Leitfaden zum Rapid Tooling

Spritzguss ist eines der beliebtesten Fertigungsverfahren für Thermoplaste sowie Silikon- oder Kautschukteile. Und aufgrund der exorbitanten Kosten herkömmlicher Metallwerkzeuge kann insbesondere dieses Verfahren von den Vorteilen des Rapid Tooling profitieren.  

Dank günstiger Desktop-3D-Drucker und temperaturbeständiger 3D-Druckmaterialien lassen sich Spritzgussformen betriebsintern drucken, mit denen Sie funktionsfähige Prototypen und kleine Funktionsteile aus Produktionskunststoffen herstellen. 

Bei der Kleinserienfertigung (ca. 10 bis 1000 Teile) sparen 3D-gedruckte Spritzgussformen im Vergleich zu teuren Formen aus Metall Zeit und Geld. Außerdem machen sie die Fertigung und die Produktentwicklung agiler. Ingenieure und Designer erstellen so funktionsfähige Prototypen oder Kleinserien von Endverbrauchsteilen zur Validierung der Materialwahl. Sie können ihre Designs dank der niedrigen Durchlaufzeiten und Kosten auch weiter iterieren, bevor in Hard Tooling investiert wird.

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

Der in Shenzhen ansässige Vertragshersteller Multiplus verwendet den SLA-Drucker Form 3 und 3D-gedruckte Spritzgussformen aus dem hitzebeständigen und glasgefüllten Material Rigid 10K Resin, um die Durchlaufzeiten kleiner Spritzgusschargen von etwa 100 Teilen von vier Wochen auf gerade einmal drei Tage zu verkürzen.

Ein weiteres Beispiel sind die Notfallmaskenriemen des Petrochemieunternehmens Braskem sowie die Prototypen und Vorproduktionsteile, die der Spritzgussmaschinenhersteller Holimaker seinen Kunden anbietet.

Gespante Formen aus Aluminium können auch für mittelgroße Produktionsvolumen von 500 bis 10 000 Teilen als Alternative verwendet werden und reduzieren die Fixkosten der Formenfertigung. Zerspantes Aluminium ist fünf- bis zehnmal schneller als Stahl und verursacht weniger Verschleiß an den Werkzeugen, was kürzere Durchlaufzeiten und niedrigere Kosten bedeutet. Aluminium leitet außerdem Hitze schneller als Stahl, was weniger Kühlkanäle erfordert und Herstellern ermöglicht, den Formenentwurf zu vereinfachen, wobei kurze Zyklen eingehalten werden.

Thermoformen (oder Tiefziehen) ist ein umfassender Fertigungsprozess mit all den unterschiedlichen Verfahren, mit denen Hersteller Kunststoffplatten in Form bringen, z. B. Vakuumformen oder Druckformung. Mit Thermoformen fertigen Hersteller Teile aus einer breiten Palette von Thermoplasten und Verbundwerkstoffen. 

Viele Unternehmen verlassen sich bei ihren Tiefziehformen auf 3D-Druck. Die Durchlaufzeiten sind schnell und die Kosten gering, insbesondere bei Kleinserien, Sonderanfertigungen und Prototypen. Und obendrein gewährt 3D-Druck unvergleichliche Gestaltungsfreiheit auch für komplexe und detailreiche Formen. Verwenden Sie den Desktop-SLA-Drucker Form 3+ für kleinere Formen und den großformatigen SLA-Drucker Form 3L für Formgrößen von bis zu 33,5 × 20 × 30 cm.

Das Produktentwicklungsunternehmen Glassboard nutzt die hohe Druckgeschwindigkeit von Draft Resin zur schnellen Produktion von Tiefziehformen für Prototypen aus Polycarbonat wie Helmschalen oder Verpackungsteile. So erreicht man dort komplizierte Formgeometrie, die mit traditionellen Verfahren nur schwer herzustellen wären, darunter kleinste Details oder Löcher für eine bessere Vakuumverteilung auf der Oberfläche.

Früher fertigte der Kosmetikhersteller Lush die Urformen für die beliebten Produkte von Hand an. Seit kurzem verwendet man dort jedoch 3D-Druck zur Herstellung von Vakuumformen mit detaillierten Designs und Texturen. Dadurch lassen sich Konzepte bereits in weniger als 24 Stunden umsetzen und mehr als eintausend Designs pro Jahr testen.

3D-gedrucktes Rapid Tooling eignet sich außerdem ideal für die kostengünstige Herstellung maßgefertigter oder individualisierter Endverbrauchsteile. Beispielsweise ist ein Vakuumformverfahren mit 3D-gedruckten Modellen die gängige Produktionsweise für transparente Aligner in der Kieferorthopädie.

Hochleistungsverbundwerkstoffe wie Kohlenstofffaser lassen sich gleichermaßen in 3D-gedruckten Formen von Hand laminieren. SLA-3D-Drucker bieten die glatte Oberflächenbeschaffenheit, die für Laminierungsformen so wichtig ist.

Das Formula-Student-Team der TU Berlin laminiert von Hand Kohlenstofffaserteile für Rennwagen in 3D-gedruckten Formen. Diese Formen aus Tough 1500 Resin sind nicht nur stark genug für den Laminierungsprozess, sie sind außerdem flexibel genug, um das Teil nach der Aushärtung leicht von der Form zu trennen. Das eröffnet ganz neue Designmöglichkeiten.

Rapid Tooling mit 3D-gedruckten Formen kommt auch zur Anwendung bei der Formung von Kunststoff-, Silikon- oder Kautschukteilen sowie bei der Umspritzung von Einsätzen oder von interner Hardware. 

Das Team von Google ATAP nutzte 3D-gedruckte Nachbildungen als Einsätze anstelle der umspritzten elektronischen Unterbaugruppen bei der Feineinstellung der Werkzeuge in der Fabrik.

Designer im Labor von Google Advanced Technology and Projects (ATAP) konnten ihre Kosten um über 100 000 USD senken und ihre Testzyklen von drei Wochen auf drei Tage verkürzen. Der Schlüssel dazu war die Kombination von 3D-Druck und Insert-Molding. Das Team von Google ATAP stellte fest, dass Sie mit dem 3D-Druck von Testkomponenten Zeit und Geld sparen konnten gegenüber der Verwendung teurer Elektronik von einem externen Zulieferer.

Das Start-up Dame Products mit Sitz in Brooklyn entwirft Produkte für die Gesundheits- und Wellnessbranche. Dort setzt man Insert-Molding ein, um die interne Hardware für Betatests durch die Kunden in Silikon einzufassen. Zur Produktreihe von Dame Products gehören komplexe ergonomische Geometrien, die jeweils komplett von hautverträglichem Silikon in verschiedenen Farben umschlossen sind.

Die Ingenieure stellen pro Tag Dutzende Prototypen her, indem sie zwischen drei oder vier Gussformen aus dem SLA-3D-Drucker wechseln. Während das Silikon eines Prototypen aushärtet, kann das nächste schon aus der Form genommen und der darauffolgende Guss vorbereitet werden. Parallel findet die Fertigstellung und Reinigung der entformten Prototypen statt. Wenn die Hardwareprototypen zurück zum Unternehmen gelangen, wird das Betagerät gebleicht, die dünne Silikonschicht entfernt und die interne Hardware dann für einen neuen Betaprototypen verwendet.

3D-gedrucktes Rapid Tooling dient auch beim Formpressen zur Produktion von Thermoplast-, Silikon-, Kautschuk- oder Verbundwerkstoffteilen. Bei der Prototypenentwicklung kleiner und mittelgroßer Teile ist 3D-Druck wahrscheinlich die billigste und schnellste Lösung zur Gesenkfabrikation. In der CAD-Software lassen sich schnell mehrere Iterationen erstellen, die dann gedruckt und getestet werden. 3D-Druck kommt dabei am häufigsten für Formpressgesenke zum Einsatz, die ohne Hitzezuführung auskommen.

Die Produktentwickler beim Küchenutensilienhersteller OXO nutzen 3D-Druck zur Prototypenentwicklung gummiartiger Teile wie Dichtungen, wobei sie 3D-gedruckte Gesenke zum Formpressen von Zwei-Komponenten-Silikon einsetzen.

Ingenieure, Designer, Juweliere und Hobbybastler können sich die Geschwindigkeit und Flexibilität des 3D-Drucks zunutze machen, indem sie Metallgussverfahren wie indirekten Feinguss, Direktfeinguss, Zinngießen und Sandguss mit 3D-gedruckten Modellen kombinieren oder Metall direkt in 3D-gedruckte Formen gießen. Gussteile aus Metall lassen sich mit 3D-gedrucktem Rapid Tooling verglichen mit traditionellem Guss in einem Bruchteil der Zeit herstellen. Gleichzeitig sind die Kosten um ein Vielfaches geringer als beim Metall-3D-Druck. 

Stereolithografie-3D-Drucker eignen sich dank ihrer hohen Präzision und der umfassenden Materialbibliotheken für Gussverfahren. So können Metallteile zu geringeren Kosten, mit größerer Gestaltungsfreiheit und schneller als mit traditionellen Methoden gefertigt werden. 

Herkömmlicherweise werden Modelle für den Feinguss von Hand geschnitzt oder spanend bearbeitet, wenn das Teil ein Unikat ist oder nur eine Handvoll Teile hergestellt werden soll. Mit 3D-Druck hingegen drucken Juweliere direkt die 3D-Modelle, ganz ohne die Design- und Zeitbeschränkungen der anderen Verfahren. 

Ähnlich wie beim Feinguss kann auch 3D-Druck für Sandgussmodelle verwendet werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Materialien wie Holz gewährt 3D-Druck Herstellern die Freiheit komplexer Gestaltung und die Möglichkeit, direkt vom digitalen Design zum Guss überzugehen. 

Mit 3D-Druck können Hersteller die Form für Ihr Modell direkt aus Materialien wie High Temp Resin oder Rigid 10K Resin drucken. Diese Kunstharze sind äußerst hitzebeständig. Dasselbe Verfahren lässt sich auch auf Formen für den direkten Zinnguss übertragen.

Außer bei Metallen ist Gießen auch noch ein beliebtes Verfahren für Silikon- und Kunststoffteile für Medizinprodukte, in der Audiologie, für lebensmittelechte Anwendungen und darüber hinaus.

Das Medizinproduktunternehmen Cosm fertigt patientenspezifische Pessare für Patientinnen mit Beckenbodenstörungen. Die Formen werden auf einem SLA-3D-Drucker gedruckt. Anschließend wird biokompatibles Silikon in medizinischer Qualität eingespritzt, um das Teil herzustellen. Dank Rapid Tooling aus dem 3D-Drucker erstellt das Unternehmen maßgefertigte Teile ganz ohne die hohen Kosten traditioneller Werkzeugbestückung.

Die Herstellung maßgefertigter Otoplastiken mithilfe von 3D-Druck hat die Audiologie revolutioniert. Zu den Anwendungen gehören Hörgeräte, Gehörschutz und maßgeschneiderte Ohrhörer. Die digitale Fertigung bietet im Vergleich zur traditionellen Formherstellung bessere Kontrolle und Genauigkeit. Dadurch treten erheblich weniger Fehler auf und es sind weniger Überarbeitungen erforderlich.

3D-gedrucktes Rapid Tooling bietet auch interessante Eigenschaften für die Blechumformung. Dank hoher Präzision und glatter Oberflächenbeschaffenheit produzieren SLA-Drucker Werkzeuge mit ausgezeichneter Merkmalabbildung und wiederholbareren Ergebnissen. Mithilfe einer vielseitigen Materialbibliothek mit verschiedensten mechanischen Eigenschaften optimieren Sie das Ergebnis der Umformung durch die Auswahl eines für den speziellen Anwendungsfall geeigneten Kunstharzes. SLA-Kunstharze sind isotrop und im Vergleich zu anderen 3D-Druckmaterialien relativ stabil unter Belastung. Durch die Werkzeugbestückung aus Kunststoff kann außerdem das Polieren als Arbeitsschritt entfallen, da Formwerkzeuge aus Kunststoff keine Spuren auf dem Blech hinterlassen – im Gegensatz zu solchen aus Metall. 

Der Mechanismus ähnelt dem allgemeinen Arbeitsablauf der Blechumformung. Der Unterschied liegt im Design und Druck des zweiteiligen Werkzeugs aus Ober- und Unterwerkzeug. Der Blechzuschnitt wird zwischen den beiden Formwerkzeugen aus Kunststoff platziert und mit einer Hydraulikpresse oder ähnlichem Gerät gepresst.

3D-Druck ist die schnellste und erschwinglichste Produktionsmöglichkeit für das Rapid Tooling einer Vielzahl von Anwendungen. Wie wir bei den vorherigen Beispielen gesehen haben, nutzen direktes und indirektes Rapid Tooling den 3D-Druck auf unterschiedliche Weise, um für vielfältige Fertigungsverfahren funktionsfähige Werkzeuge herzustellen, beispielsweise Gussformen, Modelle oder Presswerkzeuge.

Unter den verschiedenen 3D-Druckprozessen bieten SLA-Drucker die vielseitigsten Lösungen zur Werkzeugbestückung. SLA-Druckteile sind präzise, wasserdicht, haben eine glatte Oberfläche ideal für Gussformen und bilden bei Formen und Modellen auch kleinste Details ab.

Die Hochleistungsmaterialien fügen sich leicht in industrielle Arbeitsabläufe ein. Mit ihnen fertigen Sie starke, glatte, hochdetaillierte Formen und Modelle, mit denen sich Hunderte bis Tausende von Teilen herstellen lassen.

SLA-Drucker machen betriebsinternes Rapid Tooling zugänglicher denn je. Eine 3D-Druckstation kann auch mit einem begrenzten Budget leicht betriebsintern eingerichtet und unterhalten werden. So erstellen Unternehmen ihr Rapid Tooling in unter 24 Stunden und iterieren ihre Designs schneller als mit jedem anderen Prozess.

Zerspanung ist eines der geläufigsten Verfahren zur Herstellung konventioneller Werkzeugbestückung wie Hard Tooling, lässt sich aber auch für Rapid Tooling einsetzen. Statt aus langlebigen Metallen wie Stahl oder Nickellegierungen wird Rapid Tooling meistens aus Werkzeugplatten, Holz, Kunststoff oder Aluminium zerspant.

Gegenüber 3D-gedruckter Werkzeugbestückung ist die Zerspanung weicher Materialien manchmal effizienter für großformatige Werkzeuge und sehr einfache Geometrien. Doch mit zunehmender Designkomplexität steigt der Arbeitsaufwand schnell. Werkzeugbestückung aus Aluminium ist langlebiger und wird allgemein für kleine oder mittelgroße Produktionsmengen verwendet, insbesondere beim Spritzguss.

Zerspanungsgeräte sind teurer und benötigen sachkundiges Fachpersonal. Die betriebsinternen Arbeitsabläufe sind verglichen mit 3D-Druckern komplex, besonders bei Einzelstücken wie den verschiedenen Prototypiterationen beim Rapid Tooling. Deshalb lagern viele Unternehmen die Zerspanung an Dienstleister aus, was jedoch oft wochenlange Durchlaufzeiten nach sich zieht und somit den „Rapid“-Aspekt eliminiert.