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Interview

Wie Braskem den 3D-Druck für den Spritzguss nutzte

Der Formenbau wird in verschiedenen Sektoren von Produktdesignern, Unternehmern und Lehrern eingesetzt, um Kleinserien zu fertigen, Prototypen komplexer Formen zu kreieren, die Produktion mit Kunststoffen für die Endverwendung zu testen und vieles mehr. Der Spritzguss ist ein besonders vielseitiger Prozess, der für die Herstellung von Großserien eingesetzt wird.

Ingenieure und Designer, die Spritzguss nutzen, erhalten durch die Kombination des Formenbaus mit einem Formlabs 3D-Drucker günstige und schnell hergestellt Formen. 3D-gedruckte Spritzgussformen, die als Ergänzung zum Formenbau genutzt werden, lassen sich für gewöhnlich schneller und günstiger herstellen als mit CNC-Fräsen und anderen herkömmlichen Verfahren im Formenbau. 

Formlabs hat mit den Technologieentwicklungsingenieuren Michelle Sing und Jake Fallon, dem Prozessingenieur für additive Fertigung, Collin Azinger, und dem globalen Technologiemanager für additive Fertigung, Fabio Lamon, bei Braskem, einem der weltweit größten Petrochemieunternehmen, gesprochen, um mehr über Braskems erste Erfahrungen mit dem Spritzguss eines 3D-Druckteils zu erfahren.

Schnelle Fertigung von Spritzgussformen in Kleinserie: Eine Live-Podiumsdiskussion

Nehmen Sie an unserer Podiumsdiskussion teil, in der Experten aus der Spritzgussbranche besprechen, wie 3D-Druck den Formenbau auf Abruf ermöglicht, um Hunderte Teile in nur wenigen Tagen von der Idee zur Produktion zu bringen.

Direktdruck oder Spritzguss?

„Der Ferndruck auf dem Form 3 war sehr wichtig. Einen Druck von Zuhause aus starten zu können, beschleunigt den Prozess wirklich.“

Michelle Sing

Jake Fallon öffnete sein Postfach und sah eine dringende E-Mail von einem der Vizepräsidenten von Braskem: Da sich COVID-19 verbreitet, muss das Unternehmen Tausende Bänder für Masken herstellen, um die globale Belegschaft zu schützen. Was konnte Jake innerhalb von 48 Stunden mit der Ausrüstung tun, über die Braskem verfügte? 

Als sich Jake mit seinen Kollegen aus dem Team für additive Fertigung bei Braskem traf, dachten sie zunächst daran, die Bänder mit einem FDM-Drucker direkt herzustellen. Doch selbst bei der Geschwindigkeit von FDM würde es geschätzte 17 Minuten dauern, bis ein Band fertig wäre. Da Tausende Bänder gedruckt werden sollten, würde dies viel zu lange dauern. Neben den Benchtop-FDM-Druckern, verfügte das Technologiezentrum von Braskem in Pittsburgh auch über einen Formlabs Form 3 und Spritzgussausrüstung. So entstand eine Idee, die aber gleichzeitig viele Fragen aufwarf.

Was kann Spritzguss leisten? Spritzguss ist bekannt als effiziente und schnelle Möglichkeit für die Massenfertigung von Teilen, doch bestand zunächst Skepsis, als es darum ging, eine 3D-gedruckte Kunststoffform für ihre elektrische Cincinnati Milacron Roboshot Spritzgießmaschine mit 110 Tonnen Schließkraft herzustellen. Würde eine Kunststoffform dem Druck der Maschine standhalten? Würde sie nach 50, nach 500 oder erst nach 1000 Schüssen versagen? 

Braskem entschied sich für High Temp Resin von Formlabs, ein Material, das für den Druck von Formen und Einsätzen geeignet ist, mit denen Teile aus Produktionsmaterialien in Prozessen, wie dem Spritzguss, hergestellt werden. High Temp Resin V2, die neueste Formulierung, weist eine Wärmeformbeständigkeitstemperatur (HDT) von 238 °C bei 0,45 MPa auf. Dies war wichtig, da das Team den Druck so gering wie möglich halten musste, um das Risiko eines Bruchs der Angussöffnung zu verringern. Dadurch war eine erhöhte Temperatur erforderlich, um eine geringere Viskosität zu erreichen; High Temp Resin ist das einzige Kunstharz von Formlabs, das den höheren Temperaturen für diese spezifische Form standhalten kann. 

Das Team hat eine Form gestaltet, die pro Schuss zwei Bänder herstellt. Sie nahmen die erste 3D-gedruckte Form aus dem Form 3, entfernten die Stützstrukturen und polierten das Druckteil minimal. Schuss folgte auf Schuss und schnell stapelte sich ein Berg aus Bändern. Ein flexibles Polypropylen mit geringer Viskosität wurde in die Form gespritzt, um den Druck im Hohlraum zu verringern und die Lebensdauer des 3D-Druckteils zu verlängern. 

Die allerste Iteration der Form hielt 5 Tonnen Schließkraft stand sowie 20 Sekunden Zykluszeit, einer Einspritzgeschwindigkeit von 1,27 cm/s und einer Zuhaltekraft von 34,5 MPa für ca. 8 Sekunden. Die durchschnittlichen Temperaturen beim Spritzguss betrugen ca. 230 °C.

„Wir haben High Temp Resin V2 mit einer Schichthöhe von 50 Mikrometern verwendet. Die Qualität war echt toll und die Auflösung fantastisch. Wenn man das Band vom Tisch nahm, konnte man kaum den Unterschied zu einem Teil erkennen, das mit einer Metallform hergestellt worden war.“

Jake Fallon

Das Team empfiehlt ein standardmäßiges Formentrennmittel als Spray, wodurch es pro Spray 40 bis 50 Schüsse durchführen konnte. Die Effektivität des Sprays wird durch den Druck mit einer Schichthöhe von 50 Mikrometern erhöht, wodurch eine superglatte Oberflächenbeschaffenheit erzielt wird, durch die sich die Teile leicht aus der Form entfernen lassen. Für die 3D-gedruckte Form war keine zusätzliche Kühlung erforderlich und es gab keinen Hinweis darauf, dass das Spritzgussmaterial mit dem gedruckten Kunstharz reagierte.

Ohne Zugang zu 3D-Druck hätte Braskem eine teure Metallform outsourcen müssen, die das Team Geld und wertvolle Zeit gekostet hätte. Durch die Nutzung von 3D-Druck, konnte das Team innerhalb einer Woche nach dem Eingang der E-Mail des VP, Tausende Bänder fertigen und sie für die Auslieferung an Niederlassungen auf der ganzen Welt vorbereiten. 

Designiterationen und Schüsse

„Wir haben den Materialverbrauch durch Designiterationen um 28 % gesenkt“

Jake Fallon

Während die Roboshot-Spritzgießmaschine die Bänder fertigte, bearbeitete Jake das Formdesign in seiner CAD-Software, wobei er besonders den Anguss verbesserte und verstärkte. Jake wollte auch den Fluss im Hohlraum verbessern, um die Formstandzeit zu verlängern und Gratbildung zu verhindern. Im Laufe des Formverbesserungsprozesses konnte er die Menge an  High Temp Resin um 28 % verringern, dem Unternehmen so Geld sparen und die Druckzeit verkürzen. 

Obwohl die erste Version der Form bereits beim ersten Versuch funktionierte, wurde die zweite Version mit einem festeren und größeren Anguss jetzt so gestaltet, dass sie Tausenden Schüssen standhält. Die neue Form hält mindestens 1500 Schüssen stand, bevor sie ersetzt werden muss. Sie ermöglichte es dem Team, den Bestellungen für Bänder nachzukommen. Die neue und verbesserte Form, die vier Bänder pro Minute herstellt, war genau das, was das Team brauchte, um die Aufgabe zu erfüllen.

Das Team von Braskem sieht Dutzende potenzielle Anwendungsmöglichkeiten für 3D-Druckmodelle in der Zukunft. Günstige Formen, die pro Einheit weniger als 100 USD kosten, könnten Kunden helfen, die Kleinserien fertigen wollen. Ein Beispiel wäre eine saisonale Verpackung, mit der ein Produkt aus dem Regal heraussticht. Zuvor konnten kleinere Unternehmen die Kosten für Metallformen und Werkzeuge nicht rechtfertigen. Doch mit 3D-gedruckten Formen, die Tausenden von Schüssen standhalten, könnten sich neue Möglichkeiten für Marken und Märkte ergeben.

Weitere Informationen

„Die Zeit war der Hauptvorteil. Wir haben die Form in einer Woche getestet und dann an einem Tag ein zweites Design gestaltet, das für erhebliche Verbesserungen sorgte.“

Jake Fallon

Das Team von Braskem war erstaunt, wie Spritzguss das Potenzial von 3D-Druckern über das Rapid Prototyping hinaus erweiterte und für die Produktion nutzbar machte. Da Braskem Hunderte Materialien für den Spritzguss anbietet, ist das Unternehmen seit langem ein zuverlässiger Partner für Firmen, die den Spritzguss für die Massenproduktion nutzen. Das Unternehmen vertreibt auch über 300 Materialien für das Thermoformen, Blasformen und weitere Fertigungsverfahren, die von 3D-gedruckten Formen profitieren könnten.

Zukünftig möchte das Team die Spritzgussmöglichkeiten des Form 3L erproben, da dieser größere Teile herstellen kann. Jake sagt dazu: „Mit der 3D-gedruckten Form stießen wir fast an die Grenzen des Fertigungsvolumens des Form 3; wir freuen uns wirklich darauf, die Möglichkeiten des  Form 3L zu erproben.“

Laden Sie unser kostenloses Whitepaper herunter oder sehen Sie sich das Webinar an und erfahren Sie mehr über den genauen Prozessablauf, die Designrichtlinien sowie weitere bewährte Praktiken für die Herstellung von 3D-gedruckten Spritzgussformen. Es enthält zusätzliche Fallstudien aus der Praxis von Holimaker und Novus Applications.