CAD: Computergestütztes Design

**CAM (Computer-Aided Manufacturing)** oder computergestützte Fertigung ist der Einsatz von Software zur Steuerung von Werkzeugmaschinen — Fräsen, Drehmaschinen, Erodiermaschinen, Roboter — auf Basis von CAD-Modellen. Im Werkzeug- und Formenbau wandelt CAM die Werkzeuggeometrie in Bearbeitungsbahnen um, die von CNC-Maschinen ausgeführt werden können. ## CAM in der Spritzgusswerkzeugfertigung Der CAD/CAM/CNC-Workflow ist das Rückgrat der Werkzeugmacherei: Der Konstrukteur erstellt das 3D-Modell in CAD, der Programmierer definiert Operationen (Schruppen, Schlichten, Polieren, EDM) im CAM, und die CNC-Maschine führt den erzeugten G-Code aus. So lassen sich komplexe Geometrien mit Mikrometer-Toleranzen reproduzieren. ## Typische Operationen - 3+2-Achs- und 5-Achs-Simultanfräsen für komplexe Kavitäten - Drehen für zylindrische Einsätze - Draht- und Senk-EDM für feine Details - Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSC) in gehärteten Stählen ## Gängige CAM-Software PowerMill, Mastercam, NX CAM, Cimatron, hyperMILL, SolidCAM und EdgeCAM gehören zu den Branchenführern im Werkzeug- und Formenbau. ## Nutzen und Herausforderungen Reduziert menschliche Fehler, verkürzt Durchlaufzeiten und steigert die Genauigkeit. Erfordert geschulte Programmierer, vorgelagerte Simulation zur Kollisionsvermeidung und maschinenspezifische Postprozessoren.

**CNC (Computerized Numerical Control)** ist die Technologie, mit der eine Werkzeugmaschine programmierte Bahnen über einen elektronischen Controller abfährt, der G-Code und M-Code interpretiert. Im Spritzguss-Werkzeugbau bearbeiten CNC-Maschinen Platten, Kavitäten, Kerne und Einsätze des Werkzeugs. ## CNC in der Werkzeugfertigung Die CNC-Steuerung bewegt die Linearachsen (X, Y, Z) und Drehachsen (A, B, C) nach programmierten Koordinaten und hält Toleranzen von ±5 bis ±50 µm in Schlichtoperationen. Die Genauigkeit hängt ab von Maschinensteifigkeit, Spindelqualität, Wegmesssystemen und Hallentemperatur. ## Häufige CNC-Maschinen im Werkzeugbau - 3-Achs-Vertikal-Bearbeitungszentren (VBZ) für Platten - 5-Achs-Zentren für komplexe Kavitäten und Hinterschnitte - CNC-Drehmaschinen für zylindrische Einsätze und Kerne - Draht- und Senk-EDM für feine Details - CNC-Schleifmaschinen für Sub-Mikrometer-Toleranzen ## Programmierung und Kommunikation G-Code-Programme werden in CAM erzeugt und per Ethernet, USB oder DNC übertragen. Gängige Steuerungen: Heidenhain TNC, Fanuc, Siemens Sinumerik, Mitsubishi und Mazatrol. Jede nutzt leicht abweichende G-Code-Dialekte. ## Häufige Probleme Kollisionen durch Simulationsfehler, thermische Drift an Spindeln, unkompensierter Werkzeugverschleiß und Werkstück-Null-Fehler. Abhilfe schaffen Messtaster, Spindellast-Überwachung und vorbeugende Instandhaltung.

**DFM (Design for Manufacturing / Konstruktion für die Fertigung)** ist die Disziplin, das Teildesign so anzupassen, dass es im Spritzguss wirtschaftlich, reproduzierbar und robust gefertigt werden kann — und Geometrien zu vermeiden, die Ausschuss, lange Zyklen oder teure Werkzeuge verursachen. ## Kern-DFM-Prinzipien für Spritzguss - **Gleichmäßige Wandstärke**: Schwankung <25 % gegen Einfallstellen und Verzug - **Entformungsschräge (Draft)**: mindestens 0,5° pro Seite, 1 – 2° bei Texturen - **Eckenradien**: mindestens 0,5 × Wandstärke gegen Spannungskonzentration - **Rippen**: Höhe 2,5 – 3 × Wandstärke, Rippendicke 50 – 70 % der Nachbarwand - **Dome (Bosses)**: Außendurchmesser 2 × Schraubendurchmesser, keine Materialanhäufungen - **Keine Hinterschnitte**, außer mit Schieber oder Sonderauswerfer ## Empfohlene Wandstärken nach Harz - PP, PE: 0,8 – 3,0 mm - ABS, PS: 1,0 – 4,0 mm - PA, PC: 0,8 – 3,5 mm - POM: 1,0 – 3,0 mm - Faserverstärkt: bis 6 mm möglich ## Nutzen von DFM - 20 – 40 % geringere Werkzeugkosten durch Vermeidung von Schiebern - 10 – 25 % kürzere Zykluszeit durch gleichmäßigere Kühlung - Ausschuss <1 % in stabiler Produktion - Längere Werkzeuglebensdauer durch geringere Belastung kritischer Zonen ## Häufige Fehler Blech- oder Drehkonstruktionen ohne Anpassung an Spritzguss übernehmen, dicke Wände für "mehr Festigkeit" (verursacht Einfallstellen), tiefe Texturen ohne ausreichende Schräge (Kratzer beim Entformen) und hohle Dome ohne Fußradius.

**Werkzeug (Tool / Mold)** ist die mechanische Baugruppe aus Platten, Kavitäten, Anguss- und Kühlsystem, die das Spritzgussteil formt. Es ist die **teuerste Anlagenkomponente** der Operation (10.000 – 500.000 USD) und ihre Auslegung bestimmt alles: Zyklus, Qualität, Produktivität und Stückkosten. ## Hauptbestandteile - **Düsenseitige Platte (Cavity Plate)**: an der Düse, enthält meist die Kavität - **Auswerferseite (Core Plate)**: bewegliche Seite, trägt Kern und Auswerferstifte - **Anguss-System**: Sprue, Runner, Gates (kalt oder heiß) - **Kühlsystem**: Wasser-/Glykolkanäle, konturnah in Premiumwerkzeugen - **Auswerfersystem**: Stifte, Hülsen, Abstreiferplatten, Schieber für Hinterschnitte - **Standardkomponenten**: Führungssäulen, Buchsen, Halter, Sensoren - **Wechselbare Einsätze** in Verschleißbereichen ## Werkzeugtypen - **Einkavität**: Prototypen, große Teile, geringe Produktion - **Mehrkavität** (2/4/8/16/32+): Serienfertigung - **Familienwerkzeug**: unterschiedliche Kavitäten für Teile derselben Baugruppe - **Kaltkanal**: mit Kaltkanälen, die in jedem Zyklus getrennt werden - **Heißkanal**: kein Anguss-Scrap, kürzere Zyklen - **Stack Mold**: zwei Kavitätenebenen zur Kapazitätsverdopplung - **Two-Shot / Mehrkomponenten**: zwei Harze in einem Teil ## Werkzeugwerkstoffe - **1.2311 / P20 (vorgehärteter Stahl)**: Standard für mittlere Serien, gut zerspanbar - **1.2344 / H13**: gehärtete Einsätze, hohe thermische Verschleißfestigkeit - **S136 (Edelstahl)**: hochglanzpolierte Kavitäten, Korrosionsbeständigkeit (PVC, PET) - **Aluminium (7075)**: Prototyp- oder Kleinserienwerkzeuge - **NAK80**: Spiegelpolitur ohne Verzug ## Typische Lebensdauer - Aluminium: 5.000 – 50.000 Zyklen - P20: 100.000 – 1.000.000 Zyklen - Gehärtetes H13: 1 – 10 Mio. Zyklen - Karbid / TZM in Heißkanal-Gates: bis 50 Mio. ## Kritische Wartung Reinigung nach jeder Produktion, Entlüftungsprüfung, Schmierung von Stiften und Führungen, Überwachung der Kühlkanäle (Verkalkung) und Reparatur von Kavitätenschäden, bevor sie sich ausbreiten.