von etwa 30 Sekunden entspricht das einer Lebensdauer von nur wenigen Stunden. Ein Hauptgrund dafür sind lokale Temperaturabweichungen, die Glasbruch oder Anhaftungen an der Werkzeugoberfläche verursachen.
Im Forschungsprojekt »3DHeat – Hybride additive Fertigung von Formwerkzeugen für die Glasumformung« entwickeln wir Formwerkzeuge mit einer konturnahen, schnell regelbaren Temperierung. Wir steuern den thermischen Eintrag präzise und reduzieren so den Verschleiß. Ziel ist die Verdopplung der Standzeit.
Additive Fertigung und Beschichtung von Formwerkzeugen
Kern des Forschungsprojekts ist die Entwicklung von Prozessen zur additiven Fertigung der Formwerkzeuge. Dabei kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz: Der Werkzeugkörper aus kostengünstigem Stahl entsteht im Pulverbett mittels Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Während des Aufbaus integrieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Sensoren und oberflächennahe Temperierungselemente. Diese ermöglichen eine lokale und zeitlich variable Temperaturführung während der Glasumformung – etwas, das mit konventionellen Bohrungen oder außenliegenden Heiz- oder Kühlsysteme nicht funktioniert.
Auf den Grundkörper wird eine dünne Schicht, die sogenannte Glaskontaktzone, aufgetragen. Damit der Grundkörper und die Glaskontaktschicht gut aneinander haften, wird während des LPBF-Prozesses eine Struktur in Makro-Größe auf der Oberfläche des Werkzeugkörpers erzeugt. Die Glaskontaktzone, entsteht ebenfalls additiv: Durch drahtbasiertes Laserauftragschweißen (engl. Laser Metal Deposition with Wire, kurz: LMD-w) wird ein hochwertiger Metallwerkstoff mit ähnlichen Ausdehnungseigenschaften wie der Glaswerkstoff auf den Werkzeugkörper aufgetragen. Dadurch werden Unterschiede in den thermischen Ausdehnungen und damit Glasbruch minimiert. Bei Verschleiß lassen sich die obersten Metallschichten abtragen und additiv erneuern, ohne dass der gesamte Werkzeugkörper ersetzt werden muss.
Forschungsschwerpunkte
In dem Forschungsprojekt wird erstmals systematisch das Zusammenspiel additiver, subtraktiver und thermischer Prozessführung für die Fertigung von Umformwerkzeugen untersucht. Dazu werden im ersten Projektabschnitt der Umformprozess sowie die Temperaturverteilung im Formwerkzeug mit verschiedenen Simulations-Tools modelliert. Dabei werden auch kritische Betriebspunkte identifiziert.
In der nächsten Projektphase legt das Team die notwendigen Prozesse für die Fertigung des Werkzeugkörpers im Pulverbett und zur Integration der Temperierungselemente und Sensorik aus. Auch der Prozess für das Aufschweißen des Drahtwerkstoffs auf den Werkzeugkörper wird ausgelegt. Im Anschluss werden Formwerkzeuge in einem hybriden Prozess hergestellt, wobei unterschiedliche Glaskontakt-Materialien aufgetragen werden.
In der letzten Projektphase wird das Erwärmungsverhalten des AM-Formwerkzeugs validiert und der Umformprozess weiter optimiert. Dazu werden mit den additiv gefertigten Umformwerkzeugen Glasoptiken hergestellt und analysiert. Die Analyse der produzierten Optiken und des Formwerkzeugs ermöglicht den Vergleich der tatsächlichen Erwärmung mit den Simulationsergebnissen. Darüber hinaus wird die Werkzeugstandzeit qualitativ untersucht und bewertet.
Höhere Werkzeugstandzeiten, weniger Ausschuss, geringere Produktionskosten
Die additiv gefertigten Formwerkzeuge erhöhen die Werkzeugstandzeiten, reduzieren Ausschuss durch verbesserte Temperaturführung und senken Produktionskosten.
Die Verlängerung der Standzeit ist besonders bedeutsam, da Formwerkzeugkosten einen großen Teil der Fertigungskosten ausmachen. Darüber hinaus ermöglicht der Ansatz neben der Serienproduktion auch den Prototypenbau für die Prozessauslegung durch Integration verschiedenster Sensorik.
Insbesondere kleine und mittlere Unternehmen der Glasindustrie profitieren von langlebigeren Werkzeugen, stabileren Prozessen und höherer Produktqualität. Die entwickelten Lösungen lassen sich jedoch auch auf weitere Branchen mit hohen thermischen und tribologischen Anforderungen übertragen, etwa in der stahlverarbeitenden Industrie.
Projektbegleitender Ausschuss
- LIGHTWAY GmbH, Niederzissen
- Coherent Lasersystems GmbH & Co. KG, Göttingen
- LaVa-X GmbH, Herzogenrath
- Hüttentechnische Vereinigung der Deutschen Glasindustrie (HVG) e.V., Offenbach am Main
- Vitrum Technologies GmbH, Alsdorf
- Sato Maschinenbau GmbH & Co.KG, Mönchengladbach
Förderhinweis
Das Forschungsprojekt »3DHeat – Hybride additive Fertigung von Formwerkzeugen für die Glasumformung« wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) gefördert.
Förderkennzeichen: 01IF23813N
Förderträger: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR)
