Optimierung des Kleinserien-Spritzgießens mit 3D-gedruckten Formen

In diesem Artikel wird die Verwendung des 3D-Drucks zum Drucken von Formen für das Spritzgießen in kleinen Auflagen erläutert. Designüberlegungen, Materialien, Formenkonfigurationen und eine vergleichende Fallstudie sind alle enthalten

So entwerfen Sie eine 3D-gedruckte Spritzgussform

Materialien

Ein 3D-Druckmaterial eignet sich zur Herstellung einer Spritzgussform, wenn es Folgendes aufweist:

• Hohe Temperaturbeständigkeit - Eine hohe Wärmeformbeständigkeit ist erforderlich, um den mechanischen und thermischen Belastungen standzuhalten, die beim Materialeinspritzen auf die Form einwirken. Beachten Sie jedoch, dass die Temperatur während der Erstarrung schnell abnimmt.
• Hohe Steifigkeit/Zähigkeit - Das wiederholte Entfernen von Teilen kann zu Verschleiß an der Form führen. Daher sind Materialien mit hoher Steifigkeit erforderlich, um die Formgenauigkeit über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten.
• Hoher Detaillierungsgrad - Eine der Hauptanforderungen an eine Spritzgussform ist eine hohe Maßhaltigkeit und eine glatte Oberfläche. Hochpräzise Formen erzeugen hochpräzise Teile.

Die 3D-Drucktechnologien, die diese Anforderungen am besten abdecken, sind SLA und Material Jetting. Mit diesen Technologien können Teile mit hoher Maßgenauigkeit hergestellt werden und eignen sich ideal zum Drucken komplizierter Details und sehr feiner Merkmale. Spezialmaterialien, die in diesen Technologien verfügbar sind, wie Formlabs High Temperature Resin oder Stratasys Digital ABS, eignen sich ideal für Form- und Werkzeuganwendungen. Nachfolgend finden Sie einen Überblick über die Eigenschaften, die für das Spritzgießen dieser beiden Materialien am relevantesten sind.

Für industrielle Anwendungen ist Desktop-SLA nicht geeignet. Einen ausführlichen Artikel zum Vergleich der beiden am häufigsten verwendeten industriellen 3D-Druckmaterialien für den Formenbau (Digtal ABS und Somos PerFORM) finden Sie hier.

Eigenschaft Formlabs Hochtemperaturharz* Stratasys Digital ABS** Wärmeformbeständigkeit 289 ℃ bei 0,45 MPa 92 - 95 ℃ bei 0,45 MPa Biegemodul 3,3 GPa 1,7 - 2,2 GPa Schlagzähigkeit (Notched IZOD) 14 J/m 65 - 80 J/m Niedrigste Schichthöhe (Auflösung) 25 - 50 Mikrometer 16 - 30 Mikrometer Mindestdetailgröße 0,2 mm 0,2 mm *Informationen stammen von Formlabs**Informationen stammen von Stratasys Eine 3D-gedruckte Spritzgussform aus Digital ABS

Formendesign

Die Beschreibung des spezifischen technischen Designs von Formelementen (z. B. Anschnitte, Läufer, Entlüftungsöffnungen usw.) ist nicht Gegenstand dieses Artikels. Eine Internetrecherche wird eine große Menge an Informationen zu diesem Thema liefern. Dieser Beitrag von Seattle Robotics ist ein guter Ausgangspunkt für Einsteiger in die Konstruktion von Spritzgussformen.

Hier ist eine Liste einiger bewährter Vorgehensweisen, die beim Entwerfen einer 3D-gedruckten Form befolgt werden sollten:

• Stellen Sie beim Entwerfen der Form für den SLA-Druck sicher, dass die Innenflächen der Form so ausgerichtet sind, dass kein Träger sie berührt. Dadurch wird die Oberflächenqualität verbessert, da auf diesen Oberflächen keine Stützspuren entstehen, was die erforderliche Nachbearbeitung minimiert.
• Das Einschließen flacher Luftöffnungen (0,05 mm tief) vom Rand der Kavität bis zum Rand der Form trägt dazu bei, eingeschlossene Luft während des Formvorgangs auszutreiben.
• Wenn die 3D-gedruckte Form für mehr als 20 Durchläufe verwendet werden soll, sollten Sie erwägen, Kanäle in das Design einzubeziehen, um Metallstangen oder -rohre einzubetten. Diese können dazu beitragen, die Form zu verstärken, Verformungen zu reduzieren und die Abkühlzeiten zu verbessern.
• Der 3D-Druck der Form mit einer geringeren Schichthöhe kann dazu beitragen, glattere Formteile zu erzeugen, da die Formen weniger sichtbare Drucklinien aufweisen.
• Geprägte und gravierte Details sollten mindestens 1 mm von der Oberfläche versetzt sein.

Spezifische Designbeschränkungen hängen von der verwendeten Spritzgießmaschine ab. Stratasys schlägt jedoch vor, dass Formen, die mit ihren Material Jetting-Druckern hergestellt wurden, zur Herstellung von Teilen mit einem maximalen Volumen von 165 cm3 in 50- bis 80-Tonnen-Formmaschinen oder manuellen Handpressen verwendet werden sollten.

Entwerfen von Teilen für den Spritzguss

Wie bei herkömmlichen Spritzgussformen sollte ein Designer Folgendes berücksichtigen:

• Hinzufügen eines Entformungswinkels von mindestens 2o Grad, um die Entnahme des Teils aus der Form zu erleichtern.
• Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Wandstärke über das gesamte Teil.
• Alle Wände und Elemente so dünn wie möglich halten.
• Einschließlich Radien an allen Kanten und Ecken.
• Einschließlich dünner Rippen und Zwickel, um einem Teil Festigkeit zu verleihen, anstatt die Wandstärke zu erhöhen.

Formschrägendesign für das Spritzgießen

Erfahren Sie in diesem Artikel mehr über die Bedeutung von Formschrägen →

Blitz reduzieren

Als Flash bezeichnet man das Material, das beim Einspritzvorgang zwischen den beiden Formhälften austritt. Dies geschieht im Allgemeinen, wenn die beiden Formhälften nicht perfekt zusammenpassen, nicht perfekt bündig und flach sind oder die Form überfüllt ist. Bei der Formkonstruktion werden Angusskanäle verwendet, um die Wahrscheinlichkeit von Graten zu verringern.

Wenn Sie einen Aluminiumrahmen entwerfen, fügen Sie auf der Rückseite der Formplatten eine zusätzliche Dicke von 0,125 mm hinzu, um den Druckkräften Rechnung zu tragen und eine vollständige Abdichtung zu gewährleisten. Eine Erhöhung der Spannkraft im Schraubstock kann ebenfalls dazu beitragen, Grate zu mildern, ebenso wie das Polieren der Teilungsebene der Formen, um eine möglichst ebene Oberfläche zu erhalten.

Ein gutes Formdesign und eine flache Formfläche verringern die Wahrscheinlichkeit von Gratbildung

(Bild mit freundlicher Genehmigung von Formlabs)

Verbindung freisetzen

Aufgrund der relativ fragilen Beschaffenheit der Materialien, die in 3D-gedruckten Spritzgussformen im Vergleich zu herkömmlichen Formen verwendet werden, kann die Anwendung übermäßiger Kraft beim Entfernen eines Teils aus der Form zu einer schnellen Verschlechterung der Form führen. Das Auftragen einer Trennmasse auf die Oberflächen des Formhohlraums vor der Einspritzphase kann die Teileentnahme erheblich erleichtern.

Fallstudie:ein Kunststoff-Motoranschluss

In dieser Fallstudie wird die Herstellung einer kundenspezifischen Kunststoffarmatur für ein Motorgehäuse verglichen. Die Anforderungen an das Design sind:

• Die Gesamtzahl der Teile beträgt 25.
• Um einen festen Sitz zu gewährleisten, ist ein hohes Maß an Maßgenauigkeit erforderlich.
• Das Gewicht des Teils beträgt 0,005 kg (5 Gramm).
• Das Teil muss aus ABS bestehen.
• Das Teil muss schwarz sein.
• Der Gesamtdurchmesser des Teils beträgt 40 mm.

Hier sind die verfügbaren alternativen Herstellungsoptionen:

Industrieller FDM-ABS-3D-Druck: Der industrielle FDM-3D-Druck verfügt über eine hohe Wiederholgenauigkeit und kann Teile mit hoher Maßgenauigkeit herstellen und ist in der Lage, Teile in kleinen bis mittleren Chargen zu drucken. Die Kosten für das ABS-Filament, das in industriellen FDM-Systemen verwendet wird, liegen typischerweise bei etwa 90 bis 110 US-Dollar pro kg. Die Hauptbeschränkung für alle per FDM-3D-Druck hergestellten Teile ist ihre anisotrope mechanische Leistung:Teile sind in einer Richtung deutlich schwächer. Das bedeutet, dass ein Designer die Belastungen, denen das Teil ausgesetzt sein wird, und die Ausrichtung des Modells auf der Druckplattform genau kennen müssen.

Spritzguss von ABS-Teilen mit SLA-3D-gedruckten Formen: Hochtemperatur-SLA-Harze sind in der Lage, funktionelle Spritzgussformen mit hoher Genauigkeit herzustellen, die sich am besten für kleine Produktionsläufe eignen. SLA-Harze kosten im Einzelhandel etwa 150 bis 170 US-Dollar pro Liter. Für die Berechnungen in diesem Beispiel wurde eine Tisch-Spritzgießmaschine verwendet, wobei die 3D-gedruckten Formen in Aluminium-Stützrahmen eingesetzt wurden. Zum Formen des Teils werden ABS-Pellets verwendet, die etwa 2 bis 3 US-Dollar kosten

Traditionelles ABS-Spritzgussteil: Herkömmliche Spritzgussteile zeichnen sich durch eine sehr hohe Genauigkeit, eine hervorragende Oberflächengüte und eine sehr hohe Wiederholgenauigkeit aus. Die Hauptnachteile des herkömmlichen Spritzgießens sind die hohen anfänglichen Einrichtungskosten und die zahlreichen Designbeschränkungen, die bei der Gestaltung des Formteils gelten (Entformungswinkel, konstante Wandstärke usw.). Die Kosten für die ABS-Pellets sind die gleichen wie oben.

Eine Zusammenfassung der Kosten (basierend auf Online-Angeboten) für die Herstellung des ABS-Armaturenstücks unter Verwendung der oben besprochenen Technologien ist in der folgenden Tabelle zusammengefasst. Alle Preise verstehen sich zuzüglich Versand.

Industrielles FDM* 3DP IM** Traditionelle IM*** Kosten für Schimmel N/A 70,85 $ 1660,72 $ Kosten pro Teil 3,69 $ 0,05 $ 1,89 $ Gesamtkosten 92,25 $ 72,10 $ 1711,48 $ Vorlaufzeit 4 Tage 2 Tage 8 Tage * Angebot stammt von Protolabs Network.com mit ABS, 20 % Füllung, gedruckt auf einem Fortus 250MC** Zitat von Protolabs Network.com mit Formlabs High Temp-Harz, gedruckt auf einem Form2*** Zitat stammt von Protolabs

Nächste Schritte:So stellen Sie Teile im Spritzguss her

Ist Spritzgießen in Kleinserien mit 3D-gedruckten Formen die beste Lösung für Ihre Anwendung? Dann gibt es für Sie zwei Möglichkeiten, Ihr Projekt voranzutreiben:

Wenn Sie Zugriff auf eine Spritzgussmaschine und das Know-how zum Entwerfen der Form haben, dann 3D-Druck der Form aus hitzebeständigem Material ist eine Option. Einen Artikel über die Vor- und Nachteile der beiden am häufigsten verwendeten 3D-Druckmaterialien für die Herstellung von Spritzgussformen in Kleinserien finden Sie hier.

Andernfalls können Sie die Produktion an einen Profi auslagern Spritzgusshersteller. Protolabs Network bietet Zugang zu einem globalen Netzwerk von Spritzgussdienstleistern, die in der Lage sind, eine Form für Ihr Teil zu entwerfen und Mengen von 100 bis 10.000+ Einheiten zu produzieren.

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