Leitfaden zum Spritzgießen mit geringem Volumen

Während Spritzgießen aufgrund seiner hohen Werkzeugkosten traditionell nur als Herstellungsverfahren für die Massenproduktion angesehen wird, können Sie durch die Nutzung des 3D-Drucks zur Herstellung von Spritzgussformen diesen Prozess nutzen, um hochwertige und wiederholbare Teile für den Prototypenbau und die Kleinserienproduktion herzustellen.

In diesem umfassenden Leitfaden erfahren Sie, wie Sie mit 3D-gedruckten Spritzgussformen sowohl mit Tisch- als auch mit Industriemaschinen Hunderte von funktionalen Prototypen und Teilen effizient und kostengünstig herstellen können, die die Produktentwicklung beschleunigen, Kosten und Vorlaufzeiten reduzieren und bessere Produkte auf den Markt bringen.

Spritzguss mit geringem Volumen im Vergleich zu herkömmlichem Spritzguss

Spritzgießen ist eines der führenden Verfahren zur Herstellung von Kunststoffen. Es ist eine kostengünstige und extrem wiederholbare Technologie, die hochwertige Teile für die Großserienfertigung liefert. Daher wird es häufig für die Massenproduktion identischer Teile mit engen Toleranzen verwendet.

Spritzgießen ist ein schneller, intensiver Prozess, bei dem hohe Hitze und Druck erforderlich sind, um geschmolzenes Material in eine Form zu spritzen. Das geschmolzene Material hängt vom Umfang des Herstellungsprojekts ab. Die beliebtesten 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 eingespritzte geschmolzene Material aufnimmt und die endgültigen Merkmale eines Teils genau widerspiegelt.

Die Formen werden traditionell aus Metall durch CNC-Bearbeitung oder Funkenerosion (EDM) hergestellt. Dies sind teure industrielle Methoden, die spezielle Ausrüstung, High-End-Software und qualifizierte Arbeitskräfte erfordern. Infolgedessen dauert die Herstellung einer Metallform in der Regel vier bis acht Wochen und kostet je nach Form und Komplexität des Teils zwischen 2.000 und 100.000 US-Dollar und mehr. Bei kleineren Teilemengen machen die Kosten, die Zeit, die spezialisierte Ausrüstung und die Fachkraft, die erforderlich sind, um die Form aus üblichen Werkzeugmetallen und Herstellungsverfahren herzustellen, Spritzguss in dieser Größenordnung oft nicht erhältlich. Es gibt jedoch Alternativen zur Bearbeitung von Formen aus Metall. Durch die Nutzung des hausinternen 3D-Drucks zur Herstellung von Spritzgussformen für das Prototyping und die Kleinserienproduktion werden Kosten und Zeit im Vergleich zu Metallformen erheblich reduziert, während gleichzeitig qualitativ hochwertige und wiederholbare Teile hergestellt werden.

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

Der Desktop-3D-Druck ist eine leistungsstarke Lösung für die schnelle und kostengünstige Herstellung von Spritzgussformen. Es erfordert eine sehr begrenzte Ausrüstung, wodurch CNC-Zeit und qualifizierte Bediener für andere hochwertige Aufgaben in der Zwischenzeit gespart werden. Hersteller können von der Geschwindigkeit und Flexibilität des hauseigenen 3D-Drucks profitieren, um die Form zu erstellen und sie mit der Produktionskraft des Spritzgießens zu koppeln, um innerhalb weniger Tage eine Reihe von Einheiten aus gängigen Thermoplasten zu liefern. Sie können sogar komplizierte Formen erreichen, die traditionell schwer herzustellen wären, und können sowohl auf Desktop- als auch auf industriellen Spritzgussmaschinen verwendet werden, wodurch Entwicklungsteams innovativer werden können. Darüber hinaus profitiert die Produktentwicklung von der Möglichkeit, das Design zu wiederholen und das Endmaterial zu testen, bevor in harte Werkzeuge investiert wird.

Auch wenn 3D-Druckformen bei sachgemäßem Einsatz diese Vorteile bieten können, gibt es dennoch einige Einschränkungen zu beachten. Wir sollten nicht die gleiche Leistung von einer 3D-Druck-Polymerform erwarten wie von einer bearbeiteten Metallform. Kritische Abmessungen sind schwerer einzuhalten, die Abkühlzeit ist länger, weil die Wärmeübertragung in Kunststoff langsamer erfolgt und gedruckte Formen können unter Hitze und Druck leichter brechen. Unternehmen in der gesamten Branche implementieren jedoch weiterhin 3D-gedruckte Formen in ihre Spritzguss-Workflows für kleine Auflagen, sodass sie schnell Hunderte bis Tausende von Teilen herstellen können. Von der Konstruktion funktionaler Prototypen mit Endverbrauchsmaterialien, der Herstellung von Teilen während der Pilotproduktion oder der Herstellung von Kleinserien oder kundenspezifischen Endverbrauchsteilen – 3D-Druck-Spritzgussformen sind eine kostengünstige und schnelle Möglichkeit, Teile in begrenzten Mengen herzustellen.

Die 3D-Drucktechnologie Stereolithographie (SLA) ist eine gute Wahl für das Formen. Es zeichnet sich durch eine glatte Oberflächenbeschaffenheit und hohe Präzision aus, die die Form auf das Endteil überträgt und auch die Entformung erleichtert. Durch Stereolithographie hergestellte 3D-Drucke werden chemisch so verbunden, dass sie vollständig dicht und isotrop sind, wodurch funktionale Formen in einer Qualität hergestellt werden, die mit dem 3D-Druck mit Fused Deposition Modeling (FDM) nicht möglich ist. Desktop-SLA-Drucker, wie sie von Formlabs angeboten werden, können nahtlos in jeden Spritzguss-Workflow integriert werden, da sie einfach zu implementieren, zu bedienen und zu warten sind.

Ein 3D-gedruckter Spritzgusskern, der mit einer Metallformschale zusammengebaut ist.

Alternativ für die mittlere Stückzahl von etwa 500 bis 10.000 Teilen können durch die Bearbeitung von Formen aus Aluminium auch die Fixkosten der Formenherstellung gesenkt werden. Die Bearbeitung von Aluminium ist fünf- bis zehnmal schneller als die von Stahl und verursacht weniger Verschleiß an den Werkzeugen, was kürzere Durchlaufzeiten und geringere Kosten bedeutet. Aluminium leitet die Wärme auch schneller als Stahl, was zu einem geringeren Bedarf an Kühlkanälen führt und es den Herstellern ermöglicht, Formenkonstruktionen zu vereinfachen und gleichzeitig kurze Zykluszeiten beizubehalten.

Zusammenfassend hier ein Überblick über die verschiedenen Spritzgussverfahren und Werkzeugtypen, die je nach Produktionsvolumen zu den effizientesten Prozessen und den niedrigsten Kosten pro Teil führen:

	Spritzgießen mit geringem Volumen	Mittelvolumen-Spritzguss	Großserien-Spritzguss
Methode	Inhouse-Formenfertigung und Inhouse-Formen	Ausgelagerter Formenbau und Formenbau	Ausgelagerter Formenbau und Formenbau
Ausrüstung erforderlich	3D-Drucker, Desktop-Spritzgießmaschine	-	-
Schimmel	3D-gedrucktes Polymer	Bearbeitetes Aluminium	Bearbeiteter Stahl
Formkosten	<$100	2.000 - 5.000 $	10.000 $ - 100.000 $
Vorlaufzeit bis zum letzten Teil	1–3 Tage	3-4 Wochen	4-8 Wochen
Ideales Produktionsvolumen	<500	500 - 10.000	5.000+
Anwendungen	Rapid Prototyping Individuelles Spritzgießen Spritzguss in Kleinserie	Kurzfristiges Spritzgießen	Massenproduktion

Die Art der Spritzgusspresse hat keinen wesentlichen Einfluss auf den Prozess des Kleinserien-Spritzgießens; traditionelle große industrielle Spritzgießmaschinen können auch mit 3D-gedruckten Spritzgussformen verwendet werden. Diese Maschinen sind jedoch teuer, unterliegen strengen Anforderungen an die Einrichtung und erfordern qualifizierte Arbeitskräfte. Daher lagern die meisten Unternehmen die Produktion mittlerer und großer Stückzahlen an Dienstleister und Auftragsfertiger aus.

Wenn Sie neu im Spritzgießen sind und es mit begrenzten Investitionen testen möchten, könnte die Verwendung einer manuellen Tischspritzgießmaschine wie der Holipress oder der Galomb Modell-B100 eine gute Option sein. Automatisierte Kleinspritzgießanlagen wie die Tischmaschine Micromolder oder die hydraulische Maschine Babyplast 10/12 sind gute Alternativen für die Mittelserienfertigung von Kleinteilen.

Sie möchten mehr über die verschiedenen Faktoren erfahren, die die Gesamtkosten für das Spritzgießen ausmachen? Lesen Sie unseren umfassenden Leitfaden.

Weißes Papier

Schnellspritzgießen mit 3D-gedruckten Formen

Laden Sie unser Whitepaper mit Richtlinien für die Verwendung von 3D-gedruckten Formen im Spritzgussprozess herunter, um Kosten und Vorlaufzeiten zu senken, und sehen Sie sich Fallstudien aus der Praxis mit Braskem, Holimaker und Novus Applications an.

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Schritt-für-Schritt-Workflow für das Spritzgießen mit geringem Volumen

Der Arbeitsablauf für den Kleinserien-Spritzguss umfasst die folgenden sieben Schritte:

1. Formendesign

Konstruieren Sie die Form für Ihr Teil in der CAD-Software Ihrer Wahl. Halten Sie sich an gemeinsame Konstruktionsregeln für die additive Fertigung und die Konstruktion von Spritzgussformen. Spezielle Designempfehlungen für 3D-gedruckte Polymerformen finden Sie in unserem Whitepaper.

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

2. 3D-Druck von Formen

Wählen Sie ein 3D-Druckmaterial und beginnen Sie mit dem Drucken. Starres 10 K-Harz mit einer Schichthöhe von 50 Mikron ist die ideale Wahl für die meisten Formenkonstruktionen, da es hohe Festigkeit, Steifigkeit und Wärmebeständigkeit kombiniert.

Wenn möglich, wird empfohlen, die Form flach und ohne Stützen direkt auf der Bauplattform zu drucken, um den Verzug zu reduzieren.

Nach dem Waschen und Nachhärten kann Ihre 3D-gedruckte Form in Ihren Spritzgussprozess integriert werden.

3. Formmontage

Vor dem Zusammenbau können Sie die Form mit Handschleifen, Desktop- oder CNC-Bearbeitung auf kritische Abmessungen fertigstellen.

Es wird empfohlen, die gedruckte Form in einen Standardmetallrahmen oder eine Master Unit Matrize zu legen, um hohen Drücken standzuhalten und die Lebensdauer Ihrer gedruckten Form zu verlängern. Montieren Sie die 3D-gedruckte Form vorsichtig im Metallrahmen. Fügen Sie nach Bedarf Auswerferstifte, Einsätze, seitliche Teile und andere Komponenten hinzu.

Installieren Sie das zusammengebaute Werkzeug in Ihrer Spritzgussmaschine.

4. Formspannung

Kunststoffgranulat einlegen, erforderliche Einstellungen eingeben und mit der Produktion beginnen. Eine geringere Schließkraft wird empfohlen, insbesondere wenn die gedruckte Form nicht durch einen Metallrahmen geschützt ist.

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

5. Injektion

Es kann einige Schritte dauern, um Ihre idealen Prozessbedingungen zu ermitteln, da viele Faktoren eine Rolle spielen, einschließlich der Teilegeometrie, der Wahl des Kunststoffs, der Einspritztemperaturen und -drücke und anderer Parameter.

Reduzieren Sie den Einspritzdruck und die Temperatur so weit wie möglich.

Mit einer gedruckten Form spritzen Formlabs-Anwender in der Regel Hunderte von Teilen in einfach zu verarbeitende Kunststoffe wie TPE, PP und PE bei Temperaturen bis zu 250°C. Bei Kunststoffen, die eine höhere Einspritztemperatur erfordern, wie PA oder PC, kann die 3D-gedruckte Form eine kürzere Lebensdauer haben.

Lesen Sie unsere Dokumentation zu den Prozessbedingungen, um Testergebnisse mit Desktop- und Industrie-Spritzgießmaschinen zu sehen.

6. Kühlung

Die Kühlzeit einer mit Polymer bedruckten Form ist länger als die einer Metallform, da die Wärmeübertragung in Kunststoff langsamer erfolgt als in Metall. Daher wird das Hinzufügen von Kühlkanälen zu Ihrer gedruckten Form im Allgemeinen nicht empfohlen.

Stattdessen kann das Abkühlen beschleunigt werden, indem die Form mit Druckluft gekühlt wird oder austauschbare Stapel verwendet werden.

7. Entformen

Entformen Sie das Teil entweder manuell oder automatisch mit Auswerferstiften. Tragen Sie ein Trennmittel für thermoplastische Kunststoffe mit hoher Viskosität auf. Formtrennmittel sind weit verbreitet und Silikonformtrennmittel wie Slide- oder Sprayon-Produkte sind mit Formlabs-Harzen kompatibel.

Spritzgussanwendungen mit geringem Volumen

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

Rapid Prototyping mit Spritzguss

Rapid Prototyping hilft Unternehmen dabei, Ideen in realistische Machbarkeitsnachweise umzuwandeln, entwickelt diese Konzepte zu High-Fidelity-Prototypen, die wie Endprodukte aussehen und funktionieren, und führt Produkte durch eine Reihe von Validierungsstufen bis hin zur Massenproduktion.

Im Allgemeinen ist der 3D-Druck die gebräuchlichste Art, schnelle Prototypen herzustellen. In den späteren Stadien des Entwicklungsprozesses besteht jedoch oft die Notwendigkeit, mit den gleichen Materialien und Produktionsverfahren wie für die endgültigen Teile etwas größere Stückzahlen identischer Prototypen herzustellen. Diese Prototypen können dann für Anwendungen wie Beta- und Feldtests verwendet werden. Die Kombination von 3D-gedruckten Formen mit Spritzguss ermöglicht es Herstellern, schnell und effizient funktionale Prototypen zu entwickeln und den Produktentwicklungsprozess zu beschleunigen.

So entwickelt beispielsweise das französische Startup Holimaker eine manuelle Spritzgießmaschine, die es Ingenieuren und Produktdesignern ermöglicht, Kunststoffteile in geringen Stückzahlen auf ihrem Desktop für Prototypen, Pilotproduktionen oder sogar eine begrenzte Serie von Endverbrauchsteilen zu verarbeiten.

Das Unternehmen bietet seinen Kunden Machbarkeitsstudien an und verwendet 3D-gedruckte Formen für eine schnelle und kostengünstige Abwicklung. Dies ermöglicht es ihren Kunden, schnell und kostengünstig Prototypen zu entwerfen und die endgültigen Herstellungsbedingungen während der Pilotproduktionsphase der Einführung neuer Produkte zu validieren.

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

Durch die Verwendung derselben Herstellungsmethode, einschließlich Formenbau und Materialien, können diese Teile im Feld getestet werden und sicherstellen, dass die Designs maßstabsgetreu produziert werden können. Die 3D-gedruckten Formenkonstruktionen können dann während der Massenproduktion einfach für Werkzeugstahl angepasst werden.

Durch den Einsatz von 3D-gedruckten Formen gelang es Holimaker, die Vorlaufzeit für die Herstellung von Formen für den Spritzgussprozess auf 24 Stunden zu verkürzen, und sie verwenden heute 3D-gedruckte Spritzgussformen in 80 bis 90 % ihrer Projekte.

Kurzzeit-Spritzguss

Kleinserien-Spritzguss bietet Herstellern die Möglichkeit, kleinere Serien von Endverbrauchsteilen für Produkte herzustellen, die nur in begrenzten Stückzahlen hergestellt werden, oder eine Vorserie eines Produkts zum Testen des Marktes herzustellen, bevor zu viel Kapital in das Unternehmen gesteckt wird.

Die Verwendung von Spritzguss in kleinen Stückzahlen bietet die Möglichkeit, genaue und reproduzierbare Endanwendungsteile ohne die hohen Fixkosten herzustellen, die mit dem traditionellen Spritzguss verbunden sind.

Multiplus ist ein Anbieter von Spritzgusslösungen mit Sitz in Shenzhen, der den gesamten Produktionszyklus vom Design bis zur Herstellung von Kunststoffprodukten abdeckt und Dienstleistungen für über 250 Kunden pro Jahr anbietet, darunter einige Fortune-500-Unternehmen. Einige dieser Kunden benötigen eine Kleinserienfertigung, die beim Spritzgießen aufgrund der Komplexität der Herstellung von Hartwerkzeugen traditionell teuer und zeitaufwändig ist.

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

Als die Nachfrage nach Kleinserien zu wachsen begann, wandte sich Multiplus dem 3D-Druck zu, um verschiedene Materialien zu untersuchen, um einen kostengünstigen Weg zu finden, um billigere Kunststoffformen für kleinere Bestellungen und Pilotserien herzustellen. Die Herstellung von Spritzgussformen mit geringem Volumen mit 3D-Druckern von Formlabs reduzierte Kosten, Arbeit und Zeit im Vergleich zur Bearbeitung von Aluminiumformen und konnte nahtlos mit ihren industriellen Babyplast-Spritzgussmaschinen verwendet werden.

Spritzguss nach Bedarf oder kundenspezifisch

Kundenspezifisches oder schnelles On-Demand-Spritzgießen kann erforderlich sein, um kundenspezifische Endverbrauchsteile für bestimmte Zwecke wie menschliche Faktoren, Anwendungen oder Gelegenheiten herzustellen, oft in einem beschleunigten Zeitplan. Aufgrund des begrenzten Volumens und/oder der kurzen Vorlaufzeit ist das traditionelle Spritzgießen mit harten Werkzeugen weder effizient noch machbar. In diesen Fällen ist das Spritzgießen von Kleinserien mit 3D-gedruckten Formen eine ideale Lösung, um den Prozess zu beschleunigen und kundenspezifische Teile zu liefern.

Das Beispiel von Braskem, einem der weltweit führenden petrochemischen Unternehmen, unterstreicht die Argumente für den Einsatz von 3D-gedruckten Formteilen, um schnelle Bestellungen auf Abruf zu erfüllen. Während der ersten Welle der COVID-19-Pandemie musste das Unternehmen Tausende von Maskenbändern herstellen, um seine globale Belegschaft zu schützen. Braskem identifizierte das Spritzgießen als die ideale Methode zur Herstellung der Teile, aber ohne Zugang zum 3D-Druck hätten sie eine teure Metallform auslagern müssen, was das Team Geld und wertvolle Zeit gekostet hätte.

Braskem verwendete eine 3D-gedruckte Form in Kombination mit einer traditionellen industriellen Spritzgussmaschine, um die Maskenbänder schnell zu spritzen.

Das Team von Braskem wandte sich dem Spritzgießen zu, wobei ein Formlabs Form 3 3D-Drucker verwendet wurde, um die Form für seine Riemen zu drucken, und die vollelektrische Cincinnati Milacron 110 Tonnen Roboshot-Spritzgussmaschine, um die Riemen zu entwickeln.

Durch den Einsatz des 3D-Drucks produzierte das Team innerhalb einer Woche nach Erhalt der E-Mail des VP Tausende von Riemen und bereitete sie für den Versand an Büros auf der ganzen Welt vor.

Erste Schritte mit dem Spritzgießen mit geringem Volumen

Beschleunigen Sie die Produktentwicklung, reduzieren Sie Kosten und Vorlaufzeiten und bringen Sie bessere Produkte auf den Markt, indem Sie 3D-Druck und Spritzguss in kleinen Stückzahlen in Ihren Entwicklungsprozess integrieren.