Aluminium als vorteilhafte Alternative zum Stahl im Werkzeug- und Formenbau

In der Fertigung hat Aluminium Stahl zuerst in Bereichen verdrängt, in denen es besonders auf ein geringes Gewicht ankommt, speziell im Flugzeug- und Fahrzeugbau. Das Leichtmetall hat zwar auch eine typisch geringere Festigkeit, im Allgemeinen überwiegt aber die Gewichtseinsparung. Hochfeste Aluminiumlegierungen bieten jedoch auch im Werkzeug- und Formenbau spezifische Vorteile. Insbesondere reduzieren sie die Fertigungszeiten bei der Herstellung von Spritzgussformen.

Wo liegen die grundsätzlichen Vorteile von Aluminium beim Formenbau
Der Formenbau kann unabhängig von Nutzung der Werkzeugmaschinen erfolgen, in denen die Gussformen zum Einsatz kommen. Daher beeinflusst er die Fertigungszeiten der Produkte nicht direkt. Trotzdem sind die Kosten für die Herstellung der Formen nicht vernachlässigbar und fallen zunehmend stärker ins Gewicht, je mehr die Einsparpotentiale in anderen Bereichen bereits ausgereizt sind. Hochfeste Aluminiumlegierungen erlauben unter anderem ein Zerspanen mit mehrfach höheren Schnittgeschwindigkeiten wie vergleichbare Stähle.

Beim Werkstoff Alumold 1-500 der Düsseldorfer Almet AG ist zum Beispiel ein Fahren der Fräs- oder Drehwerkzeuge mit einem fünfmal höheren Vorschub möglich, ohne Kompromisse etwa beim Werkzeugverschleiß. Nach Angaben des Herstellers lassen sich dadurch die Bearbeitungszeiten beim Drehen um die Hälfte und beim Fräsen bereits um drei Fünftel verringern. Damit sind die Möglichkeiten der Aluminium-Speziallegierung aber noch längst nicht ausgereizt. Das Material lässt sich ebenfalls durch Erodieren bearbeiten und spart dabei sogar bis zu 70 Prozent der Bearbeitungszeit ein. Darüber hinaus ist eine Oberflächenveredelung unter anderem mittels Schleifen möglich und der Konstruktionswerkstoff kann im Laser- oder WIG-Verfahren geschweißt werden. Somit lassen sich zum Beispiel auch Schäden an Alumold Gussformen reparieren. Der Werkstoff, der Zugfestigkeiten bis zu 600 N/mm² erreicht, wird in spannungsarm veredelten Formenbauplatten mit einer Stärke bis zu 450 mm hergestellt.

Was sind Aluminium Formenbauplatten?
Der Begriff Aluminium Formenbauplatten bezeichnet Werkstoffe mit einer vergleichsweise großen Materialstärke, die spanend oder durch Erodieren verarbeitet werden. Die Plattenstärke lässt nur begrenzt homogene Materialeigenschaften bei einer Aushärtung durch Kaltumformung zu. Aus diesem Grund können Aluminium Formenbauplatten nicht in allen Abmessungen als ausgehärtete Walzplatten geliefert werden. Nicht umgeformte, gegossene Formenbauplatten besitzen aber im Allgemeinen eine geringere Festigkeit. Diesen Nachteil vermeiden die aushärtbaren Aluminium Gussplatten für den Formenbau, die das Unternehmen Gleich Aluminium aus Kaltenkirchen bis zu einer Stärke von 1060 mm anbietet.

Andere Anwendungen von Aluminium im Werkzeugbau
Der Formenbau ist nicht die erste Anwendung für hochfeste Aluminiumlegierungen im Werkzeugbau. Der Düsseldorfer Aluminiumspezialist hat zum Beispiel bereits in den 1990er Jahren einen Werkstoff für die Herstellung von Stanz- und Schnittwerkzeugen auf den Markt gebracht. Die notwendige Erhöhung der Festigkeit des Leichtmetalls ist bei der Anwendung im Werkzeugbau nur eins der Probleme, die sich durch die Zugabe von Legierungselementen wie Kupfer, Zink, Magnesium oder Mangan, aber auch spezielle Verarbeitungsverfahren lösen lassen.

Neben der geringen Zugfestigkeit von nur knapp 50 N/mm² des reinen Aluminiums besitzt das Metall typische Eigenschaften, die zum Teil seine Bearbeitung erschweren. Die Zugfestigkeit lässt sich durch die Wahl geeigneter Legierungen entweder natürlich oder durch Umformung aushärtbar erhöhen. Eine vorteilhafte Eigenschaft bei der spanenden Bearbeitung ist die hohe Wärmeleitfähigkeit des Metalls, die eine gute Wärmeabfuhr an der Schnittstelle zur Folge hat und damit die Anforderungen an die Kühlung reduziert beziehungsweise die mit einer gegebenen Kühlung erzielbare Schnittgeschwindigkeit erhöht.

Eine für die Zerspanung negative Eigenschaft des Aluminiums ist das Verhalten des Metalls bei einer Erwärmung. Im Gegensatz zum Stahl kann Aluminium bei der spanenden Bearbeitung unter ungünstigen Bedingungen so weich werden, dass es Schnitt- oder Schleifwerkzeuge verschmiert und diese beschädigt oder zerstört werden. Aber auch davon abgesehen ist die Gefahr der Bildung von Aufbauschneiden bei der Aluminiumbearbeitung besonders hoch.

Weitere für den Formen- und Werkzeugbau wichtigen Eigenschaften
Eine speziell im Werkzeug- und Formenbau, aber auch im Modellbau wichtige Eigenschaft ist die Formstabilität. Auch in dieser Hinsicht kann Aluminium punkten. Für diese Anwendungen gibt es spezielle Aluminium Legierungen, die sich durch eine überdurchschnittliche Spannungsarmut und Formstabilität auszeichnen. Ein Beispiel für einen solchen Werkstoff ist das von der Bikar-Metalle GmbH aus Bad Berleburg angebotene Formodal. Negative Einflüsse auf die Formstabilität entstehen bevorzugt beim Umformen mit Walzprozessen, die längskristalline Strukturen erzeugen, aber auch durch innere Spannungen, die bei der spanenden Bearbeitung gelöst werden. Aus diesem Grund ist auch die Reduktion der Spannungen im Werkstoff bei der Herstellung des Rohmaterials beziehungsweise Halbzeugs für die Maßhaltigkeit der daraus hergestellten Werkzeuge, Formen oder Modelle von Bedeutung. Dies umso mehr, je komplexer und filigraner die erzeugten Strukturen sind.

Der Formodal Werkstoff besitzt allerdings eine geringere Zugfestigkeit als andere Formenbauwerkstoffe aus Aluminium. Auch wenn der Hersteller eine Variante mit höherer Festigkeit in der Entwicklung hat, zeigt sich hier, dass Aluminium für den Formen- und Werkzeugbau in zahlreichen Varianten verfügbar ist, die sich jeweils für bestimmte Anwendungszwecke besonders eignen. Ein wichtiger Aspekt beim Ersetzen von Stahl durch Aluminium im Werkzeug- und Formenbau ist daher die Auswahl des optimalen Aluminiumwerkstoffs.

Wer sich für den Formenbau im Detail interessiert, der findet auf http://vioproto.de/formenbau/ weiterführende Informationen.

Allgemeiner Hinweis der Redaktion: Der Gastkommentar legt die Meinung des Autos dar und nicht notwendiger Weise die der Redaktion von marketSTEEL.

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