Tiefziehwerkzeug für Kunststoff Tiefziehteile: Aufbau, Werkzeugtypen und Herstellung

Was ist ein Tiefziehwerkzeug?

Ein Tiefziehwerkzeug ist ein spezielles Werkzeug, das im Single-Sheet-Verfahren oder Twin-Sheet-Verfahren verwendet wird, um aus Kunststofffolien- und Platten, die mittels Kunststoff Extrusion hergestellt werden, thermogeformte Kunststoffteile zu formen. Das Material wird durch Erwärmen erweicht und dann mittels Vakuumformen oder Druckluftformen in eine Form gezogen.

Warum braucht man zum Thermoformen ein Tiefziehwerkzeug?

Beim Tiefziehen sind Werkzeuge unverzichtbar. Ohne ein präzises Tiefziehwerkzeug könnte der Kunststoff nicht in die gewünschte Form gebracht werden. Der Werkzeugsatz wird individuell zu jeder Produktentwicklung erstellt. Jedes Werkzeug wird anhand der erwarteten Anforderungen konstruiert und nach Erstellung zur Produktion in der Maschine verbaut – hierbei spricht man auch vom sogenannten Rüsten der Maschine.

Auf Kunststoff spezialisierte Tiefziehwerkzeuge sind daher meist Unikate, die auf ein spezielles Produkt oder Projekt zugeschnitten sind. Der Tiefziehwerkzeug Aufbau ist wesentlich geprägt vom Projektumfang in puncto Stückzahl, Qualitätsanforderungen und Toleranzen.

Welche Funktionen erfüllen Tiefziehwerkzeuge im Prozess?

Thermoforming Werkzeuge erfüllen mehrere Funktionen:

• Formgebung: Ein Tiefziehwerkzeug gibt dem erhitzten Kunststoff die gewünschte Form.
• Kühlung: Ein Tiefziehwerkzeug sorgt für das Abkühlen des Kunststoffs, um die Form zu stabilisieren.
• Oberflächenbeschaffenheit: Tiefziehwerkzeuge beeinflussen die Oberflächenstruktur des fertigen Produkts.

Braucht man jedes Mal ein neues Tiefziehwerkzeug?

Da Tiefziehwerkzeuge für jedes Tiefziehprodukt individuell angefertigt werden, benötigt es für jede Neuentwicklung ein Werkzeug. Ist ein Werkzeug jedoch einmal erstellt, kann über eine sehr lange Lebensdauer daraus produziert werden. Bei Verwendung von Aluminium und regelmäßiger Wartung gilt das für zehntausende oder hunderttausende Produktionstakte.

Was ist der Unterschied zwischen Einfach-Nutzen und Mehrfach-Nutzen?

Ein Nutzen auf dem Werkzeug bildet das tiefzuziehende Produkt ab. Bei kleinen Stückzahlen kann man das Werkzeug mit nur einem Nutzen, also einem Einfach-Nutzen konstruieren, d.h. nur ein Teil wird pro Takt produziert. Bei großen Stückzahlen lohnt es sich oft, ein kostenintensiveres Mehrfach-Nutzen Werkzeug zu erstellen. 

Das bedeutet, das Tiefziehwerkzeug bildet nicht nur eine, sondern mehrere identische Formen des Tiefziehproduktes ab, welche pro Takt produziert werden. Jeder zusätzliche Nutzen im Werkzeug halbiert die benötigte Taktzeit pro Stück und so die Stückkosten.

Was passiert nach der Nutzung mit den Tiefziehwerkzeugen?

Nach dem Gebrauch wird das Werkzeug von der Maschine genommen, gereinigt und untersucht, damit es für den nächsten Einsatz wieder vollumfänglich nutzbar ist. Bei Bedarf werden kleinere Reparaturen oder Anpassungen vorgenommen, bevor das Werkzeug beim Tiefzieher eingelagert wird.

Aus welchen Materialien besteht ein Tiefziehwerkzeug?

Tiefziehwerkzeuge werden in der Regel aus Aluminium hergestellt. Es gibt neben Aluminium jedoch auch weitere, günstigere Materialoptionen, die vor allem für Prototypen oder Bemusterungen verwendet werden, die sich positiv auf die Tiefziehwerkzeug Kosten auswirken:

Aluminium (Standard für Serienwerkzeuge)

Aluminium-Werkzeuge sorgen für die höchste Präzision und Wiederholbarkeit unter allen Werkzeug-Materialien. Beim Tiefziehen ist Aluminium das am häufigsten verwendete Material für Serienwerkzeuge, da es leicht und dennoch robust ist. Es bietet eine gute Balance zwischen Kosten und Langlebigkeit.

Wassergekühlte Aluminiumwerkzeuge sind der Standard, um eine schnelle Kühlzeit bei schnellen Taktzeiten und höchster Wiederholbarkeit zu erreichen. Nur so lässt sich das Tiefziehwerkzeug, welches durch die Berührung am heißen Kunststoff aufgeheizt wird, gleichmäßig auf derselben Temperatur halten. Temperierte Aluminium-Werkzeuge haben zusätzlich tiefgebohrte Kühlkanäle. Beim Tiefziehen wird Kühlwasser durch die Kanäle gespült, um die Hitze des heißen Tiefziehteils vom Werkzeug wegzutragen.

Ureol

Ureol, ein Polyurethan-Hartschaum und wird oft für Prototypenwerkzeuge verwendet, da es einfach zu bearbeiten und kostengünstig ist. Es ist jedoch weniger haltbar als Aluminium und Ureol Werkzeuge sind nur für eine begrenzte Anzahl an Produktionstakten verwendbar.

Kunststoff (3D Druck)

3D-gedruckte Tiefziehwerkzeuge aus Kunststoff sind schnell und kostengünstig herzustellen, und werden oft für die Bemusterung von wichtigen Teilsegmenten des Tiefziehteils eingesetzt. Aufgrund der Temperatur und Belastung beim Tiefziehen können daraus nur eine kleine Anzahl an Mustern hergestellt werden.

Holz

Holz wird als Tiefziehwerkzeug selten verwendet, da es schnell verschleißt und nicht die Präzision und Langlebigkeit anderer Materialien bietet. Es kann jedoch in speziellen Fällen oder für sehr einfache Formen wie Oberstempel- oder Vorstreckstempel (mehr dazu weiter unten) für die Erstellung von Tiefziehwerkzeugen eingesetzt werden.

Aufbau von Tiefziehwerkzeugen

Der Tiefziehwerkzeug Aufbau besteht aus mehreren Komponenten, darunter die Form selbst, Kühlkanäle, die für eine gleichmäßige Abkühlung sorgen, und Haltevorrichtungen, die den Kunststoff während des Prozesses in Position halten. Diese Elemente arbeiten beim Tiefziehen zusammen, um eine präzise und effiziente Formgebung zu gewährleisten.

Ziel ist es, das Tiefziehwerkzeug in einem konstantem Temperaturbereich zu halten, um ein gleichmäßiges Ergebnis zu erzielen.

Die Abbildung zeigt ein Querschnitt des gesamten Aufbaus eines Werkzeugs inklusive einiger Standardwerkzeugkomponenten. Abgebildet sind hier der Untertisch der Maschine (8) und die Trägerplatte (7 in Petrol), auf der das Positiv-Formwerkzeug (13) montiert ist, welches mit Druckluft (1) und Vakuum (9) arbeitet. Das Material (5), also die Kunststoffrolle oder -platte, ist hier in schwarz gekennzeichnet.

Zusätzliche Komponenten von Tiefziehwerkzeugen

Zusätzlich zum obligatorischen Werkzeugsatz (der natürlich ebenfalls von Maschine zu Maschine variiert), können weitere Werkzeugkomponenten erstellt werden. Jede einzelne dieser Komponenten erfüllt einen speziellen Zweck. Es wird beim Konstruieren des Tiefziehwerkzeugs entschieden, ob und in welcher Form separate Komponenten dazu erstellt werden müssen.

Das ist vor allem abhängig von den optischen und mechanischen Anforderungen an das Tiefziehteil. In manchen Fällen wird das Ergebnis durch zusätzliche Komponenten „nur“ optimiert, in anderen sind Zusatzkomponenten für ein funktionales Teil unumgänglich. Hierzu gilt es, sich mit den Werkzeugoptionen auseinanderzusetzen.

Vorstreckstempel

Der Vorstreckstempel, auch Oberstempel genannt, wird zum Vorstrecken und zum Ausformen des Materials benutzt, um bessere Ausformschärfen zu erreichen. Durch das Vorstrecken wird das Material gleichmäßiger verteilt, was tiefe, komplexe Formen und auch die Verwendung dünnerer Ausgangsstärken ermöglicht.

Spannrahmenkomponenten

Spannrahmen spannen das Material beim Tiefziehen von der Kunststoffplatte bei der Verarbeitung ein, um diese bei Verformung an Ort und Stelle zu halten.

Ausstoßer

Automatisierte Ausstoßer unterstützen die Entformung. Diese werden verwendet, um schnellere Taktzeiten zu erlangen und um die Tiefziehteile automatisiert einer Stapeleinheit zuzuführen.

Stapelstationen

Nach dem Entformen und Trennen des Tiefziehteils vom Tiefziehwerkzeug können Stapelstationen automatisiert in Stapeleinheiten stapeln. Dies erleichtert den Entnahme- und Verpackungsprozess von der Maschine.

Was ist der Unterschied zwischen Positiv- und Negativ-Werkzeug im Kunststoff Tiefziehen?

Grundsätzlich wird beim Formvorgang das Halbzeug in die gewünschte Form verstreckt, indem das erhitzte Material in gummi-elastischer Form auf das Werkzeug gebracht wird und darauf erkaltet.

Der Formvorgang lässt sich in zwei Gestaltungsarten unterscheiden: Positiv- und Negativformen. Die Auswahl des Verfahrens ist primär abhängig davon, welche Seite des Tiefziehteils maßgenau sein muss, und ob die geforderte Stabilität eher am Boden oder am Randbereich des Kunststoff Tiefziehteils gehalten werden muss.

Negativ-Werkzeug

Beim Negativformen wird das Halbzeug in die konkave Formkavität gepresst. Dies kann unter Einsatz von Vakuum oder mit zusätzlicher Druckluft geschehen. Für gleichmäßige Wanddicken kann zusätzlich noch mit einem Oberstempel aus einem isolierenden Stoff gearbeitet werden, der während des Formens Material an ausdünnende Stellen am Tiefziehteil nachschiebt.

Vorteile und Nachteile von Negativ-Tiefziehwerkzeugen

Positiv-Werkzeug

Beim Positivformen wird das Halbzeug über eine konvexe Erhebung gezogen. Um Dünnstellen am Randbereich zu vermeiden, wird das Material oft mit Druckluft von unten vorgeblasen.

Vorteile und Nachteile von Positiv-Tiefziehwerkzeugen

Herstellung von Tiefziehwerkzeugen

Tiefziehwerkzeuge für die Kunststoffverarbeitung werden in folgenden Schritten hergestellt:

1. Konstruktion
2. CNC-Fräsen
3. Händisches Nachfräsen

Mehr dazu in den folgenden Abschnitten.

Tiefziehwerkzeug konstruieren

Der erste Schritt in der Herstellung eines Tiefziehwerkzeugs ist die Konstruktion, die üblicherweise mithilfe von CAD-Daten erfolgt, welche die Tiefziehwerkzeug Skizze aufzeigen. Dabei werden die genauen Spezifikationen und Designs des Werkzeugs entwickelt, um sicherzustellen, dass das Thermoforming Werkzeug den Anforderungen entspricht. Mehr dazu lesen Sie hier.

CNC-Fräsen

Nach der Konstruktion wird das Tiefziehwerkzeug mittels 5-Achs CNC-Fräsen aus dem ausgewählten Material herausgearbeitet. CNC-Fräsen bietet eine hohe Präzision, was für die Herstellung hochwertiger Werkzeuge essenziell ist.

Händisches Nachfräsen

Nach dem CNC-Fräsen erfolgt oft eine händische Nachbearbeitung, um Feinheiten zu optimieren, sehr präzise Vakuumlöcher anzubringen und die Oberflächenqualität zu verbessern. Diese Nachbearbeitungsschritte sind essenziell, um sicherzustellen, dass das Tiefziehwerkzeug den hohen Anforderungen der Produktion gerecht wird.

Tiefziehwerkzeuge im Kunststoff Thermoforming - Ein Fazit

Tiefziehwerkzeuge sind für die Herstellung von Kunststoff Tiefziehteilen essenziell. Welche Komponenten zusätzlich noch für die Anforderungen des Tiefziehteils angebracht werden müssen, muss bei der Konstruktion des Werkzeugs bedacht werden, um den Qualitätsansprüchen gerecht zu werden. Daher wird das optimale Tiefziehteil material-, verfahrens- und werkzeuggerecht designt.

Sie wollen mit Ihrem Tiefziehprojekt durchstarten und haben noch weitere Fragen zu Tiefziehwerkzeugen? Dann lesen Sie unseren Design-Guide, welcher Ihnen alle Fragen rund ums Thermoformen beantwortet.