Schritt-für-Schritt-Anleitung zum Bau von 3D-gedruckten Spritzgussformen

Spritzgießen ist ein beliebtes Herstellungsverfahren zur Herstellung von Teilen in großen Stückzahlen bei gleichbleibender Qualität. Bei diesem Verfahren wird geschmolzener Kunststoff in die Form des endgültigen Teils, das normalerweise aus Metall besteht, in den Hohlraum einer Form eingespritzt. Jeder, der sich mit dem Verfahren auskennt, wird Ihnen sagen, dass die herkömmliche Formherstellungsmethode zeitaufwändig und teuer sein kann – bei kleinen Auflagen oder kundenspezifischen Teilen lohnt sich der Aufwand nicht wirklich. Dann kommen 3D-gedruckte Formen ins Spiel:eine günstigere und schnellere Alternative, ideal für Kleinserienproduktion und Prototyping.

1. Erstellen Sie das CAD-Design

Beginnen Sie mit der Erstellung des Formentwurfs in der CAD-Software und berücksichtigen Sie dabei die Teilegeometrie, die Materialauswahl, die Angussposition und die Kühlkanäle. Wählen Sie ein hitzebeständiges, steifes Material, das dem Einspritzdruck standhält, und gestalten Sie die Form so, dass der Kontakt mit den Stützen minimiert wird, um ein glatteres Finish zu erzielen. Durch das Hinzufügen von Lüftungsschlitzen werden Defekte wie Lufteinschlüsse vermieden, und Kühlkanäle beschleunigen die Produktion. 

2. Exportieren Sie die CAD-Designdatei

Sobald das Design fertiggestellt ist, exportieren Sie es als STL-Datei, dem Standardformat für den 3D-Druck. Zu den weiteren unterstützten Dateitypen gehören FBX, OBJ, 3MF, PLY, G-Code, X3G und AMF.

3. 3D-Druck der Spritzgussform

Importieren Sie die STL-Datei in eine 3D-Drucksoftware und wählen Sie eine Druckmethode basierend auf Kosten, Festigkeit und Oberflächenbeschaffenheit. FDM (Fused Deposition Modeling) ist eine kostengünstige Methode, erfordert jedoch möglicherweise Schleifen oder chemisches Glätten. Für glattere, detailreiche Formen ist SLA/DLP (Stereolithographie/Digitale Lichtverarbeitung) am besten geeignet, während durch Materialstrahlen Multimaterial-/Farbformen mit feinen Details erstellt werden können. Für stabile Formen mit guter Oberflächenqualität können Sie Nylon mit dem SLS-Verfahren (Selective Laser Sintering) verwenden.

Nach dem Drucken muss die Form zur Unterstützung beim Spritzgießen in einer Metallformbasis befestigt werden. Dies kann entweder mit Formeinsätzen in einem Aluminiumrahmen erfolgen, die präziser sind, Fehler wie Verzug reduzieren und eine gleichmäßige Druckverteilung gewährleisten, oder vollständig 3D-gedruckte Formen, die keinen Rahmen benötigen. Diese erfordern jedoch mehr Material, was sowohl die Kosten als auch das Risiko von Verformungen erhöht.

5. Starten Sie den Spritzgussprozess

Sobald die Form am Metallrahmen angebracht ist, ist sie für den Spritzgussvorgang bereit. Beim Spritzgießvorgang wird die Form geschlossen und geschmolzenes Material durch die Angussbuchse in die Form eingespritzt. Die Flüssigkeit füllt die Hohlräume der Form und nimmt die Form des herzustellenden Teils an. Nachdem das Material abgekühlt und verfestigt ist, wird die Form geöffnet und das Teil entnommen.

Was sind 3D-gedruckte Formen für den Spritzguss?

Formen formen geschmolzenen Kunststoff zu Endprodukten, die die Form und das Finish des Hohlraums der Form annehmen. Die Herstellung dieser Formen per 3D-Druck hat das Spiel verändert. Im Gegensatz zur CNC-Bearbeitung sind für den 3D-Druck keine speziellen Fachkenntnisse erforderlich, was die Arbeitskosten senkt. Die verwendeten Materialien – typischerweise Kunststoff – sind weitaus kostengünstiger als Aluminium oder Stahl, und die Gesamtkosten können bis zu 90 % niedriger sein als bei herkömmlichen Formen. Während die Herstellung herkömmlicher Formen Wochen oder Monate (ja, Monate!) dauern kann, können selbst die komplexesten 3D-gedruckten Formen innerhalb weniger Tage fertig sein. Das bedeutet, dass alle erforderlichen Änderungen schnell und einfach vorgenommen werden können, bevor Sie die Produktion hochskalieren. Obwohl 3D-gedruckte Formen eine kürzere Lebensdauer haben, können sie je nach Material immer noch bis zu 10.000 Teile herstellen. 

3D-gedruckte Formen eignen sich am besten für Bauteile bis 164 cm³ (Metallformen gewinnen diese Runde, da sie viel größere Teile aufnehmen können). Ein weiterer Bereich, in dem Metallformen überlegen sind, ist die Haltbarkeit – 3D-gedruckte Formen neigen dazu, unter den hohen Temperaturen und Drücken des Spritzgusses zu kämpfen. Außerdem neigen sie beim Abkühlen zum Schrumpfen und Verziehen, was besonders bei Teilen mit engen Toleranzen ein Ärgernis darstellt. Im Allgemeinen haben Polymere eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Metall, daher verlangsamen 3D-gedruckte Formen den Spritzgussprozess (obwohl die Herstellung der Form zweifellos viel schneller geht). Grundsätzlich sollten Sie bei Ihren Metallformen bleiben, um eine hochpräzise Fertigung in großen Stückzahlen zu ermöglichen.

Was sind die Vorteile von 3D-gedruckten Formen für den Spritzguss?

3D-gedruckte Formen bieten mehrere Vorteile gegenüber Formen, die mit herkömmlichen Herstellungsmethoden hergestellt werden, darunter:

1. Kosteneffizienz: 3D-gedruckte Spritzgussformen sind für die meisten Anwendungen kostengünstiger als solche, die mit herkömmlichen Methoden hergestellt werden. Die zur Herstellung der gedruckten Formen verwendeten Kunststoffmaterialien sind kostengünstiger als Aluminium und Stahl, die für herkömmliche Formenherstellungstechniken verwendet werden. Darüber hinaus ist der 3D-Druck im Vergleich zur traditionell für die Formenherstellung verwendeten CNC-Bearbeitung ein schneller und kostengünstiger Ansatz zur Formenherstellung. 
2. Benutzerfreundlichkeit: Zum Drucken einer Spritzgussform mithilfe der 3D-Drucktechnologie sind keine speziellen Fachkenntnisse erforderlich. Dies reduziert die Arbeitskosten, die mit herkömmlichen Formenherstellungsprozessen verbunden sind, z. B. CNC-Maschinen. 
3. Geeignet für die Produktion kleiner Stückzahlen: 3D-gedruckte Formen eignen sich besser für die Produktion kleiner Stückzahlen als CNC-bearbeitete Formen.  Mit dem 3D-Druck ist es möglich, je nach Material, aus dem die Form gedruckt wird, bis zu 10.000 Teile herzustellen. Die Kosten können auch bis zu 90 % niedriger sein als bei Metallformen. Auch die anfänglichen Investitionskosten für 3D-Drucker sind geringer und die Formmaterialien (z. B. Kunststoffe) sind kostengünstiger. 
4. Flexibler Formenbauprozess: Die Vielseitigkeit der 3D-Drucktechnologie bietet große Flexibilität bei der Gestaltung von Formen. Formendesigner und -hersteller können mithilfe des 3D-Drucks problemlos Formen erstellen und ändern. Der kunststoffbasierte 3D-Druck ist ideal für Situationen, in denen niedrige Kosten und kurze Vorlaufzeiten unerlässlich sind, sowie für die Prototypenherstellung. Dadurch können Unternehmen schneller iterieren und testen, bevor sie für die Massenproduktion auf herkömmliche Werkzeuge umsteigen.
5. Schnelle Abwicklung: Aluminium- oder Stahlformen haben nicht nur hohe Kosten, sondern auch lange Vorlaufzeiten. Beispielsweise kann die Herstellung eines komplexen Stahlwerkzeugs für den Spritzguss mehrere Monate dauern, während die Herstellung einer Aluminiumform mehrere Wochen in Anspruch nehmen kann. Im Gegensatz dazu kann eine 3D-gedruckte Form, selbst eine komplexe, innerhalb weniger Tage gedruckt und vorbereitet werden, was eine deutlich kürzere Durchlaufzeit bietet. 

Was sind die Nachteile von 3D-gedruckten Formen für den Spritzguss?

3D-gedruckte Kunststoffformen für den Spritzguss haben einige Nachteile, darunter:

1. Schrumpfungsfehler und Verzug: Beim Abkühlen kann es bei 3D-gedruckten Formen zu Schrumpfung und Verformung kommen, was bei Produkten mit engen Toleranzen zu Problemen führen kann. Dies kann zu Defekten in der Form führen und die Qualität des Endprodukts beeinträchtigen.
2. Experimente können zu Verschwendung führen: Während der 3D-Druck einfache Designanpassungen ermöglicht, besteht die Möglichkeit von Defekten in der Form, die möglicherweise erst am Ende des Druckvorgangs bemerkt werden, was zu mehr Abfall führt. Obwohl es möglich ist, den Abfall zu recyceln, kann dies dennoch einen Zeit- und Ressourcenaufwand bedeuten.
3. Größenbeschränkungen: Wenn es um Größenbeschränkungen geht, eignen sich 3D-gedruckte Formeinsätze am besten für kleine Bauteile mit einem Volumen von bis zu 164 cm3. Im Gegensatz dazu haben bearbeitete Metallformen ein größeres Fassungsvermögen und können beim Spritzgießen problemlos Teile mit einer Größe von bis zu 966 cm3 aufnehmen.
4. Verschlechterung: Ein Nachteil von 3D-gedruckten Einsätzen ist ihre begrenzte Widerstandsfähigkeit gegen die hohen Temperaturen beim Spritzgießen, insbesondere bei der Verwendung von Hochtemperaturpolymeren. Im Laufe der Zeit können die extremen Bedingungen im Formprozess zu einer Verschlechterung und Verformung der 3D-gedruckten Einsätze führen, wodurch sie für die Massenproduktion ungeeignet werden. 
5. Längere Kühlung: Obwohl die Produktionszeit für 3D-gedruckte Formen im Allgemeinen schneller ist als bei herkömmlichen Werkzeugmethoden, kann der Spritzgussprozess selbst länger dauern. Dies ist auf die geringere Druck- und Temperaturbeständigkeit von 3D-gedruckten Formen im Vergleich zu Metallformen zurückzuführen. Auch die Wärmeleitfähigkeit der Polymere ist ein Thema. Dadurch erhöht sich die Zykluszeit beim Spritzgießen, was zu höheren Produktionskosten und einer geringeren Fertigungsleistung führt.

Wie wichtig ist die Form beim Spritzgießen?

Die Form ist ein entscheidender Bestandteil des Spritzgussprozesses. Es ist dafür verantwortlich, das geschmolzene Kunststoffmaterial in die gewünschte Form zu bringen, was es zu einem entscheidenden Faktor für die Endqualität des Spritzgussprodukts macht. Die Form definiert die Geometrie, Oberflächenbeschaffenheit und Maßhaltigkeit des Produkts und ist somit ein entscheidendes Element bei der Erreichung der gewünschten Spezifikationen.

Auch das Design und die Konstruktion des Werkzeugs spielen eine wichtige Rolle für die Effizienz und Produktivität des Spritzgießprozesses. Eine gut gestaltete und richtig konstruierte Form kann die Produktionsrate steigern, Materialverschwendung reduzieren und das Risiko von Fehlern im fertigen Produkt minimieren. Im Gegensatz dazu kann eine schlecht entworfene oder konstruierte Form zu Produktionsverzögerungen, mehr Materialverschwendung und höheren Produktionskosten führen.

Warum sind 3D-gedruckte Formen günstiger?

3D-gedruckte Formen sind aus mehreren Gründen günstiger als ihre herkömmlichen Gegenstücke aus Metall. Erstens sind die für den 3D-Druck verwendeten Materialien wie Thermoplaste und Photopolymere günstiger als herkömmliche Formenbaumaterialien wie Stahl oder Aluminium. Zweitens ist der 3D-Druckprozess im Allgemeinen schneller als herkömmliche Formenbauprozesse wie CNC-Bearbeitung oder Gießen, was die Gesamtproduktionszeit und -kosten reduziert. Drittens entfällt durch den 3D-Druck die Notwendigkeit spezieller Werkzeuge und Geräte, deren Anschaffung und Wartung kostspielig sein können. Schließlich ermöglicht der 3D-Druck die Herstellung komplexer Geometrien, die mit herkömmlichen Formenbaumethoden möglicherweise nur schwer oder gar nicht zu erreichen sind, wodurch der Bedarf an kostspieligen Nachbearbeitungen verringert wird. 

Welche Faktoren sind bei der Verwendung von 3D-gedruckten Formen für den Spritzguss zu berücksichtigen?

Der Erfolg des Spritzgussverfahrens hängt weitgehend von der Qualität der 3D-gedruckten Form ab. Daher gibt es bei der Herstellung einige Dinge zu beachten. Erstens muss das Formmaterial hohen Temperaturen und Drücken standhalten, ohne sich zu verziehen oder zu schmelzen. Wählen Sie es daher mit Bedacht aus. Ebenso wichtig ist das Design der Form. Eine gleichmäßige Wandstärke hilft, Verformungen und Defekte zu verhindern, während die Vermeidung scharfer Ecken Spannungspunkte reduziert und die Haltbarkeit verbessert. Die Angussposition sollte optimiert werden, um einen ordnungsgemäßen Materialfluss sicherzustellen, und Angusssysteme sollten eingebaut werden, um Grate oder überschüssiges Material, das aus der Form austritt, zu verhindern. Optimierungen wie die Anpassung der Schließkraft und des Einspritzdrucks können die Ergebnisse weiter verbessern. 

Auch die Oberflächenqualität ist ein wichtiger Aspekt. 3D-gedruckte Formen haben tendenziell eine rauere Oberfläche als Aluminium- oder Stahlformen. Dies kann sich auf die Textur des Endprodukts auswirken und erfordert möglicherweise eine Nachbearbeitung, um ein glatteres Finish zu erzielen. Für Teile, die eine hochwertige Oberfläche erfordern, sind Metallformen die bessere Wahl. Durch die Verfeinerung der Oberflächenbeschaffenheit wird die Rauheit minimiert und die Teilequalität verbessert. Schließlich erleichtern Entformungsschrägen von 1,5° bis 2° das Auswerfen der Teile und verhindern eine Beschädigung des Formteils, wodurch sowohl die Langlebigkeit der Form als auch die Produktqualität verbessert werden. Vor der vollständigen Produktion muss die Form gründlich getestet und validiert werden, um etwaige Designfehler oder Schwachstellen zu finden, damit Sie die Anpassungen vornehmen können, bevor Sie mit der Produktion fortfahren. Sie müssen außerdem eine Form auswählen, die dem Maßstab des Teils entspricht, das Sie herstellen möchten.

Welche anderen Arten von Spritzgussverfahren gibt es?

Es gibt verschiedene Arten von Spritzgusstechniken. Einige dieser Techniken werden in den folgenden Abschnitten aufgeführt und erläutert: 

1. Gasunterstütztes Spritzgießen

Die Herausforderung bei der Herstellung dicker Spritzgussteile aus Kunststoff besteht darin, dass sie sich beim Abkühlen verziehen können. Eine Lösung für dieses Problem bietet das gasunterstützte Spritzgießen, bei dem Gas, meist Stickstoff, in eine mit Kunststoffmaterial gefüllte Spritzgussform injiziert wird. Dadurch bleibt der Kunststoff an der Außenseite der Form glatt und bearbeitet, während die Innenseite porös oder hohl wird. Dies verhindert, dass sich das Teil während des Abkühlvorgangs verformt, und senkt die Kosten des Teils durch eine Reduzierung der Materialmenge. Es dient zur Herstellung von Teilen mit dicken Wänden und komplexen Geometrien, zur Reduzierung des Materialverbrauchs und der Zykluszeiten sowie zur Verbesserung der Teilequalität. Dieses Verfahren kann im Vergleich zu anderen Spritzgusstechniken teurer sein. 

2. Einzigartige Materialformulierungen

Die Verwendung einzigartiger Materialformulierungen verbessert die Formgebungsfähigkeiten. Spritzgussunternehmen können verschiedene Zusatzstoffe, Füllstoffe und Spezialmaterialien verwenden, um kundenspezifische Teile mit einzigartigen Eigenschaften wie elektrischer Leitfähigkeit, Biokompatibilität oder Flammhemmung herzustellen. 

3. Metallspritzguss

Beim Metallspritzguss (MIM) wird eine Kombination aus Metallpulver und Bindemittel als Spritzgussmaterial verwendet. Die Mischung wird über den Schmelzpunkt des Bindemittels erhitzt, damit die Mischung unter Druck in die Form fließen kann. Wenn das Bindemittel abkühlt, wird der „grüne“ Teil ausgeworfen. Das Bindematerial wird ausgebrannt und anschließend wird das verbleibende Metall bei geeigneter Temperatur gesintert, um seine endgültige Form zu erreichen. Die Technik ist teurer als das Kunststoffspritzgießen und wird typischerweise in Spezialanwendungen eingesetzt. Beispielsweise wird Metallspritzguss in der Mobiltelefonindustrie eingesetzt, um elektronische Komponenten vor Funk- oder Mikrowellenstörungen zu schützen.

4. 3D-Druck

Beim 3D-Druck handelt es sich nicht um eine Spritzgusstechnik. Dabei handelt es sich um eine Methode zur direkten Herstellung von Teilen aus bestimmten Thermoplasten oder Metallen, indem diese Schicht für Schicht auf ein Druckbett aufgetragen werden. Die Bedeutung des 3D-Drucks in der Spritzgusstechnik besteht darin, dass mit dem 3D-Druck die Spritzgussformen hergestellt werden können, mit denen ein Vielfaches desselben Teils hergestellt werden kann. Darüber hinaus können durch den 3D-Druck Spritzgussformen aus Kunststoff oder Metall hergestellt werden. Allerdings sind 3D-gedruckte Formen aus Kunststoff derzeit häufiger anzutreffen als 3D-gedruckte Formen aus Metall. 

5. Thermoplastisches Spritzgießen

Das Spritzgießen von duroplastischem Kunststoff ist das am häufigsten verwendete Spritzgussverfahren. Flüssiger Silikonkautschuk und ein geeigneter Katalysator werden in eine heiße Form eingespritzt, die das Teil innerhalb der Form vulkanisiert oder seine Form festlegt. Solche Materialien können im Prozess nicht geschmolzen und recycelt werden. Wenn Sie jedoch ein Teil benötigen, das hohen Temperaturen oder chemischen Einflüssen standhält, wie zum Beispiel bei medizinischen Geräten oder Autoteilen, müssen Sie möglicherweise Flüssigsilikon-Spritzguss verwenden. 

6. Dünnwandiges Formen

Bei dieser Art des Spritzgießens werden Kunststoffteile hergestellt, deren Wandstärke typischerweise dünner als 1 mm ist. Dünnwandiges Formen wird verwendet, um leichte, großvolumige Teile herzustellen, die einen minimalen Materialverbrauch erfordern. Es findet Anwendung in verschiedenen Bereichen wie Prüfgeräten, Elektronik, Behältern, Rohren und anderen Gehäusen. Um sicherzustellen, dass die dünnwandige Geometrie den Anwendungsbedingungen ohne Mängel standhält, müssen Kunststoffspritzgießer, die dünnwandige Formteile herstellen, jeden Aspekt des Teiledesigns, des Formendesigns und der Verarbeitung sorgfältig berücksichtigen.

Häufig gestellte Fragen zu 3D-gedruckten Formen für den Spritzguss

Können Sie Formen für alle Spritzgussverfahren in 3D drucken?

Nicht ganz. 3D-gedruckte Formen eignen sich zwar hervorragend für den Prototypenbau und für kleine Produktionsserien, sie eignen sich jedoch nicht für jede Spritzgussmethode – insbesondere für solche, die hohe Präzision, extreme Haltbarkeit oder eine hohe Stückzahl erfordern. 3D-gedruckte Formen aus Kunststoff können den hohen Drücken und Temperaturen, die bei bestimmten Spritzgussverfahren angewendet werden, nicht immer standhalten. 3D-gedruckte Formen aus Metall sind stabiler, weisen jedoch im Vergleich zu herkömmlich bearbeiteten Stahlformen immer noch Einschränkungen auf.

3D-gedruckte Formen verschlechtern sich schneller und sind daher weniger ideal für die Massenfertigung. Einige Spritzgusstechniken erfordern extrem glatte oder komplexe Formoberflächen, die mit dem 3D-Druck nicht immer erreicht werden können. Obwohl 3D-gedruckte Formen für bestimmte Anwendungen gut funktionieren, sind herkömmliche Formen eine bessere Wahl für Prozesse wie gasunterstütztes Formen, Metallspritzguss (MIM) oder Hochtemperatur-Thermoplaste.

Welche Nachbearbeitung kann an 3D-gedruckten Spritzgussformen durchgeführt werden?

Um die Oberflächenbeschaffenheit und Genauigkeit 3D-gedruckter Formen zu verbessern, führen viele Hersteller einige Nachbearbeitungstechniken wie Schleifen und Polieren durch, die zur Glättung der Oberfläche beitragen können. Sie können die gedruckte Form auch mit einer schützenden Keramikbeschichtung versehen, um Probleme durch Hitzeeinwirkung zu reduzieren und zusätzlich ein glatteres Finish zu erzielen.

Können Sie PLA zum Spritzgießen verwenden?

Leider nicht. Während PLA (Polymilchsäure) ein beliebtes thermoplastisches Material für den 3D-Druck ist, hat es im Vergleich zu Materialien wie ABS, Polycarbonat und Nylon eine relativ niedrige Schmelztemperatur. PLA ist spröde und verfügt nicht über die für den Spritzguss erforderliche Schlagzähigkeit, sodass es bei hoher Belastung anfällig für Risse ist. Außerdem zersetzt es sich bei hohen Temperaturen und kann giftige Dämpfe freisetzen, was es für die Hochtemperatur- und Hochdruckumgebung beim Spritzgießen unsicher macht.

Können Sie Formen für den Spritzguss in 3D drucken?

Ja, es ist möglich, Formen für den Spritzguss in 3D zu drucken. Die 3D-Drucktechnologie hat die Herstellung von Formen für den Spritzguss einfacher und kostengünstiger gemacht. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass 3D-gedruckte Formen möglicherweise nicht für alle Arten von Spritzgussprojekten geeignet sind, insbesondere für Projekte mit hoher Stückzahl oder solche, die hochpräzise oder hochfeste Formen erfordern. Dennoch können 3D-gedruckte Formen eine kostengünstige und effiziente Option für Kleinserien oder Prototypenproduktionen sein.

Sind 3D-gedruckte Formen für den Spritzguss teurer als herkömmliche Formen?

Nein. Im Allgemeinen sind 3D-gedruckte Formen für den Spritzguss kostengünstiger als herkömmliche Formen. Die Kosten für herkömmliche Formen sind aufgrund der verwendeten Materialien, der Komplexität des Designs und der damit verbundenen Herstellungsprozesse in der Regel hoch. Andererseits hat die 3D-Drucktechnologie die Kosten der Formenherstellung erheblich gesenkt, indem einige der teuren und zeitaufwändigen Prozesse der herkömmlichen Formenherstellung entfallen.

Die Kosten für 3D-gedruckte Formen können je nach Faktoren wie der Größe und Komplexität der Form, der verwendeten Drucktechnologie und den zum Drucken verwendeten Materialien variieren. Beispielsweise kann der Einsatz hochwertiger 3D-Druckmaschinen und -Materialien die Kosten für 3D-gedruckte Formen erhöhen.

Kat de Naoum

Kat de Naoum ist eine Autorin, Autorin, Redakteurin und Inhaltsspezialistin aus Großbritannien mit mehr als 20 Jahren Erfahrung als Autorin. Kat hat Erfahrung als Autorin für verschiedene Fertigungs- und Technikunternehmen und liebt die Welt des Ingenieurwesens. Neben ihrer Tätigkeit als Schriftstellerin war Kat fast zehn Jahre lang als Rechtsanwaltsgehilfin tätig, davon sieben Jahre in der Schiffsfinanzierung. Sie hat für zahlreiche Publikationen geschrieben, sowohl in gedruckter Form als auch online. Kat hat einen BA in englischer Literatur und Philosophie sowie einen MA in kreativem Schreiben von der Kingston University.

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