Grundlagen der Formenverarbeitung

1. Formverfahren – Die Auswahl kann aus zwei grundlegenden Materialtypen getroffen werden.

A) Warmarbeitsstahl, der relativ hohen Temperaturen standhalten kann, die beim Druckguss, Schmieden und Extrudieren auftreten.

B) Kaltarbeitsstahl, der zum Stanzen und Scheren, Kaltumformen, Kaltfließpressen, Kaltschmieden und Pulververdichten verwendet wird.

Kunststoffmaterialien – Einige Kunststoffmaterialien erzeugen korrosive Nebenprodukte, wie beispielsweise PVC. Korrosion kann auch durch Faktoren wie längeres Verweilen des Kunststoffmaterials im Zylinder der Spritzgießmaschine, Kondensation aufgrund von Ausfallzeiten, korrosive Gase, Säuren, Kühl-/Heizzyklen, Wasser oder Lagerbedingungen verursacht werden. In solchen Fällen empfiehlt sich die Verwendung von Edelstahl.

Formgröße – Bei großen Formen wird häufig vorgehärteter Stahl verwendet. Für kleine Formen wird häufig durchgehärteter Stahl verwendet.

Die Zusammenfassung der Lebensdauer von Formen

Formen für den Langzeitgebrauch (>1.000.000 Zyklen) sollten aus hochhartem Stahl mit einer Härte von 48–65 HRC bestehen.

Formen für den mittel- bis langfristigen Einsatz (100.000 bis 1.000.000 Zyklen) sollten vorgehärteten Stahl mit einer Härte von 30–45 HRC verwenden.

Formen für den kurzfristigen Einsatz (<100.000 Zyklen) können aus Weichstahl mit einer Härte von 160–250 HB hergestellt werden.

Oberflächenrauheit – Viele Hersteller von Kunststoffformteilen legen Wert auf eine hervorragende Oberflächengüte. Wenn beispielsweise Schwefel hinzugefügt wird, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern, wird die Oberflächenqualität beeinträchtigt. Außerdem wird Stahl mit hohem Schwefelgehalt spröder. Diese Sulfideinschlüsse wirken als harte Partikel; beim anschließenden Polieren des Formhohlraums können sie herausgezogen werden oder mikroskopisch kleine Grübchen hinterlassen, die zu Oberflächendefekten wie „Nadellöchern“ oder „Orangenhaut“ führen, die das Erreichen eines hochglänzenden Spiegelfinishs verhindern. Daher sollte sich die Materialauswahl für Formenbauer und -käufer nicht nur auf die „einfache Bearbeitung“ konzentrieren. Den Anforderungen an die Oberflächenqualität der endgültigen Form und der Gesamtlebensdauer müssen Vorrang eingeräumt werden, um die Verwendung von schwefelreichem Stahl zu vermeiden, der zu wenig Geld kosten würde.

2. Was ist der Hauptfaktor, der die Bearbeitbarkeit von Materialien beeinflusst?

Die chemische Zusammensetzung des Stahls ist entscheidend. Generell gilt: Je höher der Legierungsgehalt des Stahls, desto schwieriger ist die Bearbeitung. Mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt nimmt die Bearbeitbarkeit ab.

Auch die Struktur des Stahls ist für die Bearbeitbarkeit von großer Bedeutung. Zu den verschiedenen Strukturen gehören geschmiedete, gegossene, extrudierte, gewalzte und maschinell bearbeitete Strukturen. Schmiede- und Gussteile weisen oft sehr schwer zu bearbeitende Oberflächen auf.

Die Härte ist ein wesentlicher Faktor, der die Bearbeitbarkeit beeinflusst. Generell gilt: Je härter der Stahl, desto schwieriger ist seine Bearbeitung. Mit Schnellarbeitsstahl (HSS) können Materialien mit einer Härte von bis zu 330–400 HB bearbeitet werden; HSS mit Titannitrid (TiN)-Beschichtung kann Materialien bis zu 45 HRC verarbeiten; Für Materialien mit einer Härte von 65–70 HRC müssen Werkzeuge aus Hartmetall, Keramik, Cermet oder kubischem Bornitrid (CBN) verwendet werden.

Nichtmetallische Einschlüsse wirken sich grundsätzlich nachteilig auf die Standzeit von Werkzeugen aus. Beispielsweise ist Al2O3 (Aluminiumoxid), eine reine Keramik, stark abrasiv.

Schließlich kann Eigenspannung zu Problemen bei der Bearbeitbarkeit führen. Nach der Grobbearbeitung wird häufig eine Entspannungsoperation empfohlen.

3. Einfluss von Stahl auf Formen und zukünftige Trends

Die Leistung, Lebensdauer und Kosten von Formen werden direkt von der Stahlauswahl beeinflusst. Zu den Schlüsselfaktoren gehören:

Chemische Zusammensetzung und Struktur: Der Kohlenstoff- und Legierungsgehalt bestimmt Härte, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit. Hochlegierte Stähle bieten Verschleißfestigkeit, sind jedoch schwer zu bearbeiten und erfordern ein Gleichgewicht zwischen Leistung und Kosten. Oberflächenfehler durch Schmieden oder Gießen erhöhen die Herausforderungen bei der Bearbeitung.

Härte und Bearbeitbarkeit: Eine hohe Härte verbessert die Verschleißfestigkeit, erhöht jedoch die Bearbeitungskosten. Werkzeugmaterialien (z. B. HSS, Hartmetall, CBN) müssen basierend auf der Lebensdauer der Form ausgewählt werden (z. B. ist für >1 Million Zyklen HRC 48-65-Stahl erforderlich).

Anforderungen an die Oberflächenqualität: Hohe Polieranforderungen (z. B. Spiegelglanz) erfordern schwefelarme, saubere Stähle, um Defekte durch Sulfideinschlüsse zu vermeiden.

Anpassungsfähigkeit an besondere Umgebungen: Korrosive Kunststoffe (z. B. PVC) erfordern Edelstahl; Bei großen Formen wird häufig vorgehärteter Stahl verwendet, um Verformungen durch die Wärmebehandlung zu minimieren.

4 . Formenbau Zukünftige Trends im

Hochleistungswerkstoffentwicklung: Neue Formenstähle (z. B. pulvermetallurgische Stähle), die hohe Härte, Zähigkeit und Bearbeitbarkeit vereinen.

Fortschrittliche Oberflächenbehandlungen: Beschichtungen (z. B. TiN, DLC) zur Verbesserung der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, wodurch die Abhängigkeit von extremen Grundmaterialeigenschaften verringert wird.

Digitale und intelligente Materialauswahl: Big Data und KI-Simulationen, um die Stahleigenschaften genau an die Betriebsbedingungen der Form anzupassen und so Kosten und Lebensdauer zu optimieren.

Nachhaltige Fertigung: Förderung reparierbarer Formstähle und kohlenstoffarmer Legierungen zur Reduzierung des Ressourcenverbrauchs.