In der Fertigungsindustrie ist Werkzeugbau eine wichtige Prozessphase für die Herstellung hochwertiger Teile, die den Spezifikationen entsprechen. Die Umwandlung von Rohmaterialien in fertige Produkte erfordert eine Mischung aus Technologie, Fachwissen und spezialisierten Werkzeugmaschinen. Aber zuerst müssen die notwendigen Werkzeuge hergestellt werden. Dieses Werkzeugherstellungsverfahren hat einen großen Einfluss auf Effizienz und Präzision bei der Produktion von Teilen.
Was ist also Werkzeugbau? In diesem Artikel werden wir seine Bedeutung in der Fertigung, die Grundlagen der Werkzeuggestaltung und verschiedene Werkzeugtypen besprechen.,
Was ist Werkzeugbau in der Fertigung?
Werkzeugbau, allgemein bekannt als Maschinenwerkzeugbau, ist der Prozess der Formgebung oder -bearbeitung von Materialien, um tolerierte Teile herzustellen. Dabei kommen Vorrichtungen, Formen, Muster, Halterungen und Schneidwerkzeuge zum Einsatz, um die Teile zu schneiden, zu formen und zu bearbeiten. Die für den Werkzeugbau benötigte Ausrüstung variiert je nach spezifischer Produktion, Art und Größe des Werkzeugs.
Es ist wichtig zu beachten, dass für die korrekte Ausführung von Aufgaben und die Aufrechterhaltung des Betriebs die notwendigen Werkzeuge unerlässlich sind. Wenn der Fertigungsprozess ohne die richtigen Werkzeuge ineffizient ist. Darüber hinaus wirken sich Änderungen an der Werkzeugtechnologie direkt auf Produktionsmenge, Qualität und Kosten aus.
Fertigungswerkzeugbau
Bedeutung des Werkzeugbaus in der Fertigung
Werkzeugbau für die Fertigung hat einen größeren Einfluss auf die Massenproduktion von Gütern, da er die Produktion beschleunigen und die Betriebskosten senken kann. Ein geeigneter Werkzeugbau ist notwendig, um hochwertige Produkte schnell herzustellen.
Teilenpräzision
Im Werkzeugbau, Präzisionstechnik und Werkzeugbau gehen Hand in Hand. Die Genauigkeit und Konsistenz der hergestellten Komponenten hängen direkt von der Präzision der Werkzeuge ab. Ob es sich um Spritzgussteile oder komplexe Teile für die Luft- und Raumfahrt handelt, die Qualität des Werkzeugbaus beeinflusst die Qualität des Endprodukts.
Effizienz in der Fertigung und Kosteneffektivität
Effektive Werkzeugverfahren führen zu optimierten Fertigungsabläufen. Es ist möglich, große Stückzahlen identischer Teile mit geringem Variationsgrad zu produzieren, insbesondere bei Verfahren wie Spritzguss. Obwohl die Anfangsinvestition in den Fertigungswerkzeugbau hoch sein kann, sind die langfristigen Kosten pro Einheit oft deutlich niedriger als bei anderen Fertigungsverfahren.
Maßgeschneiderte Teile
Werkzeugbau ermöglicht die Herstellung einzigartiger und kundenspezifischer Komponenten, was Innovation fördert. Darüber hinaus ermöglichen fortschrittliche Bearbeitungstechniken wie CNC-Bearbeitung, die den Werkzeugbau revolutioniert haben, nun anspruchsvolle Designs und komplexe Geometrien.
Geeignet für eine Vielzahl von Materialien
Werkzeugbau ist vielseitig und kann mit einer breiten Palette von Materialien verwendet werden, einschließlich verschiedener Polymere und Metalle wie Stahl und Aluminium. Daher stellt die Fähigkeit, geeignete Materialien für spezifische Anwendungen auszuwählen, sicher, dass das Endprodukt die erforderlichen Standards in Bezug auf Festigkeit, Haltbarkeit und Ästhetik erfüllt.
Was sind die Grundlagen der Werkzeuggestaltung?
Es gibt zu viele Entscheidungen im Werkzeugdesign, die ein Produktentwickler und sein Fertigungspartner gemeinsam treffen müssen, um sie exhaustiv zu diskutieren. Dennoch ist es möglich, diese Optionen auf einige wenige Kategorien zu beschränken, die für alle Werkzeuge gelten, unabhängig von ihrer Rolle. Hier sind die grundlegenden Prinzipien des Werkzeugbaus.
Zykluszeiten
Während eines typischen Produktionslaufs, wie häufig wird das Werkzeug verwendet? Bei einer Druckgussform kann die Antwort einmal alle zwei Minuten sein. Allerdings wird die Form bei jedem Einsatz extremen Hitze- und Druckbelastungen ausgesetzt. Das Werkzeug könnte so stark beansprucht werden, dass es frühzeitig verschleißt oder sogar vollständig bricht, wenn die niedrigsten Zykluszeiten auf Kosten einer erhöhten Verarbeitungsgeschwindigkeit erreicht werden.
Das Werkzeug mit einer nachträglich aufgebrachten Dünnschichtbeschichtung aus Film ist eine der besten Möglichkeiten, seine Lebensdauer zu verlängern und die Verarbeitung zu beschleunigen. Allerdings sind diese Beschichtungen mit zusätzlichen Kosten verbunden, die gegen die gesteigerte Produktivität abgewogen werden sollten.
Produktionsvolumen und Werkzeughaltbarkeit
Um die Kosten für die Herstellung mehrerer Werkzeuge für einen einzelnen Produktionslauf zu vermeiden, benötigen Sie ein robustes Werkzeug. Daher muss ein Werkzeug aus einem starken Metall gefertigt sein. Ein starkes Metall ist definiert als ein Material, das wiederholter Belastung und plastischer Verformung standhalten kann, ohne zu reißen oder seine Form irreversibel zu verändern.
Lang haltbare Werkzeuge müssen mechanischer, chemischer und thermischer Abnutzung standhalten können, während sie ihre Toleranzen beibehalten. Die Kosten und die Produktionszeit für langlebige Werkzeuge sind jedoch höher als bei temporären Varianten.
Verwendetes Material für Werkzeuge
Welches Werkzeugmaterial ist am besten geeignet? Die optimale Wahl für die Herstellung eines Produktionswerkzeugs ist das Rohmaterial, das die höchste Leistung für Ihre Anwendung in kürzester Zeit und zu geringsten Kosten bietet. Daher hängt alles davon ab, was das Werkzeug leisten soll, einschließlich der Anzahl der Teile, die es herstellen muss, wie lange es halten soll und welche Präzision erforderlich ist.
Natürlich ist nicht jedes Rohmaterial für alle Anwendungsfälle geeignet. Zum Beispiel kann Aluminium verwendet werden, um perfekt feine Werkzeuge und Formen für Kunststoffspritzgussformen herzustellen. Es ist jedoch ungeeignet für einen CNC-Fräsen Schneider, da das Material geringere Festigkeit und Härte als Stahl aufweist.
Wechselhäufigkeit bei Werkzeugen
Die Dauer, die benötigt wird, um das Werkzeug einer Produktionsmaschine zu wechseln oder zu ersetzen, ist ein Effizienzfaktor, der häufig übersehen wird. Große und schwere Werkzeuge wie Spritzgießformen sind zu sperrig und schwer für einen menschlichen Bediener, weshalb sie mit Hebezeugen und Kränen bewegt werden. Der Austausch kann Stunden dauern und beeinflusst die Produktionskosten.
Da die Produktionsmitarbeiter jede Minute bezahlt werden, auch wenn keine Komponenten in der Montagelinie hergestellt werden, ist die Werkzeugwechselzeit ein bedeutender Kostenfaktor. Wo immer möglich, sollte die Anfangsplanung die Effizienz des Werkzeugwechsels berücksichtigen.
Teilepräzision und Toleranz
Um ein Werkzeug bei der Herstellung eines äußerst präzisen Endteils zu verwenden, muss es mit größerer Sorgfalt gefertigt werden. Das bedeutet, dass ein solches Werkzeug mehr kosten wird, um hergestellt zu werden, und möglicherweise häufiger ersetzt oder zumindest gewartet werden muss, um die Toleranzen aufrechtzuerhalten. Gut gefertigte Werkzeuge können ihre Lebensdauer durch Nachschärfen, Reparieren oder Kalibrieren verlängern.
Typische zwei Arten von Werkzeugen
Basierend auf verschiedenen Faktoren wie Herstellung, Material, Haltbarkeit, Eigenschaften und Anwendbarkeit können Werkzeuge in zwei Kategorien eingeteilt werden.
Weiche Werkzeuge
Weiche Werkzeuge sind eine kostengünstige Werkzeugtechnik, die häufig für Gussurethane verwendet wird, um Unternehmen zu ermöglichen, schnell Produkte mit mittlerem bis niedrigem Volumen herzustellen. Silikon ist das am häufigsten verwendete Material für weiche Werkzeuge in der Gussurethane-Industrie für Kleinserien und Prototypen.
Der Vorteil von weichen Werkzeugen mit flexiblen Materialanforderungen besteht darin, dass Hersteller Materialien verwenden können, ohne sich zu große Sorgen um die Kompatibilität machen zu müssen. Gleichzeitig ist dieser Ansatz ideal für Projekte, die kleine Stückzahlen erfordern, aber dennoch praktische Produkte mit feinem Finish, wie Prototypen.
Es gibt jedoch mehrere Einschränkungen bei Soft-Tools. Werkzeuge, die mit Soft-Tool-Materialien hergestellt werden, fehlen manchmal die Haltbarkeit und Verschleißfestigkeit von solchen aus Hart-Tools. Zum Beispiel müssen Silikonwerkzeuge meistens nach der Herstellung von nicht mehr als 25 Komponenten ersetzt werden. Außerdem ist es nach Abschluss des Werkzeugbaus schwierig, Soft-Tools anzupassen.
Hart-Tooling
Eine gängige Methode des Werkzeugbaus für Spritzgießverfahren ist Hart-Tooling. Hart-Tools, die aus widerstandsfähigen Metallen wie Stahl oder Nickellegierungen gefertigt sind und zahlreiche Fertigungszyklen aushalten können, ermöglichen es Herstellern, schnell große Mengen an Teilen herzustellen. Hart-Tooling ist die bessere Wahl als Soft-Tooling, wenn enge Toleranzen, Testvorgaben und funktionale Standards erfüllt werden müssen. Diese Art von Werkzeug ist perfekt für die Herstellung präziser, langlebiger Teile.
Allerdings ist Hart-Tooling in Bezug auf Anfangsinvestitionen und Fertigungszeiten deutlich teurer und zeitaufwändiger als Soft-Tooling. Daher dauert die Herstellung von Hart-Tools länger, da sie wärmebehandelt, nachbearbeitet und weiterbearbeitet werden müssen, um eine glatte Oberfläche zu erzielen.
Wählen Sie das Richtige: Soft-Tooling oder Hart-Tooling
Soft-Tooling oder Hart-Tooling, welches sollten Sie verwenden? Soft-Tooling, das Silikon und andere schnell montierbare Materialien verwendet, ist perfekt für Prototypen und Kleinserienproduktion.
Hart-Tooling garantiert jedoch eine längere Lebensdauer der Form und eine gleichbleibende Qualität der Teile durch die Verwendung robuster Metalle wie Stahl. Es ist am besten für die Hochvolumenproduktion geeignet.
Insgesamt sind Hart-Tools zwar anfangs teurer, senken aber die Kosten pro Teil bei langfristigen Produktionsszenarien erheblich, während Soft-Tooling in den Anfangsphasen der Konstruktion geringere Kosten bietet.
Verschiedene Phasen des Werkzeugbaus in der Fertigung
Es gibt drei Hauptphasen für die Herstellung von Werkzeugen: Prototypenwerkzeug, Übergangs- oder Brückewerkzeug und Produktionswerkzeug.
Prototypenwerkzeug
Der erste Schritt im Herstellungsprozess von Werkzeugen ist das Prototypenwerkzeug. Dabei werden Formen und Werkzeuge hergestellt, um Prototypen oder kleine Chargen von Produkten zu erstellen. Diese sind in der Regel Einwegwerkzeuge, die für Tests und die Bestätigung des Designs vor der Massenproduktion entscheidend sind.
Übergangs- oder Brückewerkzeug
Das Übergangs- oder Brückewerkzeug dient als Übergangsphase zwischen der Entwicklung des Prototyps und dem Beginn des Produktionswerkzeugs. Im Vergleich zum Produktionswerkzeug ist es weniger robust. Es erfordert keine großen Investitionen und kann schneller gebaut werden.
Daher verwenden mehrere Hersteller Übergangs- oder Brückewerkzeuge, um die Produktionssteigerung zu erleichtern. Es wird häufiger genutzt, um den Herstellungsprozess zu verfeinern und ein umfassendes Verständnis des Produktdesigns zu erlangen.
Fertigungstooling
Produktionswerkzeug
Die Phase des Produktionswerkzeugs ist der Ort, an dem das Endprodukt gefertigt und getestet wird. Diese Phase ist wichtig, da sie eine solide Grundlage für die groß angelegte Massenproduktion schafft. Daher ist diese Art von Werkzeug auf langfristigen Einsatz ausgelegt und stellt sicher, dass die Werkzeuge Teile gemäß den Spezifikationen und Standards produzieren können.
Allerdings erfordert sie einen erheblichen Zeit- und Ressourcenaufwand. Dennoch garantiert sie Effizienz und Kosteneffektivität bei der Produktion in großem Umfang.
Welche Prozesse Werden Zur Herstellung von Werkzeugen Verwendet?
Schnellwerkzeug wird mit zwei Produktionsprozessen hergestellt: Hart- und Weichwerkzeug. In einem wettbewerbsintensiven Markt benötigt Hartwerkzeug mehr Zeit zur Herstellung als Weichwerkzeug, das kostengünstiger ist. Weichwerkzeug besteht typischerweise aus Silikonabguss, Fräsen oder 3D-Druck, je nach Bedarf.
Wie Weichwerkzeug kann auch Hartwerkzeug durch Fräsen oder Bearbeitung hergestellt werden. Im Gegensatz zu Weichwerkzeug kann Hartwerkzeug jedoch auch mittels EDM (Elektroerosion) oder Präzisionsdrehen gefertigt werden.
Metallmaterialien Für Produktionswerkzeuge
In der Fertigung und Produktion sind die verwendeten Materialien für Produktionswerkzeuge entscheidend für die Lebensdauer und Leistung. Härtbare Metalle wie Werkzeugstahl, Aluminium und Legierungen werden häufig verwendet, aufgrund ihrer außergewöhnlichen Verschleißfestigkeit, Haltbarkeit und Fähigkeit, den Anforderungen der Massenproduktion standzuhalten.
Werkzeugstahl ist ein gängiges Material für die Herstellung robuster Formen und Werkzeuge aufgrund seiner herausragenden Härte, Zähigkeit und Bearbeitbarkeit. Darüber hinaus sind innovative Materialien mit besonderen Eigenschaften, wie Temperaturbeständigkeit, leicht und korrosionsbeständig, wie Verbundwerkzeugstoffe, geeignet für spezielle industrielle Anwendungen.
Überlegungen und Tipps beim Bearbeiten von Werkzeugen
Der Typ des bearbeiteten Werkzeugs hängt oft von den spezifischen Anforderungen des Projekts ab. Nachfolgend einige Überlegungen beim Bearbeiten von Werkzeugen.
Kunststoff-Spritzgussteile aus Werkzeugen
Partgeometrie
Bei weniger komplexen Geometrien ist Weichwerkzeug aufgrund seiner Kosteneffizienz und schnelleren Durchlaufzeiten eine bessere Wahl. Weichwerkzeugmethoden wie 3D-Druck oder CNC-Bearbeitung erleichtern das Redesign und ermöglichen die Herstellung komplexer Werkzeuge innerhalb von Stunden oder Tagen.
Lebensdauer des Werkzeugs
Ein weiterer wichtiger Faktor bei der Bearbeitung von Werkzeugen ist die Lebensdauer des Werkzeugs. Hartwerkzeug ist die beste Wahl, wenn Langlebigkeit gefragt ist. Weichwerkzeuge sind effektiv für etwa 25–50 Spritzgießzyklen und haben eine kürzere Lebensdauer. Im Gegensatz dazu sind Hartwerkzeuge, die aus Metall bestehen, temperaturbeständiger als Weichwerkzeugmaterialien, was zu einer längeren Lebensdauer von Tausenden von Zyklen führt.
Materialauswahl
Ein weiterer Faktor bei der Bearbeitung von Werkzeugen ist die Art des verwendeten Materials für den Prozess. Die Art des zu bearbeitenden Materials, das Produktionsvolumen und die erforderliche Lebensdauer des Werkzeugs sollten bei der Auswahl des richtigen Werkstoffs berücksichtigt werden. Einige Materialien sind langlebiger und widerstandsfähiger, sind jedoch teurer.
Welche Faktoren Beeinflussen die Kosten von Werkzeugen?
Obwohl viele Faktoren die Werkzeugkosten beeinflussen, hängen sie alle mit der Art des bearbeiteten Materials und den Spezifikationen des Werkzeugs zusammen.
Teile-Spezifikation
Die Kosten für Werkzeuge hängen auch von der Anzahl der Operationen ab, die das CNC-Maschine erledigen muss. Einfache Schnitte oder Bohrungen erfordern weniger Werkzeuge. Drehungen, Bohren und komplexe Schnitte benötigen mehr Werkzeuge.
Außerdem benötigen die Teile möglicherweise bestimmte Oberflächenbehandlungen wie Polieren oder Merkmale, die andere Werkzeuge erfassen können, wie Dichtungen. Die Werkzeugkosten steigen mit jedem zusätzlichen Spezifikationsschritt.
Anwendungen
Branchen wie Medizin, Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung haben sehr strenge Spezifikationen für hochfeste Teile. Werkzeuge mit höherer Härte sind erforderlich, um Schnitte an Materialien wie Titan und gehärtetem Stahl durchzuführen. Verständlicherweise kosten diese Werkzeuge mehr als das Schneiden weicherer Materialien.
Qualität der Werkzeuge
Ein wichtiges Thema, das direkte Auswirkungen auf die Werkzeugkosten hat, ist die Qualität der in der Fertigung verwendeten Werkzeuge. Hochwertige Materialien sowie genauere Ingenieur- und Fertigungstechniken sind in der Regel erforderlich, um hochwertige Werkzeuge herzustellen, was ihre Anfangskosten erhöht. Andererseits können durch diese Qualitätsinvestition langfristige Einsparungen und Effizienzsteigerungen erzielt werden.
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