Vertragshersteller nutzt Formen aus dem 3D-Drucker für die Produktion von Kleinserien

Nach dem Beitritt Chinas zur Welthandelsorganisation (WTO) im Jahr 2001 avancierte das Land in den Folgejahren schnell zum weltgrößten Hersteller, gemessen an der Produktionsmenge. Ein Großteil dieser Fertigungskapazitäten konzentriert sich auf die Metropolregion Perlflussdelta, einer Gruppe von neun Städten in der südlichen Provinz Guangdong, zu der auch Shenzhen gehört. Im Jahr 2020 entfiel allein auf diese Region etwa ein Drittel des Produktionsvolumens des Landes. 

Angetrieben durch dieses rasante Wachstum, wurden aus kleinen Produktionsbetrieben schnell internationale Unternehmen. Das Unternehmen Multiplus, das 2005 in Shenzhen als Produktionsbetrieb für Mikrospritzgüsse begann, wuchs schnell zu einem Lösungsanbieter heran, der den gesamten Produktionszyklus abdeckt: vom Entwurf bis zur Fertigung von Kunststoffprodukten, sowohl großer als auch kleiner, Einschuss oder Mehrschuss (wobei zwei oder mehr Farben oder Materialien gleichzeitig in eine einzige Form spritzgegossen werden). Heute bedient Multiplus jedes Jahr mehr als 250 Kunden, darunter auch eine Reihe von Fortune-500-Unternehmen.

Einige davon geben eher kleine Chargen in Auftrag. Die Produktion solcher Chargen via Spritzguss ist in der Regel jedoch kostspielig und zeitaufwändig aufgrund der Komplexität der Fertigungsprozesse für gehärtete Werkzeugausstattung.

Lesen Sie weiter, um zu erfahren, wie Multiplus durch den Einsatz von 3D-gedruckten Spritzgussformen die Durchlaufzeiten kleiner Chargen von etwa 100 Spritzgussteilen von vier Wochen auf nur drei Tage verkürzt.

Sehen Sie im Video, wie Multiplus 3D-gedruckte Spritzgussformen für die Kleinserienproduktion verwendet.

In den meisten Fällen werden die beim Spritzgießen verwendeten Formen aus Metallen wie Stahl oder Aluminium hergestellt. Bei Kleinserien sind Metallformen mitunter jedoch wenig wirtschaftlich, da ihre Herstellung kostspielig und mit einem hohen Zeitaufwand verbunden ist. 

„Kleinserien machen zwar noch nicht das Gros unserer Aufträge aus, doch registrieren wir einen merkbaren Anstieg der Nachfrage nach diesen. Einige sind für die Entwurfs- und funktionelle Validierung vorgesehen, andere für die Endanwendung. Was durchaus Sinn ergibt, denn immer mehr Unternehmen wollen den Markt ausprobieren“, so Kevin Li, CEO von Multiplus.

Vor einigen Jahren hat Multiplus den 3D-Druck eingeführt und seither mehrere 3D-Drucker erworben; zumeist, um Kommunikationsmodelle und Teile für die Entwurfsvalidierung bei verschiedenen Materialien zu drucken. Mit steigender Nachfrage nach der Produktion von Kleinserien hat sich Multiplus dem 3D-Druck zugewandt. So wollte man verschiedene Materialien kennenlernen, um schließlich die kostengünstigste Methode für die Produktion von Kunststoffformen für kleinere Aufträge zu finden. Durch die Fertigung von Spritzgussformen in Kleinserie mit Formlabs 3D-Druckern konnte im Vergleich zur Bearbeitung von Aluminiumformen der kosten-, arbeits- und zeiteitaufwand gesenkt werden. Zudem ließ sich das Verfahren nahtlos in Verbindung mit den von Multiplus eingesetzten industriellen Spritzgussmaschinen von Babyplast verwenden.

Eines der Materialien, die Multiplus testete, war das Rigid 10K Resin von Formlabs, ein glasgefülltes Kunstharz, das sehr starr, stark, aber auch hitzebeständig und chemikalienbeständig ist, was die notwendigen Eigenschaften für einen Spritzguss sind. Zudem zeichnen sich die mit dem Rigid 10K Resin über den Form 3 SLA-3D-Drucker gedruckten Teile durch glatte, matte Oberflächen aus. Bei Spritzgussteilen wird somit eine reine Oberflächenbeschaffenheit erzielt. 

„Nicht viele Materialien aus dem 3D-Drucker können dem anhaltenden Druck sowie dem ständigen Erhitzen und Abkühlen während des Spritzgussverfahrens standhalten. Wir haben die Erfahrung gemacht, dass selbst mit einem Material, von dem behauptet wird, es widerstehe hohen Temperaturen, die gedruckte Form vielleicht 10 bis 20 Spritzzyklen übersteht, kurz danach aber einreißt oder die Qualität schlechter und im Ergebnis das Endverbrauchsteil unansehnlich wird. Bei der ersten Charge, die wir mit den Formen aus Rigid 10K Resin fertigten, konnten 100 Teile ohne Probleme produziert werden“, erinnert sich Lin Wei, Bereichsleiter Spritzguss bei Multiplus.

Multiplus hat Spritzgussteile mit ABS, PP, PC+ABS und PC getestet. Nach dem Entwurf der Form haben sie die Form an einem Tag gedruckt und nachbearbeitet, die Formen im Montagebereich in etwa einer halben Stunde zusammengebaut und den Spritzguss mithilfe ihrer Spritzgießmaschinen begonnen. Mit Beginn des Spritzgusses braucht es etwa 3 Minuten, bis ein Teil fertiggestellt ist. Multiplus begrenzt jede Form auf eine Nutzung von etwa 100 Schuss und druckt für größere Bestellmengen mehrere Formen. 

Mit seinem Inventar aus mehreren 3D-Druckern und Spritzgussmaschinen schafft Multiplus innerhalb von nur 3 Tagen Hunderte von Teilen – ein erheblicher Zeitgewinn gegenüber den 3 bis 4 Wochen, die für den Spritzguss derselben Teile mittels CNC-gefertigten, metallenen Formen eingeplant werden müssen.

Multiplus hat seine Spritzgussformen aus dem 3D-Drucker mit einer Babyplast 10/12 Standardmaschine bei einer Vielzahl von Druckzahlen, Temperaturen und Materialien verwendet. Bei dem getesteten Teil handelte es sich um ein Bedienelementkastengehäuse für Heimanwendungen, einschließlich einiger kleiner Details. 

Bei den Tests zeigte sich, dass bei 180 °C gespritztes PP recht schnell zu verarbeiten war. Multiplus hat Spritzgussteile in guter Qualität und mit einer glatten Oberfläche erhalten. Die gedruckte Form war nach 100 Spritzverfahren immer noch in gutem Zustand. Gleichsam wurde ABS bei 220 °C für 60 Schuss verarbeitet, ohne dass die Form Schaden genommen hat. Multiplus hat aufgrund seines eng getakteten Produktionsplans keine Fehlertests für die Formen durchgeführt, erwartet für PP, ABS und PC-ABS aber eine Lebensdauer von 100 Iterationen. 

Bei Versuchen mit Polycarbonat und einer Temperatur von 260 °C zerbrach die Form nach gerade einmal vier Iterationen. Dies belegt, dass Kunststoffe über 250 °C mit hoher Viskosität mit einer 3D-gedruckten Form aus Rigid 10K Resin schwierig herzustellen sind, insbesondere für diese Geometrie mit dünnen Wänden. High Temp Resin hat eine höhere Wärmeformbeständigkeitstemperatur und kann als Materialalternative angesehen werden, wenn der Druck beim Klemmen und Spritzgießen nicht zu hoch ist.

Multiplus hat den 3D-Druck nahtlos in seine Abläufe rund um den Spritzguss integriert. Dadurch konnte das Unternehmen sein Wachstum fördern, seine Auftragskapazitäten erhöhen und sich stärker gegenüber Wettbewerbern positionieren – all dies bei geringeren Kosten, einer Verbesserung der Durchsatzzeit und Produktergebnissen, mit denen seine Kunden besser und schneller in den Markt gehen können. 

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