Wie man Formen herstellt: Leitfaden zum professionellen Formenbau

Mit der Erfindung von Gussformen im Bronzezeitalter machten die bis dahin von unseren Vorfahren genutzten primitiven Fertigungstechniken einen Sprung. Seitdem wächst die Bedeutung der verschiedenen Formenbaumethoden stetig an, denn auch die heute eingesetzten fortschrittlichen Fertigungstechniken wie Spritzguss, Thermoformen oder Guss, mit denen der Großteil aller von uns verwendeten Kunststoff-, Silikon-, Gummi-, Verbundstoff- und Metallteile hergestellt wird, beruhen auf der Nutzung von Formen oder Formwerkzeugen.

Ein Verständnis davon, wie Formen- und Werkzeugbauprozesse funktionieren, wie sie eingesetzt werden und wie sie sich zur Erzielung eines bestimmten Durchsatzes optimieren lassen, ist deshalb unerlässlich – sowohl für professionelle Hersteller als auch für Personen, die derartige Verfahren für Hobby-Projekte nutzen wollen. 

In diesem umfassenden Leitfaden erhalten Sie einen detaillierten Überblick über alles, was Sie brauchen, um mit dem Formenbau loszulegen. Wir geben Einblick in verschiedene Formen- und Werkzeugbauprozesse, die Wahl der besten Technik für den Formenbau, Ausrüstung zur Optimierung des Verfahrens sowie die Rolle des 3D-Drucks in dieser Thematik. Zu jedem dieser Themenbereiche geben wir Ihnen außerdem eine Reihe von weiterführenden Links an die Hand, damit Sie gut für erfolgreiche Formenbau-Projekte ausgerüstet sind.

Bei einer Vielzahl von Fertigungsverfahren wird formbares Rohmaterial zur gewünschten Geometrie ur- oder umgeformt, indem ein speziell entworfenes festes Werkzeug, eine Struktur oder ein Rahmen eingesetzt wird – diese werden als Formen oder Formwerkzeuge bezeichnet. Solche Formen oder Formwerkzeuge können konkav (Negativform) oder konvex sein (Positivform), je nachdem, welches endgültige Design der Hersteller anstrebt. 

Die Form ist bei diesen Fertigungsverfahren der entscheidende Faktor und dient der einheitlichen Reproduktion zahlreicher Nachbildungen des jeweiligen Designs. Beim Formenbau kommen Materialien wie Metall, Kunststoff, Keramik, Holz, Schaumstoff und weitere zum Einsatz. Nach dem Entwurf und der Fertigung der Form mit geeigneten Hilfsmitteln wird die Form oder das Werkzeug in das Gerät zur Ur- oder Umformung eingefügt und Rohmaterial wie etwa Thermoplaste werden eingegossen oder über dem Formwerkzeug umgeformt. Beim Aushärten des Materials wird die Geometrie der Form auf das Werkstück übertragen. 

Was lässt sich also mit Formen alles herstellen? So ziemlich alles von Prototypen bis hin zu komplexen Teilen für die Endverwendung. Ur- und Umformverfahren werden in der Fertigung verschiedenster Produkte eingesetzt, von Fahrzeugbauteilen über Verbraucherprodukte, Verpackungen und Schmuck hin zu Medizinprodukten und mehr – tatsächlich wäre es schwierig, ein funktionales Produkt ohne auch nur eine einzige Komponente zu finden, die mit diesen Verfahren hergestellt wurde.

Der Formenbau ist ein grundlegendes Element vieler Fertigungsverfahren; bei diesen Verfahren dient die Form als Blaupause zur Replikation einer Geometrie in Massenproduktion. Folgende Fertigungsverfahren beruhen auf der Nutzung von Formen: 

• Spritzguss ist eines der beliebtesten Fertigungsverfahren für Thermoplaste sowie Silikon- oder Kautschukteile. Es ist eine kostengünstige und extrem reproduzierbare Technologie zur Produktion hochwertiger Teile in Großserie. Bei diesem Verfahren wird die fertige Gussform in die Spritzgießmaschine eingesetzt, wo sie mit dem erhitzten Thermoplast oder sonstigem verflüssigten Rohmaterial gefüllt wird. Sobald das Material ausgehärtet ist, wird das Gussteil aus der Maschine ausgeworfen und der Vorgang wird in schneller Folge wiederholt.

• Thermoformen, auch Tiefziehen genannt, ist ein Fertigungsverfahren, bei dem eine Kunststoffplatte oder -folie erhitzt und mithilfe eines Formwerkzeugs in bestimmte Formen gebracht wird. Dabei gibt das Formwerkzeug die Geometrie vor, welche von der Thermoformmaschine auf das fertige Formteil übertragen wird. Abhängig vom gewählten Thermoformprozess wird erhitztes, formbares Material entweder über das Formwerkzeug gezogen, gepresst oder mithilfe von Vakuumdruck über es gesaugt. Das Thermoformen ist das gängigste Verfahren zur Herstellung von Verpackungen, kommt jedoch auch bei der Produktion robuster Teile für die Endverwendung zum Einsatz.

• Beim Gießen wird eine Gussform mit geschmolzenem Metall oder einem anderen verflüssigten Material gefüllt. Die Schmelze kühlt ab und härtet in der Gussform aus, um die für das Endprodukt gewünschte Form zu erhalten. Gießverfahren werden üblicherweise zur Fertigung von Produkten aus Metall sowie Silikon oder Kunststoff eingesetzt.

• Das Formpressen ist ein Fertigungsverfahren, bei dem eine bestimmte Menge Formmasse üblicherweise vorgeheizt und dann mit Druck zwischen zwei erhitzte Hohlformen (Gesenke genannt) gepresst wird, bis die gewünschte Form erreicht ist. Das Formpressverfahren wird in der Regel als Alternative zum Spritzguss bei der Fertigung von Teilen mit relativ einfacher Geometrie in kleinen und mittleren Stückzahlen angesehen.

• Beim Blasformen handelt es sich um eine dem Glasblasen ähnliche Technik. In einer Blasformmaschine wird Luft in ein erhitztes rohrartiges Teil geblasen, das üblicherweise aus Kunststoff oder Glas besteht und an eine hohle Form geklemmt ist. Durch den Lufteintritt dehnt sich das Material aus und passt sich an die Geometrie der Form an. Das Blasformen wird häufig zur Produktion hohler Produkte wie Flaschen verwendet.  

• Die Laminierung von Verbundwerkstoffen umfasst das Aufbringen von Verbundstoffen auf einer Form sowie Methoden wie Handlaminieren, Prepreg-Laminieren oder Spritzpressen (auch Resin Transfer Molding, RTM), mit denen das fertige Verbundstoffteil aus Hochleistungsmaterialien wie Kohlenstofffaser, Glasfaser oder Kevlarfaser geformt wird.

Es gibt zahlreiche Arten von Formen, die als Werkzeuge für die oben beschriebenen Fertigungsverfahren genutzt werden können. Beim Aluminiumguss werden beispielsweise ca. sieben verschiedene Arten von Formen eingesetzt, unter anderem Sandgussformen, Keramikformen und Formmasken. Um die Einordnung der verschiedenen Formenarten zu erleichtern, werden sie deshalb wie folgt kategorisiert: 

• Einteilige Formen sind die einfachste Art von Formen und haben einheitliche Oberflächen über alle Teile des Werkstücks hinweg. Formendesigns oder Objekte mit einer ebenen Seite können mit einteiligen Formen ebenfalls reproduziert werden. Einteilige Formen können zwar auch anhand von CAD-Modellen gefertigt werden, üblicherweise werden sie jedoch aus einem physischen Modell entwickelt. 

• Zweiteilige Formen sind eine nützliche Formenbaumethode zur Umsetzung komplexerer Designs. Derartige Formen bestehen aus zwei separaten Teilen, die an einer Trennebene zusammengefügt werden, um ein Werkstück zu formen. Die so gefertigten Teile bilden die Details beider Hälften der Form bzw. des Urmodells ab. Zur Herstellung einer zweiteiligen Form müssen die einzelnen Formhälften normalerweise anhand eines Urmodells oder CAD-Modells entwickelt werden.

• Mehrteilige Formen eignen sich ideal für Teile mit komplexeren Geometrien, die eine andere Herangehensweise an den Formenbau erfordern als Prozesse mit ein- oder zweiteiligen Formen. Mehrteilige Formen dienen zur Wiedergabe verschiedener Aspekte oder Details eines Models. Mithilfe der einzelnen Teile der fertigen Form werden also unterschiedliche Elemente des Modells reproduziert. 

• Mehrfachformen verfügen über mehr als einen Hohlraum mit der gleichen Geometrie, sodass in einem Produktionszyklus mehrere Teile zugleich gefertigt werden können, was die Produktivität steigert.

Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt zur Klassifizierung verschiedener Arten von Formen ist die Wiederverwendbarkeit der fertigen Form. Die Wiederverwendbarkeit gibt an, wie viele Produktionszyklen ein Hersteller mit einer Form durchführen kann. Nach dieser Klassifizierung werden Formen in folgende Typen eingeteilt:

• Einmal verwendbare oder verlorene Formen: Solche Formen werden nur zur Herstellung eines einzigen Teils verwendet und danach im Zuge des Entformungsprozesses zerstört. Verlorene Formen bestehen meist aus Sand, Ton, Silikon, Wachs oder Kunststoff.

• Wiederverwendbare oder Dauerformen: Wie der Name bereits andeutet, können derartige Formen in mehreren Zyklen eingesetzt werden, sowohl für Klein- als auch Großserien. Für Kleinserien werden wiederverwendbare Formen aus Silikon, Schaumstoff, Holz, Kunststoff oder weicheren Metallen wie Aluminium hergestellt (manchmal auch als weiche Formen bezeichnet). Großserien erfordern robustere Formen, die nicht verschleißen und meist aus Hartmetallen wie Stahl hergestellt werden (oft auch harte Formen genannt). 

Welche ist die beste Formenbautechnik für eine bestimmte Anwendung? Das hängt von einigen wichtigen Faktoren ab, nämlich unter anderem vom geplanten Material des Endproduktes, dem vorgesehenen Fertigungsverfahren, der Geometrie des Modells sowie vom Produktionsvolumen. 

In den folgenden Punkten schildern wir eine vereinfachte, schrittweise Herangehensweise an die Wahl der richtigen Technik für Ihr Fertigungsvorhaben: 

Ein Fertigungsplan kann Ihnen dabei helfen, sich ein klares Bild davon zu verschaffen, was von einem Projekt zu erwarten ist und wie der Entwicklungszeitplan und das Budget aussehen. Für Ihre Auswahl in den nächsten Punkten ist es entscheidend, ob Sie maßgefertigte Teile herstellen oder Tausende identische Teile massenproduzieren möchten. Die Entwicklungskriterien können je nach Projekt variieren, beinhalten jedoch im Allgemeinen das Teiledesign, die Größe, das Material, die Qualität, die erforderlichen Toleranzen, den Zeitplan, das benötigte Produktionsvolumen, finanzielle Einschränkungen usw. 

In der Produktentwicklung werden viele dieser Fragen meist in erster Linie im Lastenheft beantwortet, während die Stückliste eine vollständige Liste aller Teile, Artikel, Baugruppen und anderer für die Herstellung des Produkts benötigten Materialien darstellt.

Die Wahl des geeigneten Fertigungsverfahrens für ein Teil hängt weitgehend von den Entwicklungskriterien ab. In manchen Fällen lässt sich ein gegebenes Design über verschiedene Produktionsverfahren herstellen. Als Faustregel gilt, sich für den Prozess zu entscheiden, mit welchem das Teil in der erforderlichen Qualität und zu den niedrigsten Kosten bei gleichzeitiger Einhaltung aller sonstigen Entwicklungskriterien produziert werden kann. Die Materialauswahl und das Produktionsvolumen haben hierbei vermutlich den größten Einfluss auf die Entscheidung.

Für Kunststoffteile erhalten Sie genauere Informationen in unserem Leitfaden zu Fertigungsverfahren für Kunststoffe.

Wenn Sie sich auf ein Fertigungsverfahren festgelegt haben, wird die Art der hierfür benötigten Form oder des Formwerkzeugs ebenfalls zu großen Teilen von den Entwicklungskriterien bestimmt. Die genauen Faktoren hängen letztendlich zwar vom Fertigungsverfahren ab, dennoch haben wir hier die wichtigsten Gesichtspunkte bei der Wahl einer Technik für den Formenbau zusammengestellt:

• Teiledesign: Versuchen Sie, das Design weitestgehend zu vereinfachen und es mit den Designrichtlinien des jeweiligen Fertigungsverfahrens abzustimmen, damit Sie beim Formenbau eine möglichst kostengünstige Technik wählen können. Für einfache Designs können Formen genügen, die sich mit manuellen Verfahren herstellen lassen, während komplexe Designs oft mehrteilige Formen und digitale Fertigungswerkzeuge wie 3D-Drucker oder CNC-Maschinen erfordern. 

• Produktionsvolumen: Für die Produktion von Großserien werden haltbare, robuste Formen benötigt, die Modelle genau reproduzieren, ohne nach ein paar Einsätzen zu verschleißen. Die Herstellung dieser Werkzeuge ist jedoch mit hohen Kosten und Durchlaufzeiten verbunden. Für Einzelstücke und Kleinserien kann es daher effizienter sein, preiswertere und schneller herstellbare Formen zu wählen, wie etwa verlorene Formen oder weiche Formen, die bei Anzeichen von dauerhaftem Verschleiß einfach entsorgt werden können.

• Qualität: Sind engere Toleranzen gefordert, müssen Formen und Werkzeuge präziser sein, etwa durch die Fertigung mit digitalen Hilfsmitteln. Sie erfordern außerdem eine höhere Haltbarkeit, um auch über mehrere Fertigungszyklen eine konsistente Teilequalität zu liefern.

• Zeitplan: Die Herstellung komplexer Metallformen durch einen Fertigungsdienstleister nimmt oft Monate an Zeit in Anspruch. Falls Sie einen engeren Zeitplan einhalten müssen, ziehen Sie zur Verkürzung der Durchlaufzeit Alternativen in Betracht, wie etwa Rapid Tooling aus dem 3D-Drucker.

• Material: Materialien mit einem höheren Schmelzpunkt oder stärkerer Abrasion erfordern robuste Formen, die der Produktion der benötigten Produktionsmenge ohne Verschleiß standhalten.