Thermoformen ist ein Fertigungsverfahren, bei dem Kunststoffplatten erhitzt und auf eine Form geschichtet werden, um ein Endprodukt zu schaffen. Es kommt häufig bei der Produktion von Einwegverpackungen für Lebensmittel und Medikamente zum Einsatz, aber auch bei der Herstellung von Verbrauchsgütern und sogar in anspruchsvollen Anwendungsbereichen wie der Produktion von Fahrzeugteilen und Innenausstattung von Zügen. Thermoformen kann von Einzelteilen bis hin zur Serienfertigung mit niedrigen bis mittleren Stückkosten eingesetzt werden.

Traditionell werden Thermoformwerkzeuge – auch schlichtweg als Formen bezeichnet – für große Produktionsläufe aus CNC-gefrästem Metall gefertigt, für kleinere Chargen hingegen aus Holz oder Verbundwerkstoffplatten (Schaumstoff oder Glasfaser). Die Herstellung begrenzter Mengen von tiefgezogenen Teilen für Prototypen oder Kleinserien ist in der Regel keine praktikable Option. Rapid Tooling mit 3D-gedruckten Teilen ist eine kostengünstige und schnelle Möglichkeit, Teile in begrenzten Stückzahlen herzustellen.

Formlabs empfiehlt in der Regel drei Materialien für das Thermoformen: Draft Resin, Grey Resin oder Rigid 10K Resin.

• Draft Resin eignet sich am besten für einzelne oder kleine Chargen von Werkzeugen für die schnelle Prototypenentwicklung. Die niedrige Auflösung ist nicht ideal für feine Details, aber die Druckgeschwindigkeit ist ideal für große Teile, einfache Designs, erste Prototypen und schnelle Iterationen.
• Grey Resin eignet sich am besten für Einzelteile oder kleine Chargen mit hoher Oberflächenqualität und feinen Details. Die Genauigkeit, Konsistenz und einfache Stützstrukturentfernung von Grey Resin machen es zur bevorzugten Wahl für kleine Teile, wenn Geschwindigkeit keine Rolle spielt.
• Rigid 10K Resin eignet sich am besten für Werkzeuge, die anspruchsvolleren Formbedingungen ausgesetzt sind. Dieses glasgefüllte Material auf Industrieniveau eignet sich ideal zur Herstellung limitierter Ausgaben dutzender Teile, mit Zyklusdauern nah am Produktionsniveau. Rigid 10K Resin verfügt über eine Wärmeformbeständigkeitstemperatur von 218 °C bei 0,45 MPa und ein Zugmodul von 10 000 MPa und ist dadurch ein sehr starkes, extrem starres und wärmebeständiges Material, das seine Form unter Druck und Temperatur beibehält, zur Herstellung von präzisen Teilen für den Formenbau.

In der untenstehenden Tabelle finden Sie eine Zusammenfassung unserer Empfehlungen. Eine höhere Anzahl von Punkten steht für bessere Leistung unter den jeweiligen Bedingungen:

Wenn Sie ein Druckteil für das Thermoformen entwerfen, befolgen Sie die Best Practices von Formlabs für die additive Fertigung sowie für das Thermoformen.

So verbessern Sie die Saugleistung und die Oberflächenbeschaffenheit:

• Höhlen Sie die Form aus, um die Luftzirkulation zu fördern und das Harzvolumen zu reduzieren, um Materialkosten und Druckzeit zu sparen.
• Formlabs empfiehlt eine Mindestwandstärke von 1–2 mm.
• Fügen Sie Luftkanäle mit dem empfohlenen Durchmesser für Ihre Blechdicke ein. Integrieren Sie kleine Entlüftungsöffnungen an der Außenseite der Form, um ein vollständigeres Ziehen und eine gleichmäßige Verteilung des Vakuums auf den Oberflächen zu erreichen und so die Qualität der Teile zu verbessern.
• Für Teile, die mit Grey Resin gedruckt wurden: Verwenden Sie Luftkanäle mit einem Durchmesser von mindestens 0,5 mm.
• Für Teile, die mit Draft Resin oder Rigid 10K gedruckt wurden: Verwenden Sie Luftkanäle mit einem Durchmesser von 1 mm.
• Vermeiden Sie scharfe Kanten, um die Gefahr von Materialvernetzungen zu verringern.
• Vermeiden Sie Stützstrukturen auf zur Umformung bestimmten Oberflächen.

So verlängern Sie die Lebensdauer des Werkzeugs:

• Fügen Sie ein Netzwerk von Rippen hinzu, das der Topologie des Teils folgt, um die mechanische Stütze zu verstärken und ein Verziehen zu verhindern.
• Für bessere Luftzirkulation statten Sie die Rippen mit Kerben aus.
• Erhöhen Sie die Entformungsschrägen um mindestens 2–3°, um das Entformen zu erleichtern.
• Bauen Sie Montageelemente ein, damit das Formwerkzeug auf der Thermoformmaschine befestigt werden kann.
• Integrieren Sie Gewindebohrungen in das Modell.
• Bei Maßabweichungen nach dem Druck mit einem Bohrer nachbearbeiten.
• Planen Sie ausreichend Montagekomponenten ein, um Beschädigungen beim Auswerfen des Teils zu vermeiden.
• Fügen Sie flache Streifen an der Basis des Modells hinzu, um das Werkzeug mit doppelseitigem Schaumstoffband zu fixieren. Achten Sie darauf, dass sich der Schaumstoff während des Prozesses unter Hitzeeinwirkung verdichten und den Vakuumfluss einschränken kann.
• Bei großformatigen Formen oder großen Fertigungsmengen sollten zur Temperaturregulierung des Formwerkzeugs Kühlkanäle eingefügt werden.
• Falls sich Hinterschneidungen oder andere schwer zu entformende Geometrien nicht vermeiden lassen, sollte das Teil mehrteilig entworfen werden. Das Auswerfen von Teilen kann durch zusammenklappbare Stößel erleichtert werden. Magnete können hinzugefügt werden, um die Teile zusammenzuhalten.
• Integrieren Sie eine Schnittlinie in das CAD-Design Ihres Formwerkzeugs, um nach dem Umformprozess überschüssiges Material leicht zu entfernen. Heben Sie Ihr Teil während des Tiefziehvorgangs an, um Fehler auf Maschinenebene zu vermeiden.

Befolgen Sie die Best Practices von Formlabs für die Modellausrichtung.

Vermeiden Sie das Drucken von Stützstrukturen auf Formflächen. Sofern die Geometrie dies zulässt, drucken Sie die Form mit der flachen Seite direkt auf der Konstruktionsplattform, um den Verzug zu reduzieren. Durch den Verzicht auf Stützstrukturen sparen Sie so außerdem Druckzeit, Arbeitszeit und Harz. Wählen Sie die Grundfläche so aus, dass Überhänge minimiert werden.

Sobald die Werkzeuge gedruckt sind, waschen Sie die Luftkanäle und Kühlkanäle vorsichtig mit IPA gemäß den Best Practices von Formlabs und trocknen Sie das Teil mit einer Druckluftpistole, um überschüssiges Harz zu entfernen, das in den Löchern aushärten könnte. Härten Sie die Drucke nach den Formlabs-Richtlinien nach. Spezifische Anweisungen zum Waschen und Aushärten finden Sie in den einzelnen Materialartikeln.

• Bearbeiten Sie das Werkzeug durch Schleifen, Desktop-Fräsen oder Bohren, um die kritischen Maße einzuhalten.
• Wischen Sie mit Rigid 10K Resin gedruckte Teile mit Mineralöl ab, um überschüssiges Pulver von der Oberfläche zu entfernen.
• Erwägen Sie, das gedruckte Werkzeug auf eine Platte zu schrauben, die auf dem Thermoformer montiert werden kann.
• Verwenden Sie Trennmittel wie Slide oder Sprayon, um das Entformen und Silikon-Trennmittel zu erleichtern.
• Verwenden Sie hochwertiges Schneidwerkzeug zur Zuschneidung Ihres fertigen Teils – Blechscheren für dünne Platten und Dremel-Trennscheiben für Platten von über 1,5 mm Stärke.

3D-gedruckte Thermoformformen können sowohl auf Tisch- als auch auf Industriemaschinen eingesetzt werden, um Dutzende von funktionalen Prototypen, Teile für die Pilotproduktion und Endverbrauchsteile effizient und kostengünstig herzustellen. Es wird besonders empfohlen für:

• Fertigungsanforderungen für kurze bis mittlere Zeiträume
• Produktionsläufe von 20–50 Zyklen
• 3x–7x kürzere Vorlaufzeiten als bei herkömmlichen Werkzeugen

Einige Einschränkungen sind:

• Verschlechterung von Formen, die mit Draft Resin oder Grey Resin gedruckt wurden, im Laufe der Zeit
• Bei sehr dünnen Platten (0,5 mm) und kurzer Zykluszeit (80 s) nimmt die Qualität des Tiefziehens nach etwa 10 Iterationen ab und das Teil lässt sich schwerer entformen.
• Vermeiden Sie das Formen von stark abrasiven oder dicken Kunststoffen ohne vorherige Prüfung.

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