Wie Sie Silikonteile mit 3D-gedruckten Gussformen herstellen

Silikone sind bei einer Vielzahl von Anwendungen beliebte Materialien für weiche Endverwendungsteile. Dazu zählen maßgefertigte Hörgeräte, Film- und Fernsehrequisiten, Prothesen, Griffe von Konsumgütern und vieles mehr.

Dieser Leitfaden liefert einen Überblick über 3D-gedruckte Formwerkzeuge zur Fertigung von Silikonteilen, wie etwa zweiteilige Spritzgussformen, Umspritzformen, Werkzeuge für das Formpressen und verlorene Formen. Diese Methoden können beim Prototyping weicher Silikonprodukte, in der Fertigung von Beta-Prototypen in kleinen Chargen oder auch in der Produktion kundenspezifischer Endverbraucherprodukte zum Einsatz kommen.

Der Leitfaden umfasst eine schrittweise Anleitung zur Herstellung eines Silikon-Schlüsselanhängers mit eingeschlossenem Apple AirTag, bei der bewährte Designpraktiken von verschiedenen Formlabs-Kunden angewandt werden. Einen detaillierten Bericht zum Arbeitsablauf, zur Kunstharzkompatibilität und der empfohlenen Entformung finden Sie in unserem Whitepaper zum Herunterladen.

Formen zur Herstellung von Silikonteilen werden konventionellerweise durch CNC-Bearbeitung aus Aluminium- oder Stahlblöcken gefertigt. Dies gilt sowohl für zwei- oder mehrteilige Spritzgussformen für Flüssigsilikone (LSR) als auch für Formpresswerkzeuge mit einem einzigen Hohlraum zur Anwendung mit einer erhitzten HCR-Silikonplatte, die unter Druck und hohen Temperaturen ausgehärtet wird.

Solche Metallformen werden für gewöhnlich in der Massenproduktion eingesetzt. Kommen Sie beim Prototyping zum Einsatz, fallen wochenlange Durchlaufzeiten und Werkzeugkosten im drei- oder vierstelligen Bereich an, wodurch kleine Designänderungen und deren Tests nur eingeschränkt möglich sind.

Der Desktop-3D-Druck ist jedoch eine leistungsstarke Lösung zur schnellen und kostengünstigen Herstellung der Formwerkzeuge. Er erfordert nur wenig Ausrüstung und macht es dem Fachpersonal somit möglich, die Aufmerksamkeit anderen, höherwertigen Aufgaben zuzuwenden. Durch betriebsinternen 3D-Druck integrieren Hersteller und Produktdesigner Rapid Tooling in den Prozess der Produktentwicklung, sodass das Design und die Materialauswahl noch vor dem Übergang zur Massenproduktion validiert werden können. Auf diese Weise iterieren sie schneller, beschleunigen die Produktentwicklung und bringen bessere Produkte auf den Markt.

Der Stereolithografie-3D-Druck (SLA) ist die ideale Wahl zur Formenherstellung für den Silikonguss, da SLA-Teile eine glatte Oberflächenbeschaffenheit und eine hohe Präzision aufweisen. RTV-Silikone bilden feine Oberflächendetails aber auch -mängel genau ab, sodass die Oberflächenqualität des Formwerkzeugs direkt auf die Oberfläche des fertigen Teils übertragen wird. Eine Form aus einem Schmelzschichtungsdrucker (FDM) würde beispielsweise sichtbare Abdrücke von Schichtlinien auf dem Silikonteil hinterlassen.

Mit Clear Resin von Formlabs (oder anderen transparenten Kunstharzen wie BioMed Clear Resin) ist es zudem möglich, das Einspritzen des Silikons zu beobachten, sodass die Entstehung von Luftblasen oder Leerräumen kontrolliert werden kann und erkennbar ist, wo abgerundete Ecken oder zusätzliche Lüftungsöffnungen notwendig sind.

Der SLA-3D-Druck lässt außerdem eine höhere Designkomplexität zu. In eine 3D-gedruckte Form können Hinterschneidungen oder sonstige komplexe Geometrien eingefügt werden, die mit CNC-Bearbeitung unmöglich oder unerschwinglich wären. 

Auch in seiner mechanischen Leistung ist Formlabs' Clear Resin vielseitig. Das Material kann sowohl für extrem dünne, eierschalenartige Gussformen verwendet werden, die sich zur Freigabe eines Silikonteils leicht abbrechen lassen, als auch für robuste Formpresswerkzeuge, die zahlreiche Male zur Dichtungsringproduktion genutzt werden. Und schließlich verringern preiswerte Fertigungslösungen für den Benchtop die Durchlaufzeiten; Designteams können eine Form 3D-drucken und schon am nächsten Tag mit dem Silikonguss beginnen.

Bei der Verwendung in 3D-gedruckten Formen bildet RTV-Silikonkautschuk filigrane Oberflächendetails wie geprägten Text genau ab. Darüber hinaus sind die meisten gussfähigen Silikone nicht chemisch adhäsiv und lassen sich nach der Aushärtung einfach von 3D-gedruckten Formen abziehen. Eine mechanische Verbindung ist möglich, wenn das Silikon auf eine sehr poröse Oberfläche wie gewebten Stoff gegossen wird. In manchen Fällen kann eine chemische Verbindung mit besonderen Bindemitteln gefördert werden.

In diesem Video erklärt Mack Mor, Senior Product Engineer bei OXO, wie das Unternehmen mit 3D-Druck schnell realistische Silikonteile herstellt. Dabei führt er kurz durch den Prozess des Silikongusses.

Kommt ein Gusswerkstoff wie Silikon in Kontakt mit einer 3D-gedruckten Form, muss die chemische Interaktion der beiden Materialien bedacht werden. Es gibt zahlreiche mögliche Kombinationen aus Silikon, Kunstharz, Schutzbeschichtung und Formtrennmittel, die ausprobiert werden können. Deshalb haben wir uns bei Kunden aus verschiedenen Branchen schlau gemacht, nach erfolgreichen Arbeitsprozessen gefragt und die Rückmeldungen in unserem Whitepaper zusammengefasst. 

Da zur Verarbeitung von RTV-Silikonen weder hohe Temperaturen noch hoher Druck erforderlich sind, lässt es sich auch bei der Prototypenentwicklung mit eingeschränkter Ausrüstung leicht formen. Dadurch sinken die Einstiegskosten, die zur Einführung weicher Bauteile im Designportfolio eines Unternehmens notwendig sind.

Unterschiedliche Produktionsweisen von Silikonteilen führen zu unterschiedlichen Ergebnissen. Folgende Methoden kommen zum Einsatz:

Auch wenn die Ergebnisse der unterschiedlichen Formgebungsverfahren ähnlich aussehen, gibt es einige Kriterien, die bei der Auswahl der Art der Form beachtet werden sollten. Dazu zählen die Geometrie des endgültigen Teils, die Möglichkeit von Hinterschneidungen und Löchern im Design, das Produktionsvolumen und die für den Guss vorgesehenen Materialien. In der untenstehenden Tabelle haben wir einige Richtlinien aufgeführt.

Im untenstehenden schrittweisen Prozess erfahren Sie, wie Sie Silikonteile in kleinen Mengen betriebsintern, schnell und kostengünstig mit 3D-gedruckten Formen herstellen.

In unserem Beispiel erstellen wir eine Form für einen Schlüsselanhänger mit eingebettetem Apple AirTag.

_*Optional

Zunächst einmal benötigen Sie ein CAD-Modell des letztendlichen Teils. Dieses entwerfen Sie entweder in einer CAD-Software oder auch via Reverse Engineering eines existierenden Teils aus einem 3D-Scan.

In unserem Beispiel erstellen wir eine Form für einen Schlüsselanhänger mit eingebettetem Apple AirTag. Dazu verwendeten wir eine digitale Nachbildung des AirTags.

Unser Whitepaper umfasst einen Schritt-für-Schritt-Leitfaden zur Erstellung 3D-gedruckter Formwerkzeuge für dieses Projekt. Die folgenden einfachen Designschritte und bewährten Praktiken gelten für alle Spritzgussformen, Umspritzungsformen und drucklosen Befüllungen:

1. Entwerfen Sie Ihr grundlegendes Füllvolumen (einschließlich eingebetteter Hardware).

2. Legen Sie eine Trennlinie fest und spalten Sie die Form auf.

3. Ziehen Sie das festgelegte Basisvolumen vom Formblock ab.

4. Fügen Sie die Einfüllöffnung für das Silikon hinzu.

5. Bestimmen Sie Lüftungskanäle.

6. Fügen Sie ein Ausrichtungsmerkmal für die eingebettete Hardware hinzu.

7. Arbeiten Sie Kopplungselemente ein, an denen die beiden Formteile ineinandergreifen.

8. Entwerfen Sie einen Einfülltrichter für das Silikon.

9. Passen Sie die Einfüllöffnung an, damit eine Spritze hineinpasst.

10. Fügen Sie Öffnungshilfen wie z. B. Hebelpunkte an der Außenseite hinzu.

Eine detaillierte Schritt-für-Schritt-Anleitung zum Formdesign finden Sie in unserem Whitepaper Herstellung von Silikonteilen mit 3D-gedruckten Werkzeugen.

Verwenden Sie je nach Größe der Form den passenden Kunstharz-3D-Drucker von Formlabs: den Form 3+ für kleinere Formen oder den Form 3L für größere Formate.

Viele Kunstharze eignen sich für diesen Zweck, doch zur Visualisierung des Silikonflusses beim Guss sind Clear Resin und BioMed Clear Resin die ideale Wahl.

In Formlabs' Druckvorbereitungssoftware PreForm bereiten Sie Ihr Modell automatisch auf den Druck vor und senden es an den Drucker. Wir empfehlen den Druck mit einer Schichthöhe von 50 Mikrometern, um ein ausgewogenes Verhältnis zwischen glatter Oberfläche und kurzer Druckzeit zu erzielen.

Da Silikon feine Oberflächendetails wie etwa Schichtlinien abbildet, kann für einige ästhetische Anwendungen auch eine Schichthöhe von 25 Mikrometern erforderlich sein. Richten Sie die Teile auf der Konstruktionsplattform so aus, dass wichtige Innenflächen frei von Stützspuren bleiben. In einigen Fällen kann es sich anbieten, den Block flach auf der Konstruktionsplattform zu positionieren.  

Sobald der Druck der Form abgeschlossen ist, sollten Sie sie waschen und nachhärten und die Stützstrukturen entfernen

Bereiten Sie Ihre Form für den Guss vor, indem Sie Schutzbeschichtungen und Formtrennmittel auftragen. Die Nutzung von Formtrennmittel sollten Sie immer dann in Betracht ziehen, wenn zwei verschiedene Materialien miteinander in Kontakt kommen. Darunter fällt auch eingebettete Hardware, die in eine umspritzte Silikonhülle eingefügt und danach wieder entfernt werden soll. Ziehen Sie die Tabelle mit Arbeitsabläufen von Kunden aus unserem Whitepaper zurate, um Empfehlungen zu erhalten.

Befolgen Sie die Richtlinien auf der Verpackung Ihres gewählten Materials und lassen Sie die Beschichtungen vollständig aushärten oder trocknen, bevor Sie zum nächsten Schritt übergehen. 

Klemmen Sie die Form vorsichtig zu, angefangen in Zugrichtung. Stellen Sie dabei sicher, dass die Teile der Form und jegliche eingeschlossene Elemente richtig ausgerichtet bleiben.

Einklemmen und Befüllen der Silikongussform

Bereiten Sie Ihr gewünschtes Silikonmaterial vor und füllen Sie es in die Form. Für welche Art von Silikonmaterial Sie sich dabei entscheiden sollten, erfahren Sie in unserem Whitepaper.

Entnehmen Sie das Silikonteil aus der Form und schneiden Sie es zu. Ein gewisses Maß an Gratbildung entlang der Trennebene ist normal. Entfernen Sie zunächst ausgetretenes Silikon von der Außenseite der Form. Stemmen Sie die Form auf, indem Sie einen Schlitzschraubendreher oder ein anderes flaches Werkzeug in den Hebelpunkt einsetzen und leicht drehen, um die Versiegelung aufzubrechen. Entnehmen Sie das Silikonteil vorsichtig und beachten Sie, dass Sie eventuell Silikon von den Lüftungskanälen abschneiden müssen.

Nachdem Sie das Silikonteil aus der Form entnommen haben, schneiden Sie den Anguss und die Lüftungskanäle mit einer scharfen Rasierklinge oder einem Seitenschneider vom Teil ab. Verbleibende Unebenheiten können mit angefeuchtetem feinem Schleifpapier vorsichtig entfernt werden. Waschen Sie das Teil abschließend mit Wasser und Seife, um etwaige Rückstände von Schleifpapier und Formtrennmittel zu entfernen.

Abhängig von der Art der Form können Sie diese mehrfach wiederverwenden. Eventuell müssen Sie Lüftungsöffnungen mit einem spitzen Werkzeug säubern und/oder neues Formtrennmittel auftragen, bevor die Form wieder mit Silikon gefüllt werden kann.

Es ist normal, einige Iterationen eines Formendesigns zu durchlaufen, nachdem der vollständige Arbeitsablauf getestet wurde. Einige mögliche Designänderungen sind z. B. die Vergrößerung der Verbindungsstellen oder deren Abstände, die Verschiebung von Ausrichtungsstiften, damit die umspritzten Objekte vollkommen fixiert sind, oder das Hinzufügen von Lüftungsöffnungen in Bereichen, die beim Befüllen zum Einschluss von Luftblasen neigen.

Ob Sie nun Silikonteile mit 3D-gedruckten Formen herstellen, Silikonformen zum Guss anderer Materialien anfertigen oder direkt mit Silikon-ähnlichen Materialien drucken (z. B. die Formlabs-Kunstharze der Familie Flexible & Elastic) – 3D-Druck komplementiert diese Prozesse.

Formlabs' umfassendes und benutzerfreundliches Ecosystem macht den Einstieg in den 3D-Druck von Silikonformwerkzeugen ganz einfach, sodass Sie Ihre Produkte oder Ihr Projektportfolio problemlos um weiche, gummiartige Komponenten erweitern.

Bestellen Sie einen kostenlosen Probedruck, um sich persönlich von den 3D-Druckmaterialien von Formlabs zu überzeugen, und kontaktieren Sie unser Expertenteam, um die passende Lösung für Ihre Anwendung zu finden.