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3D-Druck für den Spritzguss

3D printing - Injection Molding

Die meisten Kunststoffprodukte werden heutzutage durch Spritzguss gefertigt. Doch die Fertigung der Gussformen kann unverhältnismäßig teuer und zeitaufwendig sein. Zum Glück müssen Formen nicht immer aus Metall sein – sie können auch 3D-gedruckt werden.

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

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Schnelle Fertigung von 3D-gedruckten Spritzgussformen für Kleinserien

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

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

Dank günstiger Desktop-3D-Drucker, temperaturbeständiger 3D-Druckmaterialien und Spritzgussmaschinen lassen sich Spritzgussformen betriebsintern drucken, mit denen 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 Ingenieure und Designer Prototypen von Spritzgussformen herstellen und Formkonfigurationen testen können. Außerdem können sie Formen problemlos anpassen und ihre Designs mit geringen Durchlaufzeiten und Kosten iterieren.

Der Stereolithografie-Druck (SLA) ist eine ausgezeichnete Wahl für die Herstellung von Spritzgussformen. Er zeichnet sich durch eine glatte Oberflächenbeschaffenheit und die hohe Präzision aus, die von der Form auf das endgültige Teil übertragen wird und auch das Entformen erleichtert. Mit dem SLA-Verfahren hergestellte 3D-Drucke verfügen über chemische Bindungen, die für Dichte und Isotropie sorgen. So entstehen funktionsfähige Formen in einer Qualität, die mit Fused Deposition Modeling (FDM) nicht erreicht wird. Desktop-SLA-Drucker, wie die von Formlabs angebotenen, vereinfachen den Arbeitsprozess dank ihrer einfachen Implementierung, Bedienung und Wartung.

Zur Unterstützung der Herstellung von Spritzgussformen für Kleinserien hat Formlabs High Temp Resin entwickelt, das eine Wärmeformbeständigkeitstemperatur (HDT) von 238 °C bei 0,45 MPa aufweist – die höchste von allen Formlabs-Kunstharzen und eine der höchsten auf dem Kunstharzmarkt. High Temp Resin hält hohen Spritzgusstemperaturen stand und minimiert die Abkühlzeit. Unser Whitepaper enthält eine Fallstudie des Unternehmens Braskem, das 1500 Spritzgusszyklen mit einem aus High Temp Resin gedruckten Formeinsatz zur Herstellung von Maskenbändern durchführte. Das Unternehmen druckte den Einsatz und platzierte ihn in eine herkömmliche Metallform, die in die Spritzgussanlage integriert wurde. Dies ist eine leistungsfähige Lösung zur schnellen Produktion von mittleren Serien. Der gedruckte Einsatz kann bei einer Weiterentwicklung des Designs und im Fall eines Ausfalls ersetzt werden. Dies ermöglicht es, auf Abruf Formen mit komplexen Geometrien herzustellen, deren herkömmliche Anfertigung schwierig sein würde; gleichzeitig können weiterhin mehrere Schüsse durchgeführt werden. 

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 eine Herausforderung darstellen. Zur Bewältigung dieser Herausforderung hat das französische Startup Holimaker Grey Pro Resin ausprobiert. Es hat eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als High Temp Resin, was eine längere Abkühlungszeit mit sich bringt, jedoch ist es weicher und hält Hunderten Zyklen stand. 

Vor Kurzem hat Formlabs Rigid 10K Resin auf den Markt gebracht, ein intensiv glasfaserverstärktes Material in Industriequalität, das eine Lösung für eine breitere Palette an Geometrien und Spritzgussverfahren darstellt. Rigid 10K Resin verfügt über eine HDT von 218 °C bei 0,45 MPa und ein Zugmodul von 10 000 MPa und ist dadurch sehr stark, extrem starr und wärmebeständig. Novus Applications fertigte im Spritzgussverfahren Hunderte komplexe Schraubkappen mit einer einzigen Form aus Rigid 10K Resin. Wir erwarten, dass bald mehr Unternehmen Rigid 10K Resin zum Druck komplexer Spritzgussformen entdecken werden. 

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Wahl des richtigen Harzes für 3D-gedruckte Spritzgussformen

Aufgrund interner Tests und Fallstudien bei unseren Kunden empfehlen wir, das Kunstharz anhand der Kriterien aus der nachstehenden Tabelle auszuwählen. Drei Sterne bedeuten, dass das Harz sehr gut geeignet ist, ein Stern, dass es weniger gut geeignet ist.

CriteriaHigh Temp ResinGrey Pro ResinRigid 10K Resin
Hohe Spritzgusstemperatur★★★★★
Kürzere Abkühlzeit★★★★★
Hoher Druck★★★★★
Erhöhung der Zykluszahl für komplexe Geometrien★★★★★

Wie man Spritzgussteile mit 3D-gedruckten Formen herstellt

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

Die Art der Spritzgießmaschine hat keinen wesentlichen Einfluss auf den Prozess. Wenn Sie in die Technik das Spritzgießen einsteigen und die Technologie mit begrenztem Investitionsaufwand ausprobieren möchten, könnte eine Benchtop-Spritzgießmaschine, wie die Holipress oder die Galomb Model-B100, eine gute Option sein. 

Silicone Molding
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Rasches Spritzgießen von Kleinserien mit Formen aus dem 3D-Drucker

Laden Sie unser Whitepaper herunter und erfahren Sie mehr über die Richtlinien für die Herstellung von 3D-gedruckten Spritzgussformen, um Kosten zu senken und Lieferzeiten zu verkürzen. Es enthält Fallstudien aus der Praxis bei Braskem, Holimaker und Novus Applications.

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Designrichtlinien für 3D-gedruckte Formen

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 einige hilfreiche Tipps von Anwendern und Fachleuten speziell für gedruckte Polymerformen:

Zur Optimierung der Maßgenauigkeit:

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

Zur Verlängerung der Formstandzeit:

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

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

  3. Sehen Sie große Lüftungsöffnungen vom Rand des Holraums bis zum Rand der Form vor, 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.

Zum Optimieren des Drucks:

  1. 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 Harzkosten und verringert das Risiko von Fehldrucken und Verformungen. 

  2. Verwenden Sie schräge Kanten, um das Entfernen des Teils aus der Konstruktionsplattform zu erleichtern.

  3. Sehen Sie in den Ecken Zentrierstifte zum Ausrichten der beiden Drucke vor. 

Wenn Sie weitere Fragen zum Arbeitsprozess haben, lesen Sie unseren Beitrag  FAQ: Spritzguss mit 3D-gedruckten Formen. Laden Sie für Informationen über den vollständigen Prozess und weitere bewährte Praktiken unser Whitepaper herunter. 

3D-gedruckte Spritzgussformen können auch auf andere Weisen genutzt werden.

3D-gedruckte Spritzgussformen können auch auf andere Weisen genutzt werden.

3D-gedruckte Formen: Techniken für Prototypenfertigung und Produktion

Durch die Kombination von Formenbau und  Desktop-3D-Druck  können Ingenieure und Designer ihr Materialspektrum erweitern und das Potenzial von  3D-Druckern weit über das  Rapid Prototyping  hinaus zur  Produktion nutzen.

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:

Folgen Sie den Links, um unsere Whitepaper mit den spezifischen Richtlinien für die einzelnen Prozesse herunterzuladen.

3D printed molds for thermoforming
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Formenbau durch 3D-Druck

Möchten Sie weitere Anwendungen von 3D-gedruckten Formen kennenlernen? Laden Sie unser Whitepaper herunter, in dem auch das Thermoformen und das Gießen mit Elastomeren vorgestellt werden.

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Silikonformenbau für das Produktdesign

Laden Sie diesen Bericht mit Fallstudien von OXO, Tinta Crayons und Dame Products herunter, um von drei verschiedenen Umsetzungen des Silikonformenbaus in Produktdesign und Fertigung zu erfahren, einschließlich Umspritzung und Insert-Molding.

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