Professioneller Leitfaden: Langlebige Formen per 3D-Druck herstellen

Spritzguss ist weltweit der beliebteste Prozess zur Herstellung von Kunststoffteilen. Mit langlebigen Metallformen ermöglicht Spritzguss die Erzeugung von Hunderttausenden Einheiten in kurzer Zeit.

Und Formen sind nicht teuer. Zumindest das Einspritzen eines Schusses Material in eine Form nicht: Der Prozess ist blitzschnell, und Granulat ist eine kostengünstige Kunststoffform. Aber die Formen selbst sind teuer, da die meisten aus hochwertigen Metallen gefertigt und manuell oder per CNC bearbeitet werden.

Für Prototypen und Kleinserienfertigung kann eine professionelle Form weit über dem Budget eines Unternehmens liegen. Selbst die günstigsten Aluminiumformen – per Rapid Tooling gefertigt – sind für manche Projekte noch zu teuer.

Eine Möglichkeit, Spritzgussteile zu sehr niedrigen Kosten herzustellen, ist einfach, die Formen per 3D-Druck herzustellen. Diese Kunststoffformen halten nicht lange und eignen sich keinesfalls für Massenfertigung, funktionieren aber gut für bestimmte schnelle Prototypen.

Dieser Artikel beleuchtet, wie und warum Sie 3D-Druck zur Fertigung von Kunststoffformen für Spritzguss einsetzen könnten.

Warum 3D-Druck für Formen nutzen?

3D-Druck wird nicht breit als Formbauwerkzeug eingesetzt. Stattdessen wird er am häufigsten für Rapid Prototyping und Kleinserienfertigung von kundenspezifischen Teilen verwendet.

Bei Spritzguss mit knappem Budget bietet 3D-Druck jedoch einige Möglichkeiten. Additive Fertigung ist sehr günstig, mit minimalen Einrichtkosten, und kann für Einzelstücke wie eine Form genutzt werden.

3D-gedruckte Formen sind weit weniger stabil und langlebig als selbst die fragilsten bearbeiteten Metallformen, aber sie sind gut genug für bestimmte Prototypen aus bestimmten Materialien.

Für die allermeisten Fälle empfiehlt 3ERP CNC-Bearbeitung für die Herstellung von Spritzgussformen.

Welche Branchen nutzen 3D-Druck für Formen?

Einige Sektoren nutzen 3D-Druck recht regelmäßig für den Formbau, allerdings selten für Spritzguss.

Juwelier beispielsweise nutzen häufig Stereolithografie (SLA) 3D-Drucker zur Unterstützung des Feingussprozesses. Nach dem 3D-Druck eines Schmuckstück-Modells kann der Juwelier dieses als Positivmodell für die Formherstellung nutzen. Das 3D-gedruckte Modell wird dann ausgebrannt, wobei nur die Form zurückbleibt, die wiederum zur Herstellung des Metalschmucks verwendet werden kann.

Die zahnmedizinische Industrie nutzt 3D-Drucker ähnlich. Zahnärzte können nun ein 3D-Modell der Zähne eines Patienten erstellen, dann per 3D-Druck ein inverses Modell dieser Zähne fertigen. Dieses gedruckte Modell fungiert dann als Form und kann zur Herstellung patientenspezifischer Zahnschienen und Retainer aus weichen, medizinisch unbedenklichen Materialien verwendet werden.

Welcher 3D-Drucker eignet sich am besten für Formen?

FDM-3D-Drucker – die gängigsten Desktop-3D-Drucker – sind nicht besonders geeignet für Formenbau. Das liegt daran, dass FMD-gedruckte Teile typischerweise eine raue Oberfläche mit Schichtlinien aufweisen.

Bessere AM-Technologien für Formenbau sind Material Jetting und Stereolithografie (SLA).

Beide Technologien bieten hohe Detailgenauigkeit und Präzision sowie eine gute Oberflächenqualität, die einen reibungslosen Materialfluss während des Spritzprozesses begünstigt.

3D-druckbare Materialien für Formen

Eine Reihe von 3D-druckbaren Kunststoffen kann für Spritzgussformen verwendet werden. Ein Material muss jedoch eine ausreichend hohe Temperaturbeständigkeit haben, um seine Form beizubehalten, während geschmolzener Kunststoff eingespritzt wird.

Je höher die Schmelztemperatur des eingespritzten Kunststoffs, desto höher muss die Wärmeformbeständigkeitstemperatur der Form sein.

Für Material Jetting ist ein weit verbreitetes Formbaumaterial Stratasys Digital ABS mit einer Wärmeformbeständigkeit von bis zu 95 °C. Stratasys beschreibt das Material als „ideal für Rapid Prototyping von Snap-Fit-Teilen für hohe oder niedrige Temperaturen, funktionale Designs mit Multi-Material-Vielseitigkeit und Flexibilität, Formen, Fertigungswerkzeuge, Elektronikteile und mehr.“

Für SLA ist ein gängiges Formbaumaterial Formlabs High Temperature Resin. Formlabs gibt an: „Sowohl Clear als auch High Temp Resins können für kleine funktionale Formen verwendet werden, wobei High Temp Kompatibilität mit einer breiteren Palette thermoplastischer Schmelztemperaturen bietet… Die relativ hohe Steifigkeit von High Temp Resin bedeutet, dass die Form beim Entformen des Teils nicht verformt wird.“

Design einer 3D-gedruckten Form

Beim Design einer 3D-gedruckten Form sind zwei Dinge zu beachten: Ob das Design gut druckbar ist, und ob die gedruckte Form beim Einspritzen von geschmolzenem Kunststoff ordnungsgemäß funktioniert.

Für einen gut druckbaren Form:

• Stützstrukturen außen an der Form halten, fern vom Formhohlraum. So erscheinen Unvollkommenheiten durch Stützentfernung nicht auf den Formteilen.
• Mit höchster Auflösung und geringster Schichthöhe drucken, um Stufeneffekte an gekrümmten Merkmalen zu reduzieren.
• Entlüftungen einbauen, um eingeschlossene Luft und Blasenbildung zu minimieren.

Für effektives Formen:

• Dünne Wände mit gleichmäßiger Dicke beibehalten.
• Entformungsschrägen (Draft angles) hinzufügen, um Teileauswurf zu erleichtern.
• Radien einbauen; keine scharfen Kanten oder Ecken.

Für weitere Designtipps lesen Sie unsere Designtipps für Stereolithografie-3D-Druck. Dann unseren Leitfaden zum Design von Teilen für Spritzguss.

Gerahmt oder ungerahmt?

Ein guter Weg, die Lebensdauer einer 3D-gedruckten Form zu verlängern, ist die Verwendung eines Aluminiumrahmens. Die gedruckte Form wird in den Metallrahmen eingesetzt, der das empfindlichere Kunststoffform vor Druck und Hitze der Düse der Spritzgussmaschine schützt.

Da die Form fest im Aluminiumrahmen sitzt, ist sie auch nach wiederholten Einspritzungen vor Verzug geschützt. Zudem enthält der Rahmen einen Kanal, der die Spritzgussdüse mit dem Anguss der gedruckten Form verbindet, wodurch direkter Kontakt zwischen Düse und Form entfällt.

Aluminiumrahmen sind weit langlebiger als die darin platzierten 3D-gedruckten Formen. Das bedeutet, Hersteller können einen einzelnen Aluminiumrahmen für mehrere verschiedene Formen nutzen, die wiederum mehrere Formteile produzieren können.

Es ist möglich, eine gedruckte Form ohne Rahmen zu verwenden, aber dies erfordert mehr 3D-Druckmaterial und macht die Formen anfälliger für Verzug.

Alternative Methoden

Spritzguss mit 3D-gedruckten Formen kann eine gute Option für Unternehmen mit Zugang zu SLA- oder Material-Jetting-3D-Druckern sein.

Kleinserien von gegossenen Kunststoffteilen können jedoch auch mit Vakuumguss erreicht werden. Vakuumguss nutzt kostengünstige Silikonformen zur schnellen Fertigung von Kunststoffprototypen. Wie bei 3D-gedruckten Formen haben Silikonformen eine kurze Lebensdauer.

Vakuumguss kann vorzuziehen sein, da er Formteile mit extrem glatter Oberflächenqualität erzeugt.

3ERP ist ein erfahrener Anbieter von Fertigungsdienstleistungen wie 3D-Druck, Spritzguss, CNC-Bearbeitung und Vakuumguss. Kontaktieren Sie uns für ein kostenloses Angebot.