Polyurethan-Gießen meistern: Design-Tipps für hochwertige Prototypen

Der Polyurethan-Guss-Service von 3ERP ermöglicht die Fertigung kleiner Stückzahlen von Kunststoffteilen zu deutlich geringeren Kosten als beim Spritzguss. Diese hochwertigen Prototypen überzeugen durch exzellente Oberflächenqualität und ebnen den Weg zur Serienfertigung von Spritzgussteilen.

Viele Produktdesigner sind mit dem Polyurethan-Guss jedoch noch wenig vertraut. Das Verfahren erfordert spezifische Design-Überlegungen – sowohl für die Herstellung des Master-Modells als auch für die Gussteile selbst. Das Design für Polyurethan-Guss unterscheidet sich grundlegend vom Spritzguss-Design, daher sollten sich Designer vor dem CAD-Entwurf gründlich mit dem Prozess auseinandersetzen.

Dieser Artikel liefert umfassende Informationen zum Design von Polyurethan-Gussteilen. Er behandelt Feature-Design, typische Toleranzen und die Unterschiede zum Spritzguss-Design.

Was ist Polyurethan-Guss?

Auch als Vakuumguss bekannt, ist Polyurethan-Guss ein Prototyping- und Kleinserien-Verfahren für Chargen bis zu 25 Stück. Der Begriff „Urethane Casting“ bezeichnet denselben Prozess.

Der Prozess gliedert sich in drei Hauptschritte: Master-Modell-Herstellung, Silikonform-Herstellung und Gießen der Teile.

1. Master-Modell: Mittels CNC-Bearbeitung oder SLA-3D-Druck wird ein positives Master-Modell gefertigt. Alternativ kann ein bestehendes Teil aus nahezu jedem festen Material dienen, das Temperaturen von 40 °C (für die Silikon-Aushärtung) standhält.
2. Form: Eine Gussbox wird zur Hälfte mit flüssigem Silikon gefüllt, das Master-Modell in die Mitte gelegt. Das Silikon härtet 16 Stunden bei niedriger Temperatur im Ofen aus und bildet die erste Formhälfte. Anschließend wird die zweite Hälfte gegossen und ausgehärtet. Die Formhälften werden entnommen, das Master-Modell für künftige Nutzung aufbewahrt.
3. Gießen: Die flexiblen Silikonformen werden mit Polyurethan-Gießharz befüllt, das im Inneren aushärtet und die exakte Form des Masters annimmt. Eine Silikonform hält ca. 25 Gussvorgänge, bevor sie ersetzt werden muss.

Polyurethan-Guss ist wertvoll, da Silikonformen deutlich günstiger sind als Metallwerkzeuge. Die Lebensdauer von ~25 Güssen reicht für Prototypen und Kleinserien meist aus.

Obwohl Polyurethan-Harze keine hochfesten Funktionsbauteile liefern, bieten sie einzigartige Vorteile: exzellente Oberflächen, vielfältige Farben und Transparenzen sowie hohe Wirtschaftlichkeit bei kleinen Stückzahlen.

Master-Modell erstellen

Die erste Design-Überlegung betrifft das Master-Modell. Gängige Verfahren sind 3D-Druck (SLA, PolyJet etc.) und CNC-Bearbeitung. Traditionelles Modellbauen per Hand ist möglich, aber kostenintensiver.

Bei digitalen Fertigungsverfahren (3D-Druck, CNC) müssen Designer die Constraints zweier Prozesse gleichzeitig beachten: Modellbau und Guss. Dieser Artikel fokussiert auf Design-Tipps für effektives Gießen.

Vorteile 3D-gedruckter Master-Modelle:

• Höhere geometrische Freiheit
• Schnellere Herstellung als CNC

Vorteile CNC-gefräster Master-Modelle:

• Engere Toleranzen als 3D-Druck
• Weniger Nachbearbeitung der Oberfläche nötig
• Längere Lebensdauer als 3D-gedruckte Modelle

Toleranzen & Abmessungen

Beim Design von Polyurethan-Gussteilen sind Standardtoleranzen und Min./Max.-Abmessungen zu beachten, die vom Spritzguss abweichen.

Wird Polyurethan-Guss als Prototyping-Verfahren für spätere Spritzgussteile genutzt, kann es sinnvoll sein, das Design bereits spritzguss-tauglich zu gestalten (z. B. mit Entformungsschrägen).

• Toleranz: 3ERP fertigt Polyurethan-Teile mit ± 0,3 % Genauigkeit, untere Grenze ± 0,3 mm bei Abmessungen < 100 mm.
• Schwund: Dicke Bauteile neigen stärker zu Schwindung durch Temperaturschwankungen. Ein Schwindmaß von ca. +0,15 % sollte eingeplant werden.
• Teilegröße: Max. Abmessungen 1900 × 900 × 750 mm, max. Volumen 10 Liter.

Wandstärke

Die minimale Wandstärke beträgt 0,75 mm für ordnungsgemäßen Formfüllung; ≥ 1,5 mm liefern optimale Ergebnisse. Für dünnere Wände kontaktieren Sie uns bitte.

Wie beim Spritzguss führt gleichmäßige Wandstärke zu besseren Ergebnissen, da temperaturbedingte Verformungen minimiert werden. Wandstärkenvariationen sind jedoch weniger kritisch als beim Spritzguss.

Entformungsschräge (Draft)

Ein großer Vorteil: Die Flexibilität der Silikonformen ermöglicht Entnahme der Teile ohne Auswerferstifte. Entformungsschrägen sind nicht zwingend nötig wie beim Spritzguss.

Ein kleiner Draft-Winkel von bis zu 5° kann die Formlebensdauer leicht verlängern – vorteilhaft bei mittlere Stückzahlen, wenn nicht perfekt gerade Seiten nötig sind. Dies erleichtert auch die spätere Umstellung auf Spritzguss.

Radien

Scharfe Innenkanten sollten vermieden werden, um Festigkeit und Stabilität zu maximieren. Empfohlen: Fasen an Innenkanten mit 3 mm Radius.

CNC-Bearbeitung des Masters ist ideal für Radien, da CNC-Schneidwerkzeuge zylindrisch sind und beim Taschenfräsen natürliche abgerundete Innenkanten erzeugen.

Rippen

Zur Steifigkeitserhöhung ohne Wandstärkenzunahme können Rippen eingesetzt werden (Erhöhung des Flächenträgheitsmoments). Mehrere kurze Rippen sind besser als eine einzelne hohe; Ausrichtung relativ zu potenziellen Biegebelastungen ist entscheidend.

Rippen sollten große Eckenradien und eine Dicke von < 60 % der Wandstärke haben (Vermeidung von Schwindung/Sinkmarken). Höhe < 3× Rippendicke (Bruchvermeidung).

Bossen (Bosses)

Polyurethan-Gussteile können Bossen (Vorsprünge für Befestigungen/Gewindeeinsätze) aufweisen, unterstützt durch Gussete oder Verbindungsrippen.

Zur Sinkmarkenvermeidung: Boss-Wandstärke < 60 % der Bauteil-Wandstärke. Basisradius der Bosse ≥ 25 % der Bauteil-Wandstärke.

Gewinde & Bohrungen

Durchgangsbohrungen und Gewinde sind möglich, am besten über Einsätze (Inserts) realisiert, nicht im Master-Modell. Komplexe Features erhöhen Kosten und sind für Prototypen oft unnötig.

• Durchgangsbohrungen: Dornstifte in die Silikonform einlegen.
• Gewinde: Metall-Gewindeeinsätze per Insert-Molding einbringen.

Fügungen (Joints)

Mehrkomponenten-Teile mit Nut-Feder-Verbindungen sind realisierbar. Ein kleiner Fugen-Spalt (reveal gap) sollte in der Verbindung eingeplant werden.

Oberflächen-Features

Texte, Logos etc. lassen sich in Gussteile integrieren. Besonders als Gravur (vertieft) sind sie per CNC-gefrästem Master leichter umsetzbar als per 3D-Druck.

Optimale Lesbarkeit: Buchstaben/Zahlen mindestens 1,3 mm Abstand.