Was sind Aluminiumformen?

Formen sind Scheinhüllen für ein zu erwartendes Teil. Wenn Materialien wie geschmolzener Kunststoff in den Formhohlraum gespritzt und gepresst werden, nehmen sie die Form des Hohlraums an und bilden das gewünschte Produkt, wenn sie abkühlen und erstarren. Auf diese Weise kann eine Produktionslinie identische Produkte in Massenproduktion herstellen. Wenn eine Form aus einer Aluminiumlegierung hergestellt wird, spricht man von einer Aluminiumform. Die Hersteller können jedoch auch andere Materialien für die Herstellung von Formen verwenden. Der Name des verwendeten Materials steht oft vor der Bezeichnung der Form, z. B.

• Stahlform
• Sandform
• Keramikform
• Gipsform, und so weiter

Welches Material für die Herstellung einer Form verwendet wird, hängt in der Regel vom Verwendungszweck ab. Verbrauchsfähige Formen aus Sand, Keramik und Gips werden für die einmalige Herstellung von Produkten verwendet oder wenn die Form häufig angepasst werden muss. Sie können daher für die Herstellung verschiedener Produkte oder Teile in unterschiedlichen Formen und Größen verwendet werden. Sie sind in der Regel auch relativ erschwinglich und eignen sich am besten für geringe Produktionsmengen.

Aluminiumformen hingegen bieten eine bessere Wärmeleitfähigkeit und ein geringeres Gewicht und werden für das Gießen von Kunststoffteilen in kleinen bis mittleren Stückzahlen verwendet. Aluminiumformen, die manchmal auch als weicher Stahl bezeichnet werden, können in einer Linie eingesetzt werden, die 5.000 bis 10.000 Kunststoffprodukte herstellt. In den meisten Fällen dienen sie als Übergangslösung, während die Fabrik auf die Fertigstellung von Stahlformen für ihre Produktionslinie wartet. Es ist wichtig zu erwähnen, dass einige Aluminiumformen mit Stahlgriffen versehen sind, um sie stabiler zu machen. Der Kern und der Hohlraum, in den der geschmolzene Kunststoff eingespritzt wird, bestehen jedoch immer aus Aluminium.

Die technologische Entwicklung und die rasche Produktlieferung in bestimmten Branchen wie der Elektronik- und der Automobilindustrie haben zu einem Anstieg der Nachfrage nach Ad-hoc-Produktionslinien für Präzisionsprodukte geführt. Diese Produktionsanlagen sind darauf ausgelegt, in kurzer Zeit eine große Menge von Nischenprodukten herzustellen. Hier kommen die aus Aluminium hergestellten Formen zum Tragen.

Die wichtigsten Vorteile von Aluminiumwerkzeugen gegenüber Stahlwerkzeugen

Formen aus Aluminium haben im Vergleich zu Stahlformen mehrere kurz- bis mittelfristige Vorteile. Sie werden in der Regel wegen ihrer besseren Wärmeleitfähigkeit und Bearbeitbarkeit gewählt, was zu einer Beschleunigung des Formgebungsprozesses beiträgt. Die folgende Tabelle zeigt, wie Aluminium- und Stahlformen im Vergleich zueinander abschneiden.

Eine Tabelle zum Vergleich der Vorteile von Stahl- und Aluminiumschalungen

Industrie Anwendung von Aluminium Formen

Formen aus Aluminium werden für Hersteller in verschiedenen Sektoren immer häufiger zur ersten Wahl, wenn es um das Prototyping von Kunststoffteilen (insbesondere von solchen mit komplexer Geometrie) oder um Kleinserien geht. Aufgrund ihrer Kosteneffizienz und Bearbeitbarkeit eignen sie sich hervorragend für solche Szenarien. Einige der Branchen, in denen Aluminiumformwerkzeuge verwendet werden, sind.

1. Herstellung von Unterhaltungselektronik: Die Kunststoffgehäuse für Handys, Tablets und Laptops werden meist mit Formwerkzeugen aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Die schnellere Wärmeableitung dieses Materials gewährleistet eine gleichbleibende Produktqualität und verringert das Auftreten von Brandnarben und Einfallstellen.
2. Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie: Verschiedene Teile eines Autos (wie die Mittelkonsole und das Armaturenbrett) und eines Flugzeugs (wie die Gabeln und Drosselklappenabdeckungen) werden mit Aluminiumformen hergestellt. 
3. Industrie für medizinische Geräte: Dies gilt sowohl für einfache medizinische Geräte wie elektronische Blutdruckmessgeräte als auch für komplexe stationäre Geräte wie MRT-Geräte. Das Formen des Außengehäuses medizinischer Geräte aus Kunststoff mit Aluminiumwerkzeugen gewährleistet Konsistenz, auch bei komplexen Formen.
4. Spielzeugindustrie zur Herstellung von Puppen: Unternehmen verwenden die Spritzgusstechnik zur Herstellung der beliebten Barbie-Puppen und verschiedener anderer Kunststoffspielzeuge. Aus Gründen der Kosteneffizienz und der schnelleren Produktionszyklen wird in der Regel Aluminium als Form gewählt. In einigen Fällen verwenden die Hersteller die Spritzgusstechnik für den Körper und die Rotationsgusstechnik für die Gliedmaßen und Köpfe, bevor sie sie zusammensetzen.

Wie man Aluminiumformen herstellt

Die Herstellung von Aluminiumwerkzeugen für das Spritzgießen erfordert Präzisionsarbeit. Denn ein Millimeterfehler bei der Herstellung der Form führt zu Produkten, die nicht dem gewünschten Zweck entsprechen. Es gibt drei wichtige Schritte, um Formen aus Aluminium ins Leben zu rufen.

Schritt #1: Mustererstellung

So wie Ihre Aluminiumform das Modell für das Gießen von Kunststoffprodukten bildet, benötigen Sie ein anderes Material als Modell für die Herstellung des gewünschten Aluminiumteils für den Formhohlraum. Schaumstoff, Holz, Wachs oder Kunststoff sind in der Regel die Materialien, aus denen das Modell hergestellt wird. Früher wurden die Modelle von Facharbeitern in mühevoller Kleinarbeit geformt. Dank des 3D-Drucks können die Hersteller nun Muster mit Nanometergenauigkeit erstellen, indem sie direkt von den CAD-Entwürfen drucken.  

Schritt #2: Gießen

Das Gussverfahren kann mit Sand oder Stahl durchgeführt werden. Im Falle von Sand:

1. Legen Sie das Muster in eine Küvette (eine Schachtel mit zwei Seiten)
2. Füllen Sie die Küvette mit Formsand und drücken Sie sie nach unten, um den Sand um das Muster zu verdichten.
3. Entfernen Sie das Muster vorsichtig und lassen Sie die leere Vertiefung im Sand zurück.
4. Gießen Sie das geschmolzene Aluminium in den leeren Hohlraum, bis dieser aufgefüllt ist.
5. Abkühlen lassen und fest werden lassen
6. Öffnen Sie die Flasche und entfernen Sie das geformte Aluminium

In der Großserienproduktion kann die Verwendung von Sand zeitaufwändig sein. Bei der Entformung können Defekte wie Formverzug oder Sandeinschlüsse auftreten, was zu einer fehlerhaften Aluminiumform führt. Stattdessen, Druckguss ist die Verwendung von Stahl besser geeignet. Das Modell wird hier aus Stahl hergestellt, weil dieser einen hohen Schmelzpunkt und eine hohe Festigkeit aufweist. Das Einspritzen von verflüssigtem Aluminium in den Formhohlraum erfolgt unter hohem Druck. Nach dem Abkühlen wird das geformte Aluminium entfernt.

Schritt #3: Bearbeitung

Das Endprodukt ist oft mit Unreinheiten behaftet und äußerlich rau. Daher muss es bis zur Perfektion veredelt werden. Der Veredelungsprozess kann das Fräsen, Bohren oder Schleifen der rauen Kanten und der Aluminiumreste beinhalten, um eine polierte Oberfläche zu erhalten. Dies ist ein sehr wichtiger Prozess bei der Herstellung von Aluminiumformen, denn alle Fehler, die auf der Form verbleiben, werden auf das Endprodukt übertragen.

Wann sollte man Aluminiumformen wählen?

Wenn zwei Alternativen zur Auswahl stehen, stellt sich immer die Frage, wann man die eine der anderen vorziehen sollte. Zwischen Formen aus Aluminium und Stahl ist die Antwort nicht immer eindeutig. Allerdings sollten Sie die Verwendung von Aluminiumformen in Betracht ziehen, wenn:

• Sie produzieren eine Kleinserie zwischen 3.000 und 10.000 Stück
• Sie erstellen einen Produktprototyp für die Bewertung durch Behörden oder Investoren
• Sie benötigen Flexibilität bei der Konstruktion, die eine schnelle Werkzeugherstellung erfordert. Mehr über Rapid Tooling erfahren Sie hier.
• Sie stehen unter Zeitdruck und müssen Produkte schnell liefern
• Die Produktion läuft mit einem knappen Budget, das eine Stahlform nicht zulässt
• Sie brauchen eine Übergangslösung, während Sie auf die Lieferung Ihrer Stahlform warten

Beachten Sie, dass Aluminiumformen eine kürzere Lebensdauer haben und möglicherweise nach 5.000-8.000 Produktionszyklen oder weniger ersetzt werden müssen. Das liegt daran, dass Aluminium eine geringere Verschleißfestigkeit aufweist, insbesondere unter hohen Temperaturen und Druckgussbedingungen. Stahlformen können mehr als 100.000 Zyklen lang Produkte produzieren.

Daher müssten Sie Ihre Aluminiumform mehrmals ersetzen, bevor eine Stahlform ihren Lebenszyklus erreicht hat. Die Kosten für diesen Austausch werden sich schnell summieren. Wenn Sie langfristig produzieren und keine Änderungen erforderlich sind, ist eine Stahlform auf lange Sicht wirtschaftlich sinnvoller.

Wie wählt man eine gute Fabrik für Aluminiumformen aus?

Ein bekanntes Sprichwort besagt: "Man bekommt das, wofür man bezahlt". Das gilt nicht nur für das Geld, das aus Ihrer Tasche fließt. Wenn Sie sich wahllos für einen Hersteller von Aluminiumformen entscheiden, werden Sie es vielleicht bereuen. Sind Sie unsicher, worauf Sie bei der Suche nach einem Partner achten sollten? Hier sind die wichtigsten Punkte, die der richtige Hersteller erfüllen muss.

1. Erfahrung: Der Hersteller sollte über ein Team mit großer Erfahrung im Aluminiumguss verfügen, das Techniken wie Sand- und Druckguss verwendet.
2. Fachwissen: Der Grad der Erfahrung sollte durch einen Katalog erfolgreicher Lieferungen nachweisbar sein.
3. Technologie: Hersteller, die technologische Fortschritte in ihrem Bereich nutzen, wie z. B. den Einsatz von 3D-Druck und CAD/CAM-Techniken, werden die Vorlaufzeiten verkürzen und Aluminiumformen mit höherer Präzision liefern.
4. Qualitätskontrolle: Das Unternehmen sollte über ein solides Qualitätskontrollverfahren verfügen, das eine genaue und einheitliche Produktion und Leistung gewährleistet. Informieren Sie sich über das Prüfverfahren und die Zertifizierungen (einschließlich ISO 9001).
5. Kommunikation: Wählen Sie einen Hersteller, der Sie während der gesamten Projektdauer ständig auf dem Laufenden halten wird. So können Sie alle Bedenken ausräumen, die während des Projekts auftauchen könnten.
6. Ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis: Der teuerste Hersteller von Aluminiumformen ist nicht unbedingt der beste, und umgekehrt. Hersteller, die Sie bei der Auswahl des besten Materials für Ihre Form auf der Grundlage Ihrer Produktionsanforderungen beraten, transparente Vorlaufzeiten angeben und einen Kundendienst anbieten, sind auf lange Sicht wertvoller als solche, die Sie Ihrem Schicksal überlassen.

Die Zukunft der Aluminiumform

Derzeit sind Formen aus Aluminium für langfristige, großvolumige Produktionszyklen nicht nachhaltig. Forscher arbeiten kontinuierlich an Innovationen, um die Produktion und Anwendung von Aluminiumformen nachhaltiger und effizienter zu gestalten. Die Einführung der 3D-Drucktechnologie für die Herstellung von Aluminiumwerkzeugen ist eine der Möglichkeiten, mit denen die Forscher die Chancen übertreffen. 

Der Einsatz der 3D-Drucktechnologie wird die Vorlaufzeiten rapide verkürzen und die Hersteller bei der Herstellung von Gussformen mit ultrakomplexe Geometrien, die über die konventionellen Bearbeitungsmöglichkeiten hinausgehen, wie z. B. interne konforme Kühlkanäle. Die Hersteller erreichen den 3D-Druck von Aluminiumformen durch die folgenden Schritte:

1. Entwurf eines inversen 3D-CAD-Modells der Form mit einer speziellen Software
2. 3D-Druck Ihres Entwurfs mittels Stereolithografie oder FDM (Fused Deposition Modeling)
3. Entfernen Sie die Stützstrukturen, die der Drucker während des Druckvorgangs hinzugefügt hat.

Digitalisierung & Oberflächentechnik

Es gibt auch einen zunehmenden Trend zur Digitalisierung und Automatisierung. Die Digitalisierung des gesamten Formprozesses wird die Zykluszeit verkürzen und die Präzision verbessern. Durch den Einsatz digitaler Werkzeuge für Design und Kontrolle werden menschliche Fehler vermieden und eine gleichmäßigere Produktion gewährleistet.

Die Hersteller bemühen sich auch, Aluminium durch Oberflächenbehandlung verschleißfester zu machen. Die Oberflächenbehandlung von Aluminiumformen durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) oder Eloxieren verbessert beispielsweise die Lebensdauer der Formen.

Einige der beliebtesten PVD-Beschichtungen sind diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC), Titanaluminiumnitrid (TiAIN) und Titannitrid (TiN). Die Hersteller beschichten die Formoberfläche mit dem bevorzugten Material durch PVD, um eine harte, wasserbeständige Schicht zu erzeugen. Dadurch wird die Oberfläche der Form vor den abrasiven Kräften während des Spritzgießprozesses geschützt.

Das Eloxieren hingegen ist ein elektrochemisches Verfahren, bei dem eine Peroxidschicht auf der Oberfläche der Aluminiumform entsteht. Dieses Material erhöht die Oberflächenhärte und verbessert die Korrosionsbeständigkeit des Werkzeugs. Diese Behandlungen helfen dem Hersteller, alle Vorteile der Aluminiumform zu nutzen, mit dem zusätzlichen Vorteil, die Lebensdauer von 10.000 Produktionszyklen zu überschreiten.