Low-Run-Spritzguss optimieren mit 3D-gedruckten Formen

Dieser Artikel behandelt den Einsatz von 3D-Druck zur Herstellung von Formen für Kleinserien-Spritzguss. Er deckt Design-Aspekte, Materialien, Formenkonfigurationen und eine vergleichende Fallstudie ab.

Design einer 3D-gedruckten Spritzgussform

Materialanforderungen

Ein 3D-Druckmaterial eignet sich für Spritzgussformen, wenn es folgende Kriterien erfüllt:

• Hohe Temperaturbeständigkeit – Hohe Wärmeformbeständigkeitstemperatur (HDT), um den mechanischen und thermischen Belastungen beim Einspritzen standzuhalten. Die Temperatur sinkt während der Erstarrung rapide.
• Hohe Steifigkeit / Zähigkeit – Wiederholtes Entnehmen der Teile verursacht Verschleiß; hohe Steifigkeit erhält die Formgenauigkeit über die Zeit.
• Hohe Detailauflösung – Dimensionsgenauigkeit und glatte Oberflächen sind essenziell. Hochpräzise Formen produzieren hochpräzise Teile.

Die Technologien, die diese Anforderungen am besten erfüllen, sind SLA (Stereolithografie) und Material Jetting. Beide liefern hohe Dimensionsgenauigkeit und eignen sich für feinste Details. Spezialmaterialien wie Formlabs High Temperature Resin oder Stratasys Digital ABS sind ideal für Formen- und Werkzeugbau. Die relevantesten Eigenschaften für Spritzguss sind unten gegenübergestellt.

Für industrielle Anwendungen ist Desktop-SLA nicht geeignet. Ein vertiefender Vergleich der zwei gängigsten industriellen 3D-Druckmaterialien für Formenbau (Digital ABS und Somos PerFORM) finden Sie hier.

Eigenschaft	Formlabs High Temp Resin*	Stratasys Digital ABS**
Wärmeformbeständigkeit (HDT)	289 °C @ 0,45 MPa	92 – 95 °C @ 0,45 MPa
Biegemodul	3,3 GPa	1,7 – 2,2 GPa
Schlagzähigkeit (Notched IZOD)	14 J/m	65 – 80 J/m
Min. Schichthöhe (Auflösung)	25 – 50 µm	16 – 30 µm
Min. Detailgröße	0,2 mm	0,2 mm

*Quelle: Formlabs | **Quelle: Stratasys

Eine 3D-gedruckte Spritzgussform aus Digital ABS

Formen-Design

Die detaillierte technische Auslegung von Formmerkmalen (Angüsse, Kanäle, Entlüftungen etc.) sprengt den Rahmen dieses Artikels. Im Internet finden Sie umfangreiche Informationen; ein guter Einstieg für Neulinge ist dieser Beitrag von Seattle Robotics.

Folgende Good Practices sollten beim Design 3D-gedruckter Formen beachtet werden:

• Bei SLA-Druck: Innenseiten der Form so orientieren, dass keine Stützstrukturen damit in Kontakt kommen. Das verbessert die Oberflächenqualität (keine Stützspuren) und minimiert Nachbearbeitung.
• Flache Entlüftungen (0,05 mm Tiefe) vom Kavitätsrand zum Formrand hinzufügen, um eingeschlossene Luft während des Spritzens abzuführen.
• Bei mehr als 20 Schüssen: Kanäle für Metallstäbe oder -rohre einplanen. Diese verstärken die Form, reduzieren Verzug und verbessern Kühlzeiten.
• Niedrigere Schichthöhe beim Drucken erzeugt glattere Formoberflächen und damit glattere Spritzgussteile (weniger sichtbare Drucklinien).
• Erhabene und gravierte Details mindestens 1 mm von der Oberfläche versetzt anlegen.

Spezifische Design-Restriktionen hängen von der verwendeten Spritzgussmaschine ab. Stratasys empfiehlt: Formen aus Material Jetting für Teile mit max. 165 cm³ Volumen in 50–80-Tonnen-Maschinen oder Handpressen.

Teile-Design für Spritzguss

Wie bei konventionellen Formen sollte der Designer beachten:

• Entformungsschräge von mind. 2° für leichtere Entnahme
• Gleichmäßige Wandstärke über das gesamte Teil
• Alle Wände und Merkmale so dünn wie möglich halten
• Radien an allen Kanten und Ecken
• Dünne Rippen und Gussete statt dickerer Wände für Festigkeit

Entformungsschräge-Design für Spritzguss

Mehr zur Wichtigkeit von Entformungsschrägen in diesem Artikel.

Gratausbildung (Flash) reduzieren

Flash (Grat) ist Material, das während des Spritzens zwischen den Formhälften austritt. Ursachen: unperfekter Formschluss, nicht planparallele Trennflächen oder Überfüllung. Angusskanäle im Formdesign helfen, Flash zu minimieren.

Bei Aluminiumrahmen: 0,125 mm zusätzliche Dicke auf der Rückseite der Formplatten einplanen, um Presskräfte auszugleichen und einen vollständigen Schluss zu gewährleisten. Erhöhte Spannkraft im Schraubstock und Polieren der Trennfläche (so plan wie möglich) reduzieren Flash ebenfalls.

Gutes Formdesign und planare Trennfläche verringern Gratbildung (Bild: Formlabs)

Trennmittel

Da 3D-gedruckte Formmaterialien im Vergleich zu konventionellen Formen relativ empfindlich sind, kann übermäßige Entnahmekraft zu schnellem Formverschleiß führen. Ein Trennmittel auf den Kavitätsoberflächen vor dem Spritzvorgang erleichtert die Entnahme erheblich.

Fallstudie: Kunststoff-Anbauteil für Motorgehäuse

Verglichen wird die Fertigung eines kundenspezifischen Kunststoff-Fittings für ein Motorgehäuse. Anforderungen:

• Gesamtstückzahl: 25
• Hohe Dimensionsgenauigkeit für Passsitz
• Teilgewicht: 5 g
• Material: ABS
• Farbe: Schwarz
• Gesamtdurchmesser: 40 mm

Alternative Fertigungsoptionen:

Industrielles FDM ABS 3D-Druck: Hohe Wiederholgenauigkeit, hohe Dimensionsgenauigkeit, geeignet für kleine bis mittlere Losgrößen. Filamentkosten: ca. 90–110 $/kg. Haupteinschränkung: anisotrope mechanische Eigenschaften (deutlich schwächer in einer Richtung). Der Designer muss Lasten und Druckorientierung genau kennen.

Spritzguss ABS mit SLA-3D-gedruckten Formen: High-Temp-SLA-Harze liefern funktionale Spritzgussformen mit hoher Genauigkeit, ideal für Kleinserien. Harzkosten: ca. 150–170 $/L. Für die Berechnung wurde eine Tisch-Spritzgussmaschine mit 3D-gedruckten Formen in Aluminium-Trägerrahmen genutzt. ABS-Granulat: ca. 2–3 $/kg.

Konventioneller Spritzguss ABS: Sehr hohe Genauigkeit, exzellente Oberflächen, sehr hohe Wiederholgenauigkeit. Nachteile: hohe anfängliche Werkzeugkosten, viele Design-Restriktionen (Entformungsschrägen, konstante Wandstärke etc.). ABS-Granulatkosten wie oben.

Kostenübersicht (basierend auf Online-Angeboten, ohne Versand):

	Industrielles FDM*	3D-gedruckte Form IM**	Konventioneller IM***
Formkosten	–	70,85 $	1.660,72 $
Kosten pro Teil	3,69 $	0,05 $	1,89 $
Gesamtkosten	92,25 $	72,10 $	1.711,48 $
Lieferzeit	4 Tage	2 Tage	8 Tage

* Angebot von Protolabs Network mit ABS, 20% Infill, Fortus 250MC | ** Angebot mit Formlabs High Temp Resin, Form 2 | *** Angebot von Protolabs

Nächste Schritte: Teile mit Spritzguss fertigen

Ist Low-Run-Spritzguss mit 3D-gedruckten Formen die beste Lösung für Ihre Anwendung? Zwei Wege führen zum Ziel:

Wenn Sie Zugang zu einer Spritzgussmaschine und das Know-how für Formdesign haben: 3D-Druck der Form in einem hitzebeständigen Material. Ein Artikel zu Vor- und Nachteilen der zwei gängigsten 3D-Druckmaterialien für Low-Run-Spritzgussformen finden Sie hier.

Andernfalls: Produktion an einen professionellen Spritzgussdienstleister auslagern. Protolabs Network bietet Zugang zu einem globalen Netzwerk von Spritzguss-Partnern, die Ihr Formdesign erstellen und Stückzahlen von 100 bis 10.000+ fertigen können.

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