DIY-Spritzguss: Wie man Kunststoffteile mit 3D-gedruckten Formen herstellt

Spritzguss als Fertigungsprozess ist allgegenwärtig. Der überwiegende Teil der Kunststofferzeugnisse weltweit wird heute im Spritzgussverfahren hergestellt. Während das Verfahren ideal für große Produktionsmengen sein mag, sind herkömmliche CNC-gefräste Metallformen aufgrund ihrer hohen Kosten und langen Durchlaufzeiten für kleine Quantitäten untragbar.

Spritzgussformen aus dem 3D-Drucker sind eine zeitsparende und kostengünstige Lösung für die Prototypenerstellung oder die Produktion kleiner Stückzahlen (etwa 10–1000 Teile). Darüber hinaus erlaubt dies einen agileren Fertigungsansatz, bei dem Ingenieure und Designer Formenentwürfe testen und ganz einfach abändern können. So lassen sich deutlich schneller neue Versionen eines Designs entwickeln, während die Kosten nur einen winzigen Bruchteil herkömmlicher CNC-Bearbeitung betragen.

Mit einem Stereolithografie-3D-Drucker (SLA) wie dem Form 3+ können Sie schnell und einfach maßgeschneiderte Formen erstellen und dabei die Vorteile von 3D-Druck und Spritzguss gleichermaßen nutzen.

Dieser Leitfaden führt Sie Schritt für Schritt durch den Kunststoffspritzguss mit Formen aus dem 3D-Drucker und gibt Ihnen alle erforderlichen Hilfsmittel sowie Tipps an die Hand.

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Die Einrichtung von Spritzgussverfahren vor Ort in Ihrem Unternehmen benötigt eine gewisse Investition. Es erfordert Zeit und Geld, die geeignete Ausrüstung zu erwerben und fachgerecht bedienen zu können. Allerdings liegen die Kosten in vielen Fällen noch immer unter denen einer einzigen Metallform. Wenn Sie das Verfahren also einmal eingerichtet haben, wird der ursprüngliche Aufwand durch die Zeit- und Kostenersparnis mühelos ausgeglichen.

Was Sie brauchen:

• Einen hochleistungsfähigen SLA-3D-Drucker für den Desktop, wie den Form 3+ von Formlabs. Der Form 3 kann Formen mit hoher Genauigkeit und Detailschärfe sowie einer glatten Oberflächenbeschaffenheit erzeugen, mit denen Sie hochwertige Teile im Spritzgussverfahren herstellen. Neben Spritzgussformen eignen sich SLA-3D-Drucker auch für die Prototypenfertigung und weitere Anwendungen in der Produktentwicklung und sind damit ohnehin eine lohnenswerte Investition.

• Ein 3D-Druck-Material, das den hohen Temperaturen und dem starken Druck auf die Form während des Spritzgussvorgangs standhält. Wir empfehlen die folgenden Materialien für SLA-3D-Drucker von Formlabs:

  • Rigid 10K Resin, ein intensiv glasfaserverstärktes Material in Industriequalität, das eine Lösung für eine breitere Palette an Geometrien und Spritzgussverfahren darstellt. Es 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.

  • High Temp Resin weist eine Wärmeformbeständigkeitstemperatur von 238 °C bei 0,45 MPa auf und ist damit für Spritzguss ideal. Dieses Material ist spröder, wird aber für Materialien mit einer hohen Umformtemperatur empfohlen und verkürzt die Abkühlzeit.

  • Grey Pro Resin hat eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als High Temp Resin oder Rigid Resin, was eine längere Abkühlungszeit mit sich bringt, jedoch ist es weicher und hält Hunderten Zyklen stand.

• Eine Benchtop-Spritzgießmaschine wie das Gerät Galomb Model-B100 oder die Holipress. Auf dem Markt steht eine ganze Reihe von Benchtop-Spritzgießmaschinen unterschiedlicher Preisklassen zur Verfügung. Viele der kostengünstigeren Modelle funktionieren mit handbetriebenem Kolben, während bei teureren Geräten oft Schraub- oder Druckluftssysteme zum Einsatz kommen. Einige unserer Kunden empfahlen auch Systeme von Minijector, Morgan, APSX oder Micromolder. Automatische Desktop-Spritzgießmaschinen, wie die Produktreihe von Babyplast, sind eine gute Alternative für die Serienproduktion von kleinen Teilen. 

• Ein Kunststoffgranulat Ihrer Wahl.

• Eine CAD-Software wie Blender (kostenloser Download hier) zum Entwerfen des Formeinsatzes.

Stellen Sie vor dem Kauf sicher, dass die gewählte Spritzgießmaschine Ihren Produktionsanforderungen entspricht. Für die Herstellung größerer Teile sind nach wie vor industrielle Prozesse erforderlich. Das hier vorgestellte Do-it-yourself-Spritzgussverfahren ist ideal für die Herstellung kleiner Teile in niedrigen Stückzahlen.

Eine Form und gekapselte Komponente, die mit einem 3D-Drucker von Formlabs anhand des hier vorgestellten Do-it-yourself-Spritzgussverfahrens hergestellt wurden.

Do-it-yourself-Spritzguss Schritt für Schritt

1. Form in CAD-Software entwerfen

Wählen Sie zuerst die CAD-Software aus, mit der Sie den Formeinsatz entwerfen möchten. In diesem Leitfaden verwenden wir die Open-Source-Software Blender, der Ablauf dürfte aber mit jeder anderen CAD-Software sehr ähnlich sein.

Laden Sie die Design-Dateien für Blanko-Formeinsätze herunter. Diese dienen als Grundlage für die Erstellung ihres eigenen Formeinsatzdesigns. Diese Designs lassen sich leicht skalieren, sodass Sie für die meisten Spritzgießmaschinen und Formrahmen passen. Alternativ können Sie mithilfe der Hohlraumdiagramme der Mutterformrahmen auch Ihre eigenen Formeinsätze erstellen.

Importieren Sie die beiden Formhälften des Formkerns und das 3D-Design, das Sie herstellen möchten, in Ihre CAD-Software.

In Blender können Sie eine Hälfte der Form im „Scene“-Explorer (Szene) mithilfe des Augen-Symbols ausblenden. Nachdem Sie alles eingerichtet haben, setzen Sie die beiden Hälften der Form im Menü „Object“ (Objekt) auf den Draw Type „Wire“ (Zeichentyp „Drahtgitter“), wie in der Abbildung unten gezeigt.

Nun können Sie Ihre Form positionieren. Stellen Sie sicher, dass das Objekt während des Spritzgussvorgangs vollständig mit dem Zulauf des flüssigen Kunststoffs zusammenläuft. Verwenden Sie dazu den orthographischen Modus, den Sie über „Toggle perspective/Ortho“ (Perspektive umschalten/Ortho) aktivieren.

Blenden Sie den aktuellen Formkern aus und aktivieren Sie die andere Seite. Führen Sie den oben beschriebenen Vorgang erneut durch, um sicherzustellen, dass das Objekt vollständig mit dem Zulauf der zweiten Hälfte des Formkerns zusammenläuft. Anschließend können Sie mithilfe der Funktion „Boolean difference“ (Boolesche Differenz) in Blender die Fläche der beiden sich überschneidenden Objekte abziehen.

Wählen Sie die erste Hälfte Ihres Objekts aus und wählen Sie im Menü „Modifiers“ (Modifikatoren) die Option „Boolean“ (Boolesche Operationen) aus. Wählen Sie das Objekt aus, das Sie ausschneiden, und stellen Sie sicher, dass der Operator „Difference“ (Differenz) ausgewählt ist. Wenden Sie den Operator an. Wiederholen Sie den Vorgang anschließend für die andere Seite. Die Bildschirmanzeige sollte ähnlich aussehen wie die Abbildung unten. Falls Sie hier nicht weiterkommen, können Sie den Leitfaden zum Hinzufügen formschlüssiger Teile zu einem Design (auf Englisch) zurate ziehen.

Jetzt ist Ihre Form druckfertig. Exportieren Sie beide Hälften einzeln. Achten Sie dabei darauf, dass im Exportmenü von Blender die Option „Selection Only“ (Nur Auswahl) ausgewählt ist.

2. Form drucken

Für den 3D-Druck der Form müssen Sie ein Material auswählen, das den hohen Temperaturen und dem starkem Druck auf die Form standhält, die während des Spritzgussvorgangs auftreten. 

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.

Setting up the print only takes a few seconds in PreForm, the print preparation software for Formlabs professional 3D printers. If your mold design requires support structures for printing, make sure to orient the mold halves in PreForm so that the cavity faces up. This will simplify post-processing and ensure a high-quality surface for your molded parts.

Depending on the geometry and the size, multiple molds can be printed at once on a build platform to increase printing efficiency.

3. Kunststoffteile spritzgießen

Now that you’ve designed and 3D printed your mold, you can mold the parts on your benchtop plastic injection molding machine. 

You have a wide variety of materials to choose from for injection molding. Formlabs and our customers have tested the following materials with 3D printed injection molds:

• LDPE
• PP
• PA
• PE
• TPE
• TPU
• PLA
• ABS
• ASA
• HDPE
• EVA
• PS
• POM

Consider the desired properties of your object and the capabilities of your injection molder before you make your choice. From there, simply follow the bespoke instructions on your injection molder to quickly and efficiently produce your parts.

Depending on the injected material, adhesion of the part to the mold can cause deterioration of the mold during extraction, in particular with flexible 3D printing materials such as TPUs or TPEs. Using a mold release agent is a good solution to help separate the part from the mold. Silicone mold release agents are compatible with Formlabs Grey Pro Resin, High Temp Resin, and Rigid 10K Resin. 

If you have more questions about the workflow, make make sure to check our article FAQ: Injection Molding With 3D Printed Molds.

Tipps für Designer, die Do-it-yourself-Spritzguss ausprobieren

When designing your mold, consider what will 3D print successfully, as well as what will mold successfully. 

The exact approach to DIY injection molding will vary based on your desired design and volume, but these tips and tricks will help increase your success rate.

• To reduce the visibility of print lines on the finished part, print the mold with a smaller layer height (50 or 25 microns per layer instead of the default 100). Note that this increases print time.

• Adding two to five degrees of draft on surfaces perpendicular to the direction of pull will allow the part to be removed more easily and will minimize degradation of the mold.

• You can polish split-plane surfaces with fine-grit sandpaper to reduce flash.

• Consider using a water bath to more rapidly cool your part and reduce warping.

• Embossed and engraved details should be offset from the surface by at least 1 mm.

• If designing for an aluminum mold frame, add .125 mm of extra thickness to the back of the mold plates to account for compression forces and to ensure a complete seal.

For the complete process workflow and other best practices, download our white paper. 

Herstellung von Gussformen mit 3D-Druck

The conversation around 3D printing and injection molding is often oppositional, but it’s not always a question of one versus the other. By directly 3D printing parts or using 3D printed molds for injection molding for prototyping and low-volume production, you can leverage the benefits of both technologies. This will make your manufacturing process more time- and cost-efficient and allow you to bring products to the market faster.

Want to learn more about injection molding with 3D printed molds? Download our white paper for detailed guidelines for using 3D printed molds in the injection molding process and see real-life case studies with Braskem, Holimaker, and Novus Applications.