Wie Sie 3D-Druck für den Spritzguss nutzen

Die meisten Kunststoffprodukte werden heutzutage durch Spritzguss gefertigt. Doch die Fertigung der Spritzgussformen kann unverhältnismäßig teuer und zeitaufwendig sein. Zum Glück müssen Formen aber nicht immer aus zerspantem Metall bestehen – sie lassen sich auch 3D-drucken.

Stereolithografie-3D-Druck (SLA) stellt eine kostengünstige Alternative zu gefrästen Aluminiumformen dar. SLA-Teile sind solide und isotrop und es gibt Materialien mit einer Wärmeformbeständigkeitstemperatur von bis zu 238 °C bei 0,45 MPa, die der Hitze und dem Druck beim Spritzgießen standhalten.

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3D-gedruckte Spritzgussformen in einem Aluminiumrahmen und das fertige spritzgegossene Teil.

Dank günstiger Desktop-3D-Drucker, temperaturbeständiger 3D-Druckmaterialien und Spritzgussmaschinen lässt sich betriebsintern Spritzgusswerkzeug drucken, mit dem funktionsfähige Prototypen und kleine Funktionsteile aus Produktionskunststoffen gefertigt werden können. Bei der Kleinserienfertigung (ca. 10 bis 1000 Teile) sparen 3D-gedruckte Spritzgussformen im Vergleich zu teuren Formen aus Metall Zeit und Geld. Sie ermöglichen auch eine agilere Fertigungsweise, bei der Ingenieur- und Designteams Prototypen von Spritzgussformen herstellen und Formkonfigurationen direkt testen können. Außerdem können sie Formen problemlos anpassen und ihre Designs bei geringen Durchlaufzeiten und Kosten iterieren.

Der SLA-3D-Druck ist eine ideale Wahl für den Formenbau. Er zeichnet sich durch eine glatte Oberflächengüte und hohe Genauigkeit aus, die von der Form auf das Gussteil übertragen wird und damit das Entformen erleichtert. Mit SLA gefertigte 3D-Drucke sind dank ihrer chemischen Bindung vollkommen dicht und isotrop, sodass sie funktionsfähige Formen in einer Qualität liefern, die mit Fused Deposition Modeling (FDM) nicht möglich wäre. SLA-Drucker für Desktop und Benchtop wie die von Formlabs angebotenen vereinfachen den Arbeitsprozess dank ihrer leichten Implementierung, Bedienung und Wartung.

Formlabs' Rigid 10K Resin ist ein glasfaserverstärktes Kunstharz in Industriequalität, das ein ideales Material für Formen mit einer breiten Palette an Geometrien und für unterschiedliche Spritzgussbedingungen darstellt. Rigid 10K Resin verfügt über eine Wärmeformbeständigkeitstemperatur von 218 °C bei 0,45 MPa und ein Zugmodul von 10 000 MPa und ist dadurch ein sehr starkes, extrem starres und wärmebeständiges Material, das seine Form unter Druck und Temperatur beibehält, zur Herstellung von präzisen Teilen für den Formenbau. 

All das macht Rigid 10K Resin auch zu Formlabs' beliebtestem Material für die Herstellung komplexer Spritzgusswerkzeuge, was drei Fallstudien in unserem Whitepaper unterstreichen. Das französische industrielle Technikzentrum IPC druckte im Rahmen einer Forschungsstudie Tausende von Teilen daraus, der Vertragshersteller Multiplus nutzte es in der Kleinserienfertigung und das Produktentwicklungsunternehmen Novus Applications fertigte mit einer einzigen Spritzgussform aus Rigid 10K Resin Hunderte Schraubkappen mit filigranem Gewinde.

Als alternatives Material kann High Temp Resin in Betracht gezogen werden, falls die Klemm- und Einspritzdrücke nicht zu hoch sind und Rigid 10K Resin den erforderlichen Einspritztemperaturen nicht widersteht. High Temp Resin hat eine Wärmeformbeständigkeitstemperatur von 238 °C bei 0,45 MPa – die höchste von allen Formlabs-Kunstharzen und eine der höchsten unter den auf dem Markt erhältlichen. Dadurch widersteht das Material hohen Spritzgießtemperaturen und die Abkühlzeit wird minimiert. Unser Whitepaper enthält eine Fallstudie des Unternehmens Braskem, das zur Herstellung von Maskenbändern mit einem einzigen Formeinsatz aus High Temp Resin 1500 Spritzgusszyklen durchführte. Das Unternehmen druckte den Einsatz und platzierte ihn in einer herkömmlichen Metallform, die in die Spritzgießmaschine integriert wurde. Dies ist eine leistungsstarke Lösung zur schnellen Produktion mittelgroßer Serien. 

High Temp Resin ist jedoch ziemlich spröde. Bei komplexen Formen verzieht es sich oder neigt zu Rissen. Für manche Modelle kann das Erreichen von mehr als einem Dutzend Zyklen deshalb eine Herausforderung darstellen. Zur Bewältigung dieses Hindernisses hat das französische Start-up Holimaker zu Grey Pro Resin gewechselt. Es hat eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als High Temp Resin, was eine längere Abkühlzeit mit sich bringt, jedoch ist es weicher und hält Hunderten Zyklen stand. 

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Aufbauend auf internen Tests und Fallstudien unserer Kunden empfehlen wir, das Kunstharz für den 3D-Druck anhand der Kriterien aus der nachstehenden Tabelle auszuwählen. Drei Sterne bedeuten, dass das Kunstharz sehr gut geeignet ist, ein Stern, dass es weniger gut geeignet ist.

Die Komplexität des Spritzgießverfahrens ist weitgehend abhängig von der Teilegeometrie und der Formstruktur. Mit 3D-gedruckten Formen kann eine breite Palette an Thermoplasten verarbeitet werden, darunter PP, PE, TPE, TPU, POM oder PA. Ein Material mit niedriger Viskosität hilft, den Druck zu reduzieren und die Haltbarkeit der Form zu verlängern. Die Kunststoffe Polypropylen und TPE sind einfach zu verarbeiten und ermöglichen eine hohe Zykluszahl. Im Gegensatz dazu erlauben stärker technische Kunststoffe wie PA nur kleinere Serien. Die Verwendung eines Trennmittels erleichtert das Trennen des Gussteils von der Form, insbesondere bei flexiblem Material wie TPU oder TPE. 

Die Art der Spritzgießmaschine hat keinen wesentlichen Einfluss auf den Prozess. Wenn Sie in die Technik des Spritzgießens einsteigen und die Technologie mit begrenztem Investitionsaufwand ausprobieren möchten, könnte eine Benchtop-Spritzgießmaschine wie die Holipress oder die Galomb Model-B100 eine geeignete Option sein. Automatische Spritzgießmaschinen zur Kleinserienfertigung, wie das Desktop-Gerät von Micromolder oder das Hydraulikgerät Babyplast 10/12, sind eine gute Alternative für die Serienproduktion von kleinen Teilen.

Wir empfehlen, sowohl die Designregeln für die additive Fertigung als auch die allgemeinen Regeln für das Design von Spritzgussformen einzuhalten, wie die Berücksichtigung von zwei oder drei Grad Entformungsschrägen, das Einhalten einer gleichmäßigen Wandstärke im gesamten Teil oder das Abrunden der Kanten. Nachstehend erhalten Sie einige hilfreiche Tipps von Anwender*innen und Fachleuten speziell für gedruckte Polymerformen.

Zur Optimierung der Maßgenauigkeit:

• Planen Sie zur Nachbearbeitung und Anpassung der Größe ein Aufmaß der Form ein.
• Drucken Sie einen Formensatz, um die Dimensionsabweichung zu überprüfen, und berücksichtigen Sie diese im CAD-Modell der Form.

Zur Verlängerung der Lebensdauer der Form:

1. Vergrößern Sie den Anguss, um den Druck im Hohlraum zu reduzieren.

2. Gestalten Sie nach Möglichkeit eine Seite des Formwerkzeugs flach, während die andere Seite das Design trägt. Dies senkt das Risiko einer falschen Ausrichtung der Blöcke und der Gratbildung.

3. Fügen Sie große Lüftungsöffnungen vom Rand des Hohlraums bis zum Rand der Form hinzu, sodass die Luft austreten kann. Dies verbessert das Fließverhalten in der Form, minimiert den Druck und verringert die Gratbildung im Angussbereich zur Senkung der Zykluszeit. 

4. Vermeiden Sie dünne Querschnitte: Eine Flächendicke von weniger als 1–2 mm kann sich durch Hitze verformen.

Zur Optimierung des Drucks:

5. Passen Sie die Rückseite der Form an, um den Materialverbrauch zu minimieren: Reduzieren Sie den Querschnitt in Bereichen, die den Hohlraum nicht stützen. Dies spart Materialkosten und verringert das Risiko von Fehldrucken und Verzug. 

6. Fügen Sie Fasen ein, um das Entfernen des Teils von der Konstruktionsplattform zu erleichtern.

7. Sehen Sie in den Ecken Zentrierpins zum Ausrichten der beiden Druckteile vor. 

Falls Sie weitere Fragen zum Arbeitsprozess haben, lesen Sie unseren Beitrag FAQ: Spritzguss mit 3D-gedruckten Formen. Um den gesamten Arbeitsablauf und bewährte Praktiken nachzulesen, laden Sie unser Whitepaper herunter. 

Durch die Kombination von Formenbau und 3D-Druck wird das Materialspektrum im Maschinenbau und Produktdesign erweitert und das Potenzial von 3D-Druckern weit über das Rapid Prototyping hinaus auch für die Produktion nutzbar.

Der Einsatz von 3D-gedruckten Formen, Werkzeugen und Modellen als Ergänzung von Formenbau- und Gussprozessen ist für gewöhnlich schneller und kostengünstiger als die CNC-Bearbeitung. Sie lassen sich zudem besser handhaben als Silikonformen.

Abgesehen vom Spritzguss können 3D-gedruckte Formen für die folgenden Formenbau- und Gussverfahren eingesetzt werden:

• Thermoformen und Vakuumformen
• Silikonformenbau (auch Umspritzen und Insert-Molding)
• Formenbau mit vulkanisiertem Kautschuk
• Schmuckguss
• Metallguss

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