Werkzeugherstellung: Werkstoffe, Techniken & Lieferanten

Werkzeuge sind allgegenwärtig! Von kleinen Heimwerker-Sets bis hin zu großen Industrieanlagen – Werkzeuge sind die Grundlage für produktives Arbeiten. Bei Installationen, im Bauwesen und in der Fertigung spielen sie eine entscheidende Rolle. Genauso wichtig wie die Werkzeuge selbst sind die Werkzeughersteller. Zuverlässige Werkzeughersteller produzieren Werkzeuge, die den Anforderungen verschiedenster Branchen gerecht werden. Sie bieten eine breite Produktpalette an Werkzeugen an. Für die Werkzeugherstellung werden zahlreiche Maschinen und Materialien benötigt. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die Grundlagen der Werkzeugherstellung.

Werkzeugherstellung: Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung

Die Werkzeugherstellung beginnt mit einer guten Konstruktion. Funktionale Anforderungen werden im Konstruktionsprozess berücksichtigt. Anschließend erfolgt die Materialauswahl, die maßgeblich für die Langlebigkeit der Werkzeuge ist. Basierend auf den gewünschten Eigenschaften wird ein geeignetes Fertigungsverfahren eingesetzt. Durch Oberflächenbearbeitungen werden die Werkzeuge optisch ansprechend gestaltet und erhalten weitere Eigenschaften wie Härte, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit. Abschließend sichern Inspektion und Prüfung die Qualität der Werkzeuge.

Entwerfen Sie die Werkzeuge

Die Werkzeugkonstruktion ist der entscheidendste Schritt in der Werkzeugherstellung. Nur eine durchdachte Konstruktion erfüllt langfristig ihren Zweck. Ingenieure berücksichtigen bei der Konstruktion Belastungsbedingungen, Materialien, Ergonomie und Herstellbarkeit. Die Standardwerkzeugfertigung folgt einem standardisierten Verfahren. Die kundenspezifische Werkzeugherstellung erfordert eine detailliertere Konstruktionsplanung. Die Ingenieure legen Aspekte wie Geometrie, Abmessungen, Toleranzen und Materialien fest. In der Präzisionswerkzeugfertigung werden üblicherweise alle Konstruktionsmerkmale in einem CAD-Modell abgebildet. Automatisierte Maschinen wie CNC-Maschinen oder 3D-Drucker nutzen diese CAD-Dateien zur Werkzeugherstellung.

Geeignete Materialien für Werkzeuge auswählen

Die Materialauswahl ist ein weiterer wichtiger Schritt in der Werkzeugherstellung. Werkstoffe bestimmen nicht nur die Funktionalität von Werkzeugen, sondern beeinflussen auch zahlreiche weitere Faktoren. Härte, Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit sind intrinsische Materialeigenschaften. Sie bestimmen die Lebensdauer und Funktionalität von Werkzeugen unter spezifischen Betriebsbedingungen. Daher eignen sich Werkstoffe wie Werkzeugstähle, Schnellarbeitsstähle, Hartmetalle und Keramiken jeweils für bestimmte Anwendungen.

Die richtigen Werkzeugherstellungsverfahren auswählen

Gängige Werkzeugherstellungsverfahren wie CNC-Bearbeitung, Schmieden, Gießen und Pulvermetallurgie werden je nach Anwendung, Werkzeugkonstruktion und Material eingesetzt.

• Die CNC-Bearbeitung ist bekannt für ihre hohe Präzision und Maßgenauigkeit.
• Durch das Schmieden entsteht ein feinkörniges Mikrogefüge, das die Zähigkeit der Werkzeuge erhöht.
• Das Gießen ermöglicht eine kostengünstige Herstellung komplex konstruierter Werkzeuge.
• Durch Pulvermetallurgie lassen sich Werkzeuge mit speziellen Eigenschaften ausstatten, beispielsweise mit Selbstschmierung.

Prüfung und Test der Werkzeugqualität

Inspektion und Prüfung gewährleisten die Leistungsfähigkeit der gefertigten Werkzeuge. Die Ergebnisse dieser Prüfungen tragen zur Verbesserung des Werkzeugherstellungsprozesses bei. Gut ausgestattete Labore mit Messschiebern, Mikrometern, Koordinatenmessgeräten, Rockwell-Härteprüfgeräten, Korrosionsmessgeräten und verschiedenen zerstörungsfreien Prüfgeräten (ZfP) etc. gewährleisten einen zuverlässigen Inspektionsprozess.

Verbesserung von Werkzeugen durch Oberflächenbehandlung

Nachdem die Werkzeuge geformt wurden, können sie Oberflächenbehandlungsverfahren unterzogen werden, um Ästhetik und Funktionalität zu verbessern.

• Durch Schleifen und Polieren wird die Oberfläche des Werkzeugs geglättet und die Kanten werden geschärft.
• Durch Verzinkung und Lackierung werden die Werkzeuge vor Korrosion geschützt.
• Harte Keramiken und Hartmetalle erhöhen die Härte der Werkzeugoberfläche.

Materialien, die bei der Werkzeugherstellung verwendet werden

In der Werkzeugherstellung wird eine breite Palette an Werkstoffen verwendet. Jeder Werkstoff eignet sich für bestimmte Anwendungen. Der gebräuchlichste Werkstoff ist Werkzeugstahl . Daneben gibt es hochharte Werkstoffe wie Hartmetalle und Keramiken, die für Spezialaufgaben eingesetzt werden. Weitere gängige Werkstoffe sind Aluminiumlegierungen, Bronze, Messing und Stahl.

Werkzeugstähle für die Werkzeugherstellung

Werkzeugstähle sind hinsichtlich Verarbeitbarkeit, Wirtschaftlichkeit, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit sehr vielseitig. Obwohl sie nicht die Härte und Hochtemperaturstabilität von Hartmetallen erreichen, eignen sie sich für die meisten praktischen Anwendungen hervorragend. Ausgezeichnete Verarbeitbarkeit und Wirtschaftlichkeit sind die herausragendsten Merkmale von Werkzeugstählen. Daher werden sie zur Herstellung zahlreicher Werkzeuge wie Schneidwerkzeuge, Matrizen, Formen und Handwerkzeuge verwendet.

Extrem harte Werkstoffe zur Werkzeugherstellung

Für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung harter Metalle wie Gusseisen werden häufig Werkzeuge aus ultraharten Werkstoffen benötigt. Hartmetalle und Keramiken sind gängige Beispiele hierfür. Hartmetalle bieten ein gutes Verhältnis von Zähigkeit, Hochtemperaturstabilität und Härte. Sie werden häufig für die meisten Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Härte erfordern. Keramikwerkzeuge sind Hartmetallen hinsichtlich Härte und Hochtemperaturstabilität sogar noch überlegen. Ihre Sprödigkeit beschränkt ihren Einsatz jedoch auf vorhersehbare Bedingungen.

CNC-bearbeitbare Werkstoffe für die Werkzeugherstellung

Einige Werkstoffe werden speziell aufgrund ihrer hervorragenden Bearbeitbarkeit und ihrer funktionalen Vorteile in bestimmten Werkzeuganwendungen ausgewählt. Sie werden für spezielle Anwendungen wie Rapid Tooling, Prototypenformen, Vorrichtungen und Lehren eingesetzt. Hier ein kurzer Vergleich der Werkstoffe:

Aluminiumlegierungen

Aluminium und seine Legierungen sind weich und gut bearbeitbar. Sie sind leicht und korrosionsbeständig. Dank ihrer schnellen Bearbeitbarkeit eignen sie sich für Prototypenformen, Werkzeuge für weiche Werkstoffe und die Serienfertigung.

Kupferlegierungen

Kupferlegierungen wie Bronze und Messing sind gut bearbeitbar. Ihre hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit macht sie geeignet für die Herstellung von weichen Spannbacken, jedoch nicht für CNC-Schneidwerkzeuge, da Kupfer weicher als die meisten Aluminiumlegierungen ist. Aufgrund seiner ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit eignet es sich auch ideal für die Herstellung von Grundplatten und Positionierblöcken.

Rostfreier Stahl

Edelstahl ist korrosionsbeständig, robust und kostengünstig. Er wird häufig zur Herstellung von Formen, Werkzeugen, Positionierelementen, Stützen und Werkzeugschäften usw. verwendet.

Gängige Techniken zur Werkzeugherstellung

Die Werkzeugherstellung nutzt verschiedene Techniken. Einige Techniken werden kombiniert, andere wiederum einzeln eingesetzt. Die Wahl der Werkzeugherstellungstechniken hängt von Faktoren wie Kosten, Herstellbarkeit, Präzision und Material ab.

Schleifen

Das Schleifen gilt oft als abschließender Arbeitsschritt nach der Werkzeugherstellung. Dabei werden Schleifscheiben verwendet, um die Oberfläche zu glätten. Durch Schleifen werden auch die Maße feinjustiert. Üblicherweise werden harte Werkstoffe wie Gusseisen oder gehärteter Stahl zunächst auf etwas größere Abmessungen bearbeitet und anschließend auf die exakten Maße geschliffen.

EDM

EDM steht für „Funkenerosion“. Elektrische Funken zwischen Elektrode und Werkstück schmelzen und tragen das Material kontrolliert ab. Da kein mechanisches Schneiden erforderlich ist, lassen sich komplexe Geometrien gemäß CAD-Daten problemlos realisieren. Feine Details und komplexe Merkmale können so einfach in die Werkzeugherstellung integriert werden. Die einzige Einschränkung besteht darin, dass EDM nur für elektrisch leitfähige Materialien wie Stahl, Superlegierungen und Kupfer etc. geeignet ist.

Additive Fertigung

Der 3D-Druck ist ein Beispiel für additive Fertigung. Er baut das Werkzeug Schicht für Schicht auf. Es handelt sich um einen hochautomatisierten, computergesteuerten Prozess. Er ermöglicht die Herstellung komplexer Werkzeuge. Da die Einrichtungskosten gering sind, eignet er sich ideal für schnelles Prototyping und die Fertigung kleiner Stückzahlen. Der 3D-Druck ist mit Metallen, Polymeren und Verbundwerkstoffen kompatibel.

CNC Dienstleister

Die CNC-Bearbeitung ist ein automatisiertes und computergesteuertes Fertigungsverfahren. Im Werkzeugbau bietet sie eine herausragende Gleichmäßigkeit in Qualität, Präzision und Maßgenauigkeit. Sie eignet sich hervorragend für eine Vielzahl von Materialien. Einige CNC-Maschinentypen, wie beispielsweise 5-Achs-Maschinen, ermöglichen eine sehr hohe Konstruktionskomplexität. Neben anderen Fertigungsanwendungen wird die CNC-Bearbeitung häufig für die schnelle Prototypenerstellung eingesetzt. Sobald ein Prototyp fertiggestellt ist, können dieselben CAD-Dateien für die Serienproduktion verwendet werden.

Normen für die Werkzeugherstellung

International anerkannte Normen bilden den Rahmen für Materialauswahl, Abmessungen, Toleranzen, Passungen, Oberflächenbearbeitung und Qualitätsmanagement. Die Einhaltung dieser Normen gewährleistet reproduzierbare Ergebnisse unabhängig vom Produktionsumfang.

Materialstandards

Es gibt international anerkannte Normen wie ISO, DIN, JIS, ASTM, GB, NZS, AS usw. Werkzeugwerkstoffe müssen hart und verschleißfest sein. Diese Normen legen Anforderungen an Zugfestigkeit, Härte und Streckgrenze der Werkstoffe fest. Die Werkzeugherstellung sollte auf diesen Normen basieren.

Toleranznormen

Toleranznormen legen die zulässigen Maßabweichungen fest. Üblicherweise wird ISO 286 zur Definition von Passungen und Toleranzen für Bohrungen und Wellen verwendet. ISO 2768 hingegen wird im Allgemeinen für Toleranzen herangezogen. Die Einhaltung dieser Normen gewährleistet die korrekte Passung der Werkzeuge bei der Montage und die Austauschbarkeit der Bauteile.

Standards für die Oberflächenbeschaffenheit

Oberflächenbeschaffenheitsnormen wie ISO 1302 legen Spezifikationen für Oberflächenrauheit und -textur fest. Diese beeinflussen die Leistung, Reibung und Verschleißfestigkeit von Werkzeugen.

Normen für die Qualitätsprüfung

ISO 9001 ist ein international anerkannter Standard für Qualitätsmanagementsysteme. Er bietet Richtlinien für Prüfverfahren und legt Standardarbeitsanweisungen (SOPs) fest. Er beschreibt sowohl vorbeugende als auch korrektive Maßnahmen zur Fehlervermeidung. Ein ordnungsgemäßer Prozessablauf gemäß ISO 9001 gewährleistet hohe Wiederholgenauigkeit und gleichbleibende Qualität in der Werkzeugherstellung.

Vorteile der CNC-Bearbeitung für die Werkzeugherstellung

CNC ist ein Präzisionsfertigungsverfahren für den Werkzeugbau. Es ist effizient, präzise und wiederholgenau. Darüber hinaus eröffnet der hohe Grad an Individualisierung enorme Möglichkeiten zur Herstellung von Spezialwerkzeugen. Hohe Konsistenz, präzise Abmessungen, geringer menschlicher Eingriff und hohe Individualisierbarkeit machen CNC zu einem lukrativen Verfahren für die Werkzeugherstellung.

Hohe Fertigungseffizienz

Diese Automatisierung führt zu gleichbleibenden Ergebnissen bei minimalem Ausschuss. Weniger manuelle Eingriffe bedeuten weniger menschliche Fehler. CNC unterstützt die effiziente Werkzeugherstellung durch:

• Hochgeschwindigkeitsschneiden
• Optimierte CAM-Strategien
• CNC-Drehen, Fräsen und Schleifen zur Herstellung verschiedener Merkmale in kurzer Zeit

Hochpräzise Bearbeitung

Enge Maßtoleranzen im Mikrometerbereich sind möglich. Selbst komplexe Geometrien erfüllen ihre strengen Toleranzanforderungen zufriedenstellend. CAM unterstützt die Generierung hochpräziser Werkzeugwege.

Gleichbleibende Qualität gewährleisten

Identische Produkte gleicher Qualität können immer wieder gefertigt werden. Der gesamte Prozess folgt für jeden Fertigungsauftrag demselben Programm. Solange das Programm unverändert bleibt, bleibt die Qualität konstant.

Herausforderung der Werkzeugherstellung

Einfache Werkzeuge lassen sich zwar leicht herstellen, doch die Anforderungen der Hightech-Industrie stellen eine Herausforderung dar. Enge Toleranzen, komplexe Formen und harte Materialien sind oft schwer zu fertigen.

Extrem hohe Präzision

Kritische Bauteile in Hightech-Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie und Medizintechnik erfordern höchste Präzision. Schon Abweichungen im Mikrometerbereich machen manche Bauteile unbrauchbar. Faktoren wie Maschinenbeschränkungen, Wärmeausdehnung, Werkzeugverschleiß und Vibrationen erschweren diese Aufgabe zusätzlich.

Harte Materialien

Viele Werkzeugmaschinen bestehen aus harten Werkstoffen wie Werkzeugstählen, Hartmetallen und Keramik. Einfache Bearbeitungstechniken eignen sich daher möglicherweise nicht für die Werkzeugherstellung. Gängige Fertigungsverfahren sind CNC-Bearbeitung, Schleifen, Funkenerosion usw. Bei der CNC-Bearbeitung erweisen sich harte Werkstoffe aufgrund ihrer hohen Festigkeit, Verschleißfestigkeit und geringen Zerspanbarkeit als schwierig zu bearbeiten.

Komplexere Geometrien

Mit zunehmender Komplexität wird die Werkzeugherstellung schwieriger. Die Aufrechterhaltung von Merkmalen wie Schneidkanten, internen Kühlkanälen und mehrachsigen Konturen stellt eine Herausforderung dar. Werkzeughersteller müssen daher möglicherweise auf fortschrittliche Techniken wie die 5-Achs-CNC-Bearbeitung zurückgreifen.

Warum ist Rapid Prototyping für die Werkzeugherstellung wichtig?

Rapid Prototyping steigert die Entwicklungseffizienz. Anstatt Zeit und Ressourcen für Korrekturmaßnahmen zu verschwenden, beugt Rapid Prototyping solchen Verschwendungen vor. Die Validierung von Designs im Rahmen der Werkzeugprototypenentwicklung reduziert Kosten und verkürzt Durchlaufzeiten.

Validierung der Entwurfsmachbarkeit

Prototypenwerkzeuge helfen Werkzeugherstellern, Konstruktionen vor der Serienproduktion zu testen und zu bewerten. Probleme hinsichtlich Passform, Funktion und Leistung lassen sich frühzeitig erkennen. Ingenieure beheben dann die Konstruktionsfehler und optimieren die Geometrien.

Kosten reduzieren

Die Prototypenentwicklung von Werkzeugen reduziert Kosten, die durch Fehler und Nachbesserungen entstehen. Anstatt teures Material in Versuch-und-Irrtum-Zyklen zu verschwenden, werden Konstruktionsmängel frühzeitig erkannt. Geringer Ausschuss und ein niedrigerer Aufwand für Forschung und Entwicklung bei Nachbesserungen in der laufenden Produktion senken die Kosten drastisch.

Vorlaufzeit verkürzen

Die Prototypenerstellung von Werkzeugen beschleunigt die Produktentwicklung. Durch die umfassende Validierung und Prüfung vor der eigentlichen Produktion werden Unterbrechungen in der Werkzeugherstellung minimiert. Rapid Prototyping ermöglicht einen schnellen Übergang zur Serienproduktion.

Warum sollten Sie sich für einen kundenspezifischen Werkzeugherstellungsservice entscheiden?

Unter bestimmten Bedingungen erfordern spezifische Leistungsanforderungen den Einsatz von Sonderwerkzeugen. Die Sonderwerkzeugfertigung ermöglicht die Integration maßgeschneiderter Anforderungen in die Werkzeuge. Aus Leistungssicht führen Sonderwerkzeuge zu höherer Effizienz.

Erfüllen Sie spezifische Anforderungen

Standardisierte Werkzeuge genügen in manchen Fällen nicht den Anwendungsanforderungen. Spezielle Leistungsanforderungen erfordern maßgeschneiderte Lösungen. Die Fertigung von Sonderwerkzeugen ist exakt auf diese Anforderungen zugeschnitten. Merkmale wie spezielle Schnittwinkel und individuelle Profile können in die Werkzeuge integriert werden. Dies verbessert die Kompatibilität der Werkzeuge mit den jeweiligen Anwendungen.

Verbesserung der Werkzeugqualität

Die kundenspezifische Werkzeugherstellung erfordert eine umfassende Berücksichtigung der Anwendungsanforderungen. Die Qualität kundenspezifischer Werkzeuge ist stets höher als die von Standardwerkzeugen. Konstruktion und Materialauswahl berücksichtigen alle Aspekte der Werkzeugnutzung. Dadurch wird die Werkzeugherstellung optimal auf die jeweilige Anwendung abgestimmt.

Kosten sparen

Obwohl die Einrichtungskosten für die kundenspezifische Werkzeugherstellung höher sind, zahlt sich dies langfristig aus. Die durch Werkzeugoptimierung erzielte Leistungssteigerung verlängert die Werkzeuglebensdauer. Perfekte Werkzeuge bedeuten weniger Fehler und geringere Ausfallzeiten.

Die folgende Tabelle vergleicht Standardwerkzeuge und kundenspezifische Werkzeuge:

Wie wählt man geeignete Werkzeughersteller aus?

Kunden suchen oft nach dem passenden Werkzeughersteller. Nicht alle Anbieter sind gleich. Produktqualität, Konsistenz, Zuverlässigkeit und Kundendienst sind einige der Kriterien, die bei der Auswahl eines Anbieters zu berücksichtigen sind.

Herstellungsfähigkeit

Ein guter Werkzeughersteller sollte über alle relevanten Fertigungsanlagen verfügen. Optimal ist es, wenn alle Leistungen im eigenen Haus erbracht werden. Der Werkzeughersteller sollte in der Lage sein, kundenspezifische Werkzeuge herzustellen. CNC-Maschinen, Schleifanlagen und EDM-Verfahren sind hierfür wichtig. Für besonders komplexe Konstruktionen können 3+2-Achs- oder 5-Achs-CNC-Maschinen erforderlich sein.

Qualitätskontrollsystem

Qualitätskontrollsysteme sind entscheidend für die Gewährleistung von Konsistenz und Wiederholgenauigkeit. Sie ermöglichen Werkzeugherstellern, realistische Liefertermine zu nennen und Aufträge sowie Reklamationen effizient zu bearbeiten. Rückverfolgbarkeitssysteme stärken das Kundenvertrauen. Werkzeughersteller, die die ISO 9001-Norm erfüllen, bieten in der Regel einen besseren Service als andere.

Service nach dem Verkauf

Ein zuverlässiger Lieferant liefert nicht nur gute Produkte, sondern bietet auch im Anschluss effiziente Lösungen. Neben Wartungs- und Reparaturmöglichkeiten benötigen Kunden häufig technische Unterstützung. Gute Lieferanten erfüllen diese Kundenwünsche.

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Fazit

Werkzeuge sind in vielen Bereichen unseres Lebens unverzichtbar. Von kleinen Haushaltswerkzeugkästen bis hin zu industriellen Anlagen – Werkzeuge sind allgegenwärtig. Konstruktion, Validierung und Materialauswahl spielen eine entscheidende Rolle für die Perfektionierung der Werkzeugherstellung. Für spezielle Aufgaben ist oft eine individuelle Anpassung der Werkzeuge erforderlich. Gut ausgestattete Hersteller können die Leistungsanforderungen an Werkzeuge am ehesten erfüllen. Es existieren verschiedene international anerkannte Normen. Zuverlässige Hersteller halten sich in der Regel an diese Normen, um beste Qualität zu liefern.

FAQ

Wie sieht der Werkzeugbauprozess in der Fertigung aus?

Es umfasst die Konstruktion, Entwicklung und Produktion von Werkzeugen.

Was versteht man unter Werkzeugen in der Fertigung?

Werkzeugbau bezeichnet die Herstellung und Verwendung von Werkzeugen, Matrizen, Formen und Vorrichtungen zur Formgebung von Teilen.

Was ist der Unterschied zwischen Werkzeugen und Werkzeugen?

Werkzeugbau ist ein Oberbegriff, der eine Sammlung von Matrizen, Formen, Vorrichtungen und Lehren umfasst. Ein Werkzeug hingegen bezeichnet oft ein einzelnes Objekt, beispielsweise eine...