3D-gedruckte Spritzgussformen:Materialien im Vergleich

Einführung

Die Verwendung von 3D-Druckverfahren zur Herstellung von Werkzeugen für den Endverbrauch wird immer häufiger, da die Möglichkeiten der Technologien zunehmen.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf eine bestimmte Werkzeuganwendung:das Spritzgießen von Kleinserien. Eine ausführliche Übersicht über die Anwendungen des 3D-Drucks in diesem Bereich finden Sie hier. In diesem Artikel vergleichen wir zwei beliebte Materialien, die derzeit in der Industrie zur Herstellung von Spritzgussformen verwendet werden.

Spritzguss ist eine sehr anspruchsvolle Anwendung für ein 3D-gedrucktes Material, da die Formen den Verarbeitungskräften bei einer erhöhten Temperatur standhalten und ihre Maßhaltigkeit über mehrere Durchläufe hinweg beibehalten müssen. 3D-gedruckte Spritzgussformen eignen sich am besten für:

Schnelle Bearbeitungszeiten (1-2 Wochen statt 5-7 Wochen).
Anwendungen mit geringen Produktionsmengen (50–100 Teile).
Formdesigns, bei denen Änderungen oder Iterationen wahrscheinlich sind.
Teile, die relativ klein sind (weniger als 150 mm).

Materialanforderungen für den Formenbau

Ein 3D-Druckmaterial, das für die Herstellung von Spritzgussformen geeignet ist, muss Folgendes aufweisen:

• Hohe Steifigkeit: Die Formen müssen über mehrere Durchläufe hinweg ihre gute Maßhaltigkeit behalten und den hohen Drücken beim Materialinjektion standhalten, ohne sich zu verformen.
  
• Hochtemperaturbeständigkeit: Eine hohe Wärmeformbeständigkeit (HDT) ist entscheidend, nicht nur um sicherzustellen, dass die Form während des Materialeinspritzens nicht versagt, sondern auch um eine genauere Steuerung des Prozesses zu ermöglichen.
  
• Hoher Detaillierungsgrad: Spritzgussformen müssen eine hohe Maßhaltigkeit und eine glatte Oberfläche aufweisen. Hochpräzise Formen produzieren hochpräzise Teile.
  
  

Die beiden 3D-Druckverfahren, mit denen hochpräzise und glatte Teile (ohne umfangreiche Nachbearbeitung) hergestellt werden können, sind Material Jetting und Stereolithographie (SLA). Während Material Jetting ausschließlich ein industrieller Prozess ist, existieren sowohl Desktop- als auch industrielle SLA-Systeme. Die verfügbaren Materialien und Produktionsmöglichkeiten von Desktop-SLA-3D-Druckern sind jedoch nicht für die High-End-Produktion geeignet, sodass sie hier nicht erörtert werden.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf zwei Materialien, die sich nachweislich für die Herstellung von Kleinserien-Spritzgussformen in einer industriellen Umgebung eignen:das Digital ABS plus für Material Jetting von Stratasys und das Somos PreFORM für SLA von DSM.

Haftungsausschluss: Die unten aufgeführten Materialeigenschaften werden von den Herstellern angegeben und entsprechen Teilen, die dem optimalen thermischen Nachhärtungsprozess unterzogen wurden.

Materialvergleich

Mechanische Eigenschaften - Steifigkeit

Somos PerFORM hat eine sehr hohe Zug- und Biegefestigkeit, nicht nur im Vergleich zu Digital ABS, sondern auch zu allen anderen Materialien für den industriellen 3D-Druck (z. B. SLS-Nylon). Es ist jedoch spröder (geringe Bruchdehnung) und hat eine geringere Schlagzähigkeit. Für den Formenbau sind die mechanischen Eigenschaften von Somos PerFORM zu bevorzugen, da eine hohe Steifigkeit und Festigkeit die Hauptanforderungen sind.

	Digitales ABS Plus	Somos PerFORM
Zugfestigkeit	55 - 60 MPa	80 MPa
Zugmodul	2600 - 3000 MPa	9800 MPa
Bruchdehnung	25 - 40 %	1,2 %
Biegefestigkeit	65 - 75 MPa	146 MPa
Biegemodul	1700 - 2200 MPa	9030 MPa
Izod-Schlag (gekerbt)	90 - 115 J/m	20 J/m
Härte (Shore D)	85 - 87	93

Thermische Eigenschaften - Temperaturbeständigkeit

Die Wärmeformbeständigkeit (HDT) gibt die Temperatur an, bei der sich ein Polymer unter einer bestimmten Belastung verformt. Die Glasübergangstemperatur (Tg) ist der Temperaturbereich, in dem das duroplastische Material von einem festen "glasartigen" Zustand in einen biegsameren "gummiartigen" Zustand übergeht. Für Spritzgussanwendungen sind hohe HDT- und Tg-Werte vorzuziehen, sodass Somos PerFORM erneut Digital ABS übertrifft.

	Digitales ABS Plus	Somos PerFORM
HDT (@ 0,46 MPa) *	92–95 °C	268 °C
Glasübergangstemperatur (Tg)	47–53 °C	81 °C

^{*:nach thermischer Nachbearbeitung} ### 3D-Druckverfahren - Detaillierungsgrad {#detail}Digital ABS und Somos PerFORM werden in unterschiedlichen 3D-Druckverfahren eingesetzt. Die Fähigkeiten eines typischen Material Jetting und eines typischen industriellen SLA-Systems sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Beide Technologien können sehr glatte Teile mit komplizierten Details produzieren und erfordern wenig Nachbearbeitung. Digitales ABS hat einen kleinen Vorteil gegenüber Somos PerFORM in Bezug auf die Detailgenauigkeit, da Material Jetting die höchste Maßhaltigkeit aller 3D-Drucktechnologien aufweist (dicht gefolgt von SLA).

	Digitales ABS Plus	Somos PerFORM
Prozess	Materialstrahlen	Industrielles SLA
Typische Maßhaltigkeit	± 0,1 % (Untergrenze von ± 0,05 mm)	± 0,15 % (Untergrenze ± 0,05 mm)
Minimale Feature-Größe	0,05 mm	0,10 mm
Mindestwandstärke	0,6 mm	0,8 mm
Mindestschichthöhe	14–16 Mikrometer	25–50 Mikrometer

Produktionsfähigkeiten

Sowohl Digital ABS als auch Somos PerFORM wurden in industriellen Umgebungen zur Herstellung von Spritzgussformen in Kleinserien eingesetzt. Die folgende Tabelle fasst die Anzahl der Teile zusammen, die mit einer einzigen Form aus Materialien hergestellt werden können, die als „einfach“ und „schwierig“ zu formen gelten (PP bzw. glasfasergefülltes PA).

Die Unterschiede in den mechanischen und thermischen Eigenschaften der beiden Materialien wirken sich auf die Gesamtzahl der Teile aus, die eine Form herstellen kann. Unter normalen Betriebsbedingungen (nach den ersten 3-4 Läufen) erreicht die 3D-gedruckte Form eine Temperatur von etwa 120 ^o C, da es aus dem geschmolzenen Material erhitzt wird. Eine gute thermische Stabilität ist entscheidend für die Minimierung der Verschlechterung der Form. Die PA GF-Testmuster der Abbildung unten wurden mit identischen Formdesigns hergestellt, die in den beiden Materialien 3D-gedruckt wurden (beide zeigen das nach dem 10. Durchlauf hergestellte Teil). Die Qualität des mit der Digtal ABS-Form hergestellten Teils ist viel geringer, da die Form zu überhitzen und sich zu verschlechtern begonnen hat, während die Somos PerFORM-Form noch stabil war.

	Digitales ABS Plus †	Somos PerFORM ‡
Teile aus "leichtem" Material *	50 - 100	100–200
Teile aus "schwierigem" Material **	5 - 30	30 - 50

^{* Polypropylen (PP)
** Glasfasergefülltes Polyamid (PA GF)
† Quelle:Promolding
‡ Quelle:Wehl &Partner}

Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

Spritzguss ist eine sehr anspruchsvolle Werkzeuganwendung:Das Material muss sowohl eine hohe Steifigkeit aufweisen als auch bei erhöhten Temperaturen betrieben werden können.

Material Jetting und SLA sind die einzigen 3D-Druckverfahren, mit denen Teile mit der für industrielle Anwendungen erforderlichen Maßgenauigkeit und Oberflächenbeschaffenheit hergestellt werden können. Wir haben zwei Materialien (eines für jeden Prozess) verglichen, die zur Herstellung von 3D-gedruckten Spritzgussformen für Kleinserien verwendet werden.

Obwohl Digital ABS plus ein hervorragendes Material für die meisten funktionellen Anwendungen ist, eignet sich Somos PerFORM aufgrund der höheren Steifigkeit und der überlegenen thermischen Eigenschaften besser für den Formenbau. Dies wird durch die Anzahl der Teile deutlich, die jede aus den beiden Materialien hergestellte Form produzieren kann.

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Siehe Preise für Digital ABS. Siehe Preise für Somos Perform

Faustregeln

• Wenn eine sehr hohe Genauigkeit und eine glatte Oberflächenbeschaffenheit erforderlich sind, sind Material Jetting und SLA die am besten geeigneten 3D-Druckverfahren für den Formenbau.
  
• Um ihre Genauigkeit über mehrere Durchläufe hinweg beizubehalten, müssen 3D-Druckmaterialien für die Herstellung von Spritzgussformen eine hohe Steifigkeit aufweisen.
  
• Eine hohe HDT ermöglicht die Verwendung höherer Werkzeugtemperaturen während der Verarbeitung.