Werkzeugbau und Musterteile in 10 Tagen

Fallstudie: Smart Watch Cover
Fertigungsverfahren:
Werkzeugbau / Formwerkzeugbau
Kunststoffspritzguss
Materialien:
– Werkzeug: Aluminium 7075
– Teile: PC/ABS Legierung – schwarz
Lieferzeit: 10 Tage
Schusszahl: min 10,000+ Teile

Ein Kurzfilm zu diesem Projekt…

e3design company logo

 

Designer and Project Specs

Für den technischen Leiter von e3design und Rapid-Tooling-Veteran Peter Angus ist das Realisieren von Produktideen tägliche Routine. e3design.co.uk ist eine britische Design-Beratungsfirma, die bereits seit 2007 tätig ist. Eine der Hauptkompetenzen von e3design ist das Überprüfen von Ideen und Designs auf ihre Produktionsfähigkeit. In der Fachsprache nennt man diesen Vorgang „design for manufacture (DFM)“. Bei diesem Projekt wurde e3design mit der Aufgabe betraut, die Produktidee für eine Smart Watch zu realisieren. Bei Design und Entwicklung von Serienprodukten geht es nicht nur um ein schönes Äußeres, sondern sie müssen auch mithilfe moderner Technologien produzierbar sein. Man stelle sich vor, der Partner für die Serienproduktion kommentiert eine Produktidee folgendermaßen: „Das sieht wirklich gut aus, aber man kann es so nicht herstellen.“ Die Produktionsrealität wird noch immer von vielen Unternehmen unterschätzt.

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Peter Angus hat seine Arbeit an diesem Projekt aus der Perspektive des Entwicklers erklärt: „Der Ideengeber hatte bereits eine klare Vorstellung davon, wie sich das Design anfühlen und aussehen sollte. In diesem Fall war also der erste Schritt der Konzepterstellung bereits abgeschlossen. Das bedeutet, dass wir uns mit dem Auftraggeber wesentlich häufiger zusammensetzen müssen, um sicherzugehen, dass das, was wir bauen auch den Vorstellungen entspricht, die der Erfinder ursprünglich von dem Produkt hatte. Unsere Aufgabe war es, diese Vorstellungen in ein handfestes Konzept zu überführen, das die Ausstattung mit internen Komponenten und die möglichen Herstellungsverfahren berücksichtigt. Dieser Teil war wahrscheinlich die größte Herausforderung, da man immer wieder Kompromisse eingehen muss. Zum Beispiel, wenn bestimmte Bauteile letztendlich mehr Platz benötigen, als es auf dem Papier erscheint. Die Anforderungen echter Produktionsumgebungen wie Montage oder Nutzerfreundlichkeit können im Entwurf mitunter viel einfacher wirken als in der Realität. Zuerst wurden die internen Abmessungen bestimmt und in ein 3D-CAD-Modell überführt. Jetzt hatten wir ein Skelett-Design, auf das wir den Rest des Designs aufbauen konnten. Wenn dann allerdings noch Komponenten ausgetauscht wurden, konnte das zu einem richtigen Hindernis werden. Das Wichtigste bei dieser Art von Projekt ist, dass wir uns mit dem Kunden regelmäßig über den Projektfortschritt austauschen, um sicherzustellen, dass wir uns alle noch einig über die Richtung des Projekts sind. Das bedeutet mitunter zwar mehr Gespräche und auch mehr Hindernisse, die überwunden werden müssen, aber nur so bekommt der Kunde am Ende genau das, was er wollte“.

Fertigungsverfahren des Werkstücks/der Einzelteile

Schritt 1: Projektprüfung

Nachdem die Bedürfnisse des Kunden ausgiebig besprochen wurden und bei e3design eine Überprüfung des Projekts stattgefunden hatte, waren wir in der Lage, eine konkrete Lösung anzubieten. Wir sicherten die Herstellung zweier Formwerkzeuge für den Spritzguss und die Lieferung der Werkstücke in Produktionsqualität binnen zehn Tagen zu. Alle Teile mussten „as designed“ gefertigt werden – es waren keine Modifikationen oder Designanpassungen erlaubt, da jede Ecke, Profilrippe, jede Erhebung für die passgenaue Montage sitzen musste. Star Rapid ist auf die Fertigung von Prototypen und Kleinserien-Gussformen spezialisiert, einschließlich aller Produktspezifikationen, die vom Kunden für die Serienproduktion benötigt werden.

Dieses Projekt umfasste drei Kunststoff-Bauteile:

  1. Deckel
  2. Gehäuse – schmale Ausführung
  3. Gehäuse – normale Ausführung

 

Schritt 2: Überprüfung des Designs & Fertigung der Formen

Für dieses Projekt benötigten wir zwei Formen. Die erste Form war für die Vorderseite der Smart Watch bestimmt – den Deckel. Die zweite Form, ein 1+1-Werkzeug, diente der Herstellung der zwei Gehäusevarianten – der schmalen und der normalen Ausführung.

Da diese Teile relativ klein sind, setzten wir auf STARs Standard-Formeinsatz-System mit 7075-Aluminium aus der Luftfahrttechnik. Unsere sofort verwendbaren Formeinsätze passen auf eine herkömmliche Aufspannplatte. Dadurch können wir uns auf die Gestaltung von Kern, Kavität und Auswerfer konzentrieren. Mit diesem System reduzieren wir die Kosten und die Lieferzeit für unsere Kunden erheblich – ohne dabei auf Qualität zu verzichten. Unser Werkzeugbauer war in der Lage, Kern und Kavität innerhalb weniger Stunden nach Auftragseingang anzufertigen – eine für diese Branche ungewöhnlich kurze Bearbeitungszeit.

Am Ende dieses Schritts standen zwei Formen bereit:

  • Form 1: Deckel der Smart Watch
  • Form 2: Gehäuse sowie Gehäuse in schmaler Ausführung

Schritt 3: Positive Materialidentifikation (PMI)

Sämtliche für unsere Formen verwendeten Werkstoffe werden mit unserem Optischen Emissionsspektrometer (OES) oder unserer Röntgen-Fluoreszenz-Pistole (RFA) überprüft, die beide von Oxford Instruments stammen. Dank der OES- und RFA-Ausrüstung können wir innerhalb von Sekunden einen ausführlichen Bericht über die Zusammensetzung jedes beliebigen Metalls generieren. Der Vorteil für unsere Kunden: Die Formen sind genau aus dem Metall, das auch angefragt wurde. Zuverlässige Testverfahren und -Geräte sollten zur Standardausrüstung jedes Formenbauers auf der ganzen Welt gehören.

Schritt 4: Bau der Formen

Beide Formen wurden aus 7075-Aluminium hergestellt. AL-7075 bietet im Vergleich zu herkömmlichen Formwerkstoffen gleich mehrere Vorteile: weniger Kosten, schnellere CNC-Bearbeitung, bessere thermische Leistung während des Gussvorgangs – um nur wenige zu nennen. Den Formwerkstoff hatten wir bereits bei der Angebotseinholung basierend auf den Kundenanforderungen ausgewählt. Bei größeren Stückzahlen oder aggressiveren Kunstharzen hätten wir anstelle dessen zu anderen Werkstoffen wie NAK80- oder P20-Werkzeugstahl gegriffen.

Form 1: Deckel
Der Deckel der Smart Watch verfügte über vier Löcher, die sich im rechten Winkel zur Entformungsrichtung des Werkteils befanden (siehe Abbildung). Das Produktionsvolumen für diesen Auftrag war relativ gering. Handgeladene Einsätze waren hier dementsprechend die wirtschaftlichste Lösung. Für größere Stückzahlen wären Backenformen zum Einsatz gekommen.
Der Deckel verfügte außerdem über einige komplizierte Details. Hier sollten auch elektronische Bauteile untergebracht werden. Hierfür griffen wir auf das Funkenerodieren (EDM) anhand einer Elektrode zurück, da jede spitze Ecke und Profilrippe für den exakten Einbau interner Komponenten entworfen worden war. Wir waren uns bewusst, dass sie für die Funktion der Uhr unerlässlich waren. Insgesamt kamen für die Fertigung der einzelnen Merkmale 32 Elektroden zum Einsatz.
Vor der ersten Werkstückfertigung wurde der Kern für den sauberen Auswurf noch poliert und die Kavität – dem Kundenwunsch entsprechend – auf Hochglanz gebracht.

Form 2: Gehäuse schmal + Gehäuse
Die beiden Varianten für den unteren Gehäuseteil hatten relativ ähnliche Geometrien. Wir fertigten also eine 1+1-Form, so dass beide Bauteile in einem einzelnen Werkzeug realisiert werden konnten.
Um die feinen Details der Gehäuse herauszuarbeiten kam EDM zum Einsatz. Die Kavität wurde per Sandstrahlen endbearbeitet, um eine matt-raue Oberflächentextur zu erzeugen. Das Ergebnis war eine gleichmäßige Oberflächenbeschaffenheit auf der sichtbaren Seite der Werkstücks.
Alle Werkzeuge wurden in der erforderlichen Zeit fertiggestellt. Daraufhin wurden sie zur Herstellung der Muster in die Spritzgussfertigung gebracht.

Schritt 5: Kunststoff-Spritzguss

Wir waren nun bereit, die ersten Muster herzustellen und montierten die Formeinsätze in unserer Standard-Aufspannplatte. Danach wurde die Aufspannplatte in die Spritzgussmaschine eingesetzt.
Alle Bauteile in diesem Projekt wurden aus einer PC/ABS-Legierung hergestellt. Diese Legierung bietet das Beste aus beiden Einzelwerkstoffen. PC/ABS bietet eine höhere mechanische Leistungsfähigkeit als ABS und gleichzeitig günstigere Verarbeitungseigenschaften als PC.
Bei der Herstellung des Deckels wurden die Handeinsätze zusammen mit dem Werkstück aus der Form ausgeworfen. Die Handeinsätze wurden anschließend vom Werkstück getrennt und wieder in die Form eingesetzt, damit das nächste Werkstück produziert werden konnte (siehe Video). Dieses manuelle Vorgehen verlängert die Zykluszeit, was sich aber aufgrund der niedrigen Stückzahl dieses Projekts kaum negativ ausgewirkt hat.
Bei der Form für den unteren Gehäuseteil wurde das gespritzte Werkstück hingegen gerade ausgestoßen. Daher konnte der Gussvorgang automatisiert ablaufen und bedurfte keines manuellen Eingreifens.
Alle Teile wurden fristgerecht an den Kunden geliefert, so dass dieser die vollständigen Smart-Watches rechtzeitig für ein großes PR-Event in Frankreich zusammensetzen konnte. Oh, wir hätten beinah vergessen, dass die Edelstahlbeschläge der Uhr auch hier bei Star per CNC fräsen gefertigt wurden. Aber das ist eine andere Geschichte!

Schritt 6: Die fertiggestellten Werkzeuge und Spritzgussteile

 

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