Kleinserien-Spritzguss: Bewährter 3D-Druck-Leitfaden für kosteneffiziente Prototypen

Während Spritzguss traditionell als Fertigungsverfahren nur für die Massenproduktion gilt, da hohe Werkzeugkosten anfallen, ermöglicht der Einsatz von 3D-Druck zur Herstellung von Spritzgussformen die Nutzung dieses Verfahrens für hochwertige, reproduzierbare Teile beim Prototyping und in der Kleinserienfertigung.

In diesem umfassenden Leitfaden erfahren Sie, wie Sie 3D-gedruckte Spritzgussformen sowohl mit Tisch- als auch mit Industriemaschinen einsetzen können, um effizient und kostengünstig hunderte funktionale Prototypen und Teile herzustellen, die die Produktentwicklung beschleunigen, Kosten und Lieferzeiten senken und bessere Produkte auf den Markt bringen.

Kleinserien-Spritzguss vs. traditioneller Spritzguss

Spritzguss ist eines der führenden Verfahren zur Kunststoffherstellung. Es ist kosteneffizient und extrem reproduzierbar und liefert hochwertige Teile für die Großserienfertigung. Daher wird es weit verbreitet für die Massenproduktion identischer Teile mit engen Toleranzen eingesetzt.

Spritzguss ist ein schnelles, intensives Verfahren, bei dem hohe Hitze und Druck geschmolzenes Material in eine Form injizieren. Das geschmolzene Material hängt vom Umfang des Fertigungsprojekts ab. Die gängigsten Materialien sind verschiedene Thermoplaste wie ABS, PS, PE, PC, PP oder TPU, aber auch Metalle und Keramiken können spritzgegossen werden. Die Form besteht aus einer Kavität, die das injizierte Schmelzematerial aufnimmt und so gestaltet ist, dass sie die endgültigen Merkmale eines Teils exakt abbildet.

Formen werden traditionell aus Metall durch CNC-Zerspanen oder Erodieren (EDM) hergestellt. Dies sind teure industrielle Verfahren, die spezialisierte Ausrüstung, High-End-Software und qualifizierte Arbeitskräfte erfordern. Daher dauert die Herstellung einer Metallform typischerweise vier bis acht Wochen und kostet je nach Form und Komplexität des Teils zwischen 2.000 und 100.000 $. Für kleinere Stückzahlen machen die Kosten, die Zeit, die spezielle Ausrüstung und das qualifizierte Personal, die zur Fertigung der Form aus gängigen Werkzeugmetallen und -verfahren erforderlich sind, Spritzguss in diesem Maßstab oft unrentabel. Es gibt jedoch Alternativen zur metallischen Formherstellung. Der Einsatz von hausinternem 3D-Druck zur Fertigung von Spritzgussformen für Prototyping und Kleinserienproduktion senkt Kosten und Zeit im Vergleich zu Metallformen erheblich, während weiterhin hochwertige, reproduzierbare Teile entstehen.

In diesem Video haben wir uns mit dem Spritzguss-Dienstleister Multiplus zusammengetan, um Sie durch die Schritte des Spritzgussprozesses mit 3D-gedruckten Formen zu führen.

Desktop-3D-Druck ist eine leistungsstarke Lösung, um Spritzgussformen schnell und kostengünstig herzustellen. Er erfordert sehr wenig Ausrüstung, spart CNC-Zeit und qualifizierte Bediener für andere hochwertige Aufgaben. Hersteller profitieren von der Geschwindigkeit und Flexibilität des hausinternen 3D-Drucks, um die Form zu erstellen und sie mit der Produktionskraft des Spritzgusses zu koppeln, um innerhalb weniger Tage eine Serie von Einheiten aus gängigen Thermoplasten zu liefern. Sie können sogar komplizierte Formen realisieren, die traditionell schwer herzustellen wären, und diese sowohl auf Desktop- als auch auf Industriemaschinen einsetzen, was Entwicklungsteams mehr Innovationsfreiheit gibt. Zudem profitiert die Produktentwicklung von der Möglichkeit, am Design zu iterieren und das Endverbrauchsmaterial zu testen, bevor in Hartwerkzeug investiert wird.

Auch wenn 3D-gedruckte Formen bei sachgemäßer Anwendung diese Vorteile bieten, gibt es dennoch Einschränkungen. Man sollte nicht dieselbe Leistung von einer 3D-gedruckten Polymerform erwarten wie von einer zerspaneten metallischen. Kritische Maße sind schwerer einzuhalten, die Kühlzeit ist länger, da der Wärmeübergang in Kunststoff langsamer erfolgt, und gedruckte Formen können unter Hitze und Druck leichter brechen. Dennoch implementieren Unternehmen branchenweit 3D-gedruckte Formen in ihre Kurzzeit-Spritzguss-Workflows, um schnell hunderte bis tausende Teile herzustellen. Vom Design funktionaler Prototypen mit Endverbrauchsmaterialien über die Fertigung von Teilen während der Pilotproduktion bis hin zur Herstellung von Kleinserien- oder kundenspezifischen Endverbrauchsteilen – 3D-Druck von Spritzgussformen ist ein kosteneffizienter und schneller Weg, Teile in begrenzten Mengen zu produzieren.

Stereolithografie (SLA) ist eine ausgezeichnete Wahl für den Formenbau. Sie zeichnet sich durch glatte Oberflächen und hohe Präzision aus, die die Form auf das Endteil überträgt und auch das Entformen erleichtert. SLA-Drucke sind chemisch gebunden, vollständig dicht und isotrop, was funktionale Formen in einer Qualität ermöglicht, die mit Fused Deposition Modeling (FDM) nicht möglich ist. Desktop-SLA-Drucker wie die von Formlabs lassen sich nahtlos in jeden Spritzguss-Workflow integrieren, da sie einfach zu implementieren, zu bedienen und zu warten sind.

Ein 3D-gedruckter Spritzgussformkern, montiert in einem Metallformrahmen.

Als Alternative für die Mittelserienproduktion von etwa 500 bis 10.000 Teilen kann auch das Zerspanen von Formen aus Aluminium die Fixkosten der Werkzeugherstellung senken. Aluminiumzerspanung ist fünf- bis zehnmal schneller als Stahl und verursacht weniger Werkzeugverschleiß, was kürzere Lieferzeiten und geringere Kosten bedeutet. Aluminium leitet Wärme auch schneller als Stahl, was den Bedarf an Kühlkanälen reduziert und Herstellern erlaubt, Formdesigns zu vereinfachen, während kurze Zykluszeiten beibehalten werden.

Zusammenfassend hier ein Überblick über die verschiedenen Spritzgussverfahren und die Formtypen, die je nach Produktionsvolumen den effizientesten Prozess und die geringsten Kosten pro Teil ergeben:

	Kleinserien-Spritzguss	Mittelserien-Spritzguss	Großserien-Spritzguss
Methode	Hausinterne Formherstellung & hausinternes Spritzgießen	Ausgelagerte Formherstellung & Spritzgießen	Ausgelagerte Formherstellung & Spritzgießen
Benötigte Ausrüstung	3D-Drucker, Tisch-Spritzgussmaschine	-	-
Form	3D-gedrucktes Polymer	Zerspanetes Aluminium	Zerspaneter Stahl
Formkosten	< 100 $	2.000 – 5.000 $	10.000 – 100.000 $
Lieferzeit bis Fertigteile	1–3 Tage	3–4 Wochen	4–8 Wochen
Ideales Produktionsvolumen	< 500	500 – 10.000	5.000+
Anwendungen	Rapid Prototyping Kundenspezifischer Spritzguss Kurzzeit-Spritzguss	Kurzzeit-Spritzguss	Massenproduktion

Die Art der Spritzgießmaschine hat keinen signifikanten Einfluss auf den Prozess beim Kleinserien-Spritzguss; traditionelle große industrielle Spritzgießmaschinen können ebenfalls mit 3D-gedruckten Formen verwendet werden. Diese Maschinen sind jedoch teuer, haben strenge Anlagenanforderungen und erfordern qualifiziertes Personal, weshalb die meisten Unternehmen Mittel- und Großserienproduktion an Dienstleister und Auftragsfertiger auslagern.

Wenn Sie neu im Spritzguss sind und ihn mit begrenztem Investitionsaufwand testen möchten, könnte eine Tisch-Spritzgießmaschine wie die Holipress oder die Galomb Model-B100 eine gute Option sein. Automatisierte Klein-Spritzgießanlagen wie der Desktop-Micromolder oder die hydraulische Babyplast 10/12 sind gute Alternativen für die Mittelserienproduktion kleiner Teile.

Neugierig auf die verschiedenen Faktoren, die die gesamten Spritzgusskosten ausmachen? Lesen Sie unseren umfassenden Leitfaden.

White Paper

Kleinserien-Rapid-Spritzguss mit 3D-gedruckten Formen

Laden Sie unser White Paper herunter für Richtlinien zur Verwendung 3D-gedruckter Formen im Spritzgussprozess zur Senkung von Kosten und Lieferzeiten sowie reale Fallstudien mit Braskem, Holimaker und Novus Applications.

White Paper lesen

Schritt-für-Schritt-Workflow für Kleinserien-Spritzguss

Der Workflow für Kleinserien-Spritzguss umfasst folgende sieben Schritte:

1. Formdesign

Entwerfen Sie die Form für Ihr Teil in der CAD-Software Ihrer Wahl. Beachten Sie gängige Designregeln für additive Fertigung und Spritzgussformdesign. Spezifische Designempfehlungen für polymer-3D-gedruckte Formen finden Sie in unserem Whitepaper.

Laden Sie Ihr Design in PreForm, die Formlabs-Druckvorbereitungssoftware. Bereiten Sie Ihren Druck vor und senden Sie ihn an Ihren Formlabs-3D-Drucker.

2. 3D-Druck der Form

Wählen Sie ein 3D-Druckmaterial und starten Sie den Druck. Rigid 10K Resin bei 50 µm Schichthöhe ist für die meisten Formdesigns ideal, da es hohe Festigkeit, Steifigkeit und Temperaturbeständigkeit vereint.

Wenn möglich, empfiehlt es sich, die Form flach, direkt auf der Bauplattform ohne Stützstrukturen zu drucken, um Verzug zu reduzieren.

Nach Waschen und Nachhärten ist Ihre 3D-gedruckte Form bereit für die Integration in Ihren Spritzgussprozess.

3. Formmontage

Vor der Montage können Sie die Form nachbearbeiten, um kritische Maße durch Handschleifen, Desktop- oder CNC-Zerspanen einzuhalten.

Es wird empfohlen, die gedruckte Form in einen standardisierten Metallrahmen oder eine Master Unit Die einzusetzen, um sie gegen hohe Drücke zu unterstützen und die Lebensdauer der gedruckten Form zu verlängern. Bauen Sie die 3D-gedruckte Form sorgfältig in den Metallrahmen ein. Fügen Sie Auswerferstifte, Einsätze, Seitenteile und andere Komponenten nach Bedarf hinzu.

Installieren Sie die montierte Form in Ihrer Spritzgießmaschine.

4. Formspannen

Legen Sie die Kunststoffgranulate ein, geben Sie die erforderlichen Einstellungen ein und beginnen Sie mit der Produktion. Eine geringere Spannkraft wird empfohlen, insbesondere wenn die gedruckte Form nicht durch einen Metallrahmen geschützt ist.

Eine breite Palette von Thermoplasten kann mit 3D-gedruckten Formen verarbeitet werden, z. B. TPE, PP, PE, ABS, POM, ASA, PA, PC oder TPU.

5. Einspritzen

Es kann einige Schüsse dauern, um die idealen Prozessbedingungen zu ermitteln, da viele Faktoren eine Rolle spielen: Teilegeometrie, Kunststoffwahl, Einspritzttemperaturen und -drücke sowie andere Parameter.

Reduzieren Sie Einspritzdruck und -temperatur so weit wie möglich.

Mit einer gedruckten Form spritzen Formlabs-Nutzer typischerweise hunderte Teile in leicht verarbeitbaren Kunststoffen wie TPE, PP und PE bei Temperaturen bis 250 °C. Bei Kunststoffen, die höhere Einspritztemperaturen erfordern, wie PA oder PC, kann die 3D-gedruckte Form eine kürzere Lebensdauer haben.

Lesen Sie unsere Prozessdokumentation, um Testergebnisse mit sowohl Desktop- als auch Industriespritzgießmaschinen zu sehen.

6. Kühlen

Die Kühlzeit einer polymer-gedruckten Form ist länger als die einer Metallform, da der Wärmeübergang in Kunststoff langsamer erfolgt als in Metall. Daher wird das Hinzufügen von Kühlkanälen zur gedruckten Form generell nicht empfohlen.

Stattdessen kann die Kühlung durch Aufblasen von Druckluft auf die Form oder durch den Einsatz austauschbarer Stapel beschleunigt werden.

7. Entformen

Entformen Sie das Teil manuell oder automatisch mit Auswerferstiften. Verwenden Sie ein Trennmittel für Thermoplaste mit hoher Viskosität. Trennmittel sind weit verbreitet; silikonbasierte Trennmittel wie Slide oder Sprayon sind mit Formlabs-Harzen kompatibel.

Anwendungen des Kleinserien-Spritzgusses

Die drei Hauptanwendungen für Kleinserien-Spritzguss sind Rapid Prototyping, Kurzzeit-Spritzguss und On-Demand- oder kundenspezifischer Spritzguss.

Rapid Prototyping mit Spritzguss

Rapid Prototyping hilft Unternehmen, Ideen in realistische Machbarkeitsnachweise zu verwandeln, diese Konzepte zu hochfidelitäts Prototypen weiterzuentwickeln, die wie Endprodukte aussehen und funktionieren, und Produkte durch eine Reihe von Validierungsstufen zur Massenproduktion zu führen.

Generell ist 3D-Druck der häufigste Weg, um Rapid Prototypes herzustellen. In späteren Entwicklungsphasen besteht jedoch oft Bedarf, etwas größere Mengen identischer Prototypen mit denselben Materialien und Produktionsprozessen wie für die Endteile herzustellen. Diese Prototypen können dann für Anwendungen wie Beta- und Feldtests genutzt werden. Die Kombination von 3D-gedruckten Formen mit Spritzguss ermöglicht Herstellern, funktionale Prototypen schnell und effizient zu entwickeln und den Produktentwicklungsprozess zu beschleunigen.

Zum Beispiel entwickelt das französische Start-up Holimaker eine manuelle Spritzgießmaschine, die Ingenieuren und Produktdesignern ermöglicht, Kunststoffteile auf ihrem Schreibtisch in geringen Mengen für Prototypen, Pilotproduktion oder sogar eine limitierte Serie von Endverbrauchsteilen zu verarbeiten.

Das Unternehmen bietet Machbarkeitsstudien für seine Kunden an, wobei 3D-gedruckte Formen für schnelle und kostengünstige Durchlaufzeiten eingesetzt werden. Dies ermöglicht ihren Kunden, Designs schnell und kostengünstig zu prototypen und endgültige Fertigungsbedingungen während der Pilotproduktionsphase neuer Produkteinführungen zu validieren.

Vorserien-Prototypen dieser Fußballstollen wurden in 3D-gedruckten Formen mit drei verschiedenen Thermoplasten spritzgegossen: POM (180 °C), PA 6.6 (270 °C), PP (210 °C).

Durch die Verwendung desselben Fertigungsverfahrens einschließlich Formdesign und Materialien können diese Teile im Feld getestet werden und sicherstellen, dass die Designs bereit für die Skalierung sind. Die 3D-gedruckten Formdesigns lassen sich dann problemlos für werkzeugtauglichen Stahl bei der Massenproduktion anpassen.

Mit 3D-gedruckten Formen schaffte es Holimaker, die Lieferzeit für die Formherstellung für den Spritzgussprozess auf 24 Stunden zu verkürzen, und sie setzen 3D-gedruckte Spritzgussformen in 80 % bis 90 % ihrer Projekte ein.

Kurzzeit-Spritzguss

Kurzzeit-Spritzguss bietet Herstellern die Möglichkeit, kleinere Serien von Endverbrauchsteilen für Produkte herzustellen, die nur in begrenzten Mengen produziert werden, oder eine Pilotserie eines Produkts für Markttests zu fertigen, bevor zu viel Kapital in das Vorhaben investiert wird.

Der Einsatz von Kleinserien-Spritzguss bietet die Chance, präzise und reproduzierbare Endverbrauchsteile ohne die hohen Fixkosten des traditionellen Spritzgusses herzustellen.

Multiplus ist ein in Shenzhen ansässiger Spritzguss-Lösungsanbieter, der den gesamten Produktionszyklus von Design bis Fertigung von Kunststoffprodukten abdeckt und jährlich über 250 Kunden bedient, darunter einige Fortune-500-Unternehmen. Einige dieser Kunden benötigen Kleinserienproduktion, die traditionell aufgrund der Komplexität der Hartwerkzeugherstellung teuer und zeitaufwändig ist.

Frisch spritzgegossene ABS-Steuergehäuse mit 3D-gedruckten Spritzgussformen.

Als die Nachfrage nach Kleinserienproduktion wuchs, wandte sich Multiplus dem 3D-Druck zu, um verschiedene Materialien zu erforschen und einen kosteneffizienten Weg zu finden, günstigere Kunststoffformen für kleinere Aufträge und Pilotproduktionsläufe herzustellen. Die Fertigung von Kleinserien-Spritzgussformen mit Formlabs-3D-Druckern senkte Kosten, Arbeitsaufwand und Zeit im Vergleich zum Zerspanen von Aluminiumformen und ließ sich nahtlos mit ihren industriellen Babyplast-Spritzgießmaschinen nutzen.

On-Demand- oder kundenspezifischer Spritzguss

Kundenspezifischer oder schneller On-Demand-Spritzguss kann erforderlich sein, um maßgeschneiderte Endverbrauchsteile für bestimmte Zwecke herzustellen, z. B. menschliche Faktoren, Anwendung oder Anlass, oft unter extremem Zeitdruck. Das begrenzte Volumen und/oder die kurze Lieferzeit machen traditionellen Spritzguss mit Hartwerkzeug weder effizient noch machbar. In diesen Fällen ist Kleinserien-Spritzguss mit 3D-gedruckten Formen die ideale Lösung, um den Prozess zu beschleunigen und kundenspezifische Teile zu liefern.

Das Beispiel von Braskem, einem der weltweit führenden petrochemischen Unternehmen, verdeutlicht den Fall für den Einsatz von 3D-gedrucktem Formenbau zur Erfüllung schneller On-Demand-Aufträge. Während der ersten COVID-19-Welle musste das Unternehmen tausende Maskenbänder zum Schutz seiner globalen Belegschaft produzieren. Braskem identifizierte Spritzguss als ideale Methode, doch ohne Zugang zu 3D-Druck hätten sie einen teuren Metallform auslagern müssen, was dem Team Geld und wertvolle Zeit gekostet hätte.

Braskem nutzte eine 3D-gedruckte Form in Kombination mit einer traditionellen industriellen Spritzgießmaschine, um die Maskenbänder schnell zu spritzgießen.

Braskems Team setzte auf Spritzguss mit einem Formlabs Form 3 3D-Drucker, um die Form für seine Bänder zu drucken, und die vollelektrische Cincinnati Milacron 110 Ton Roboshot Spritzgießmaschine, um die Bänder zu entwickeln.

Durch den Einsatz von 3D-Druck produzierte das Team innerhalb einer Woche nach Erhalt der VP-E-Mail tausende Bänder und bereitete sie für den Versand in Büros weltweit vor.

Einstieg in den Kleinserien-Spritzguss

Beschleunigen Sie die Produktentwicklung, senken Sie Kosten und Lieferzeiten und bringen Sie bessere Produkte auf den Markt, indem Sie 3D-Druck und Kleinserien-Spritzguss in Ihren Entwicklungsprozess integrieren.