3D-gedruckte Spritzgussformen:Ein umfassender Überblick über Design, Vorteile und Anwendungen

3D-gedruckte Formen für den Spritzguss erfreuen sich in der Fertigungsindustrie immer größerer Beliebtheit. Es ist eine großartige Ergänzung des Spritzgussverfahrensportfolios und bietet eine wettbewerbsfähige Alternative zu herkömmlichen Spritzgussmaterialien.

In diesem Artikel gehen wir näher darauf ein, was eine 3D-gedruckte Spritzgussform ist und welche Arten, Vorteile und Einschränkungen es gibt. Abschließend geben wir auch einige hilfreiche Tipps und Tricks für Formenbauer und Ingenieure. Fangen wir an!

Was ist eine Spritzgussform?

Spritzgussformen sind wohl die wichtigste Komponente in Spritzgussanlagen. Die Form ist eine mehrteilige Baugruppe mit einem Hohlraum im Inneren, der eine exakte Nachbildung der endgültigen Geometrie des Produkts darstellt.

Ein Einspritzsystem pumpt geschmolzenes Rohmaterial in diesen Hohlraum, wo es abkühlt und seine endgültige Form annimmt. Anschließend wirft ein Einspritzmechanismus, der sich ebenfalls innerhalb der Form befindet, das endgültige Teil aus. Die Spritzgussform dient also in erster Linie dazu, dem Teil seine Form zu geben und es auch auszuwerfen.

Es gibt zahlreiche Eigenschaften, die eine hochwertige Spritzgussform mitbringen muss. Es muss eine gute thermische Stabilität aufweisen, um die Wärmeausdehnung zu minimieren, eine hohe Festigkeit, um den Klemmdrücken standzuhalten, und eine gute Verschleißfestigkeit für eine lange Lebensdauer.

3D-Druckform vs. Aluminiumform

Herkömmlicherweise war Aluminium das Standardmaterial für die Herstellung von Spritzgussformen für kleine bis mittlere Stückzahlen. Allerdings gewinnen 3D-gedruckte Formen für den Spritzguss aufgrund zahlreicher Vorteile wie Kosteneinsparungen und Designflexibilität schnell an Bedeutung.

Der Hauptunterschied zwischen einer 3D-gedruckten Form und einer Aluminiumform besteht darin, wie sie hergestellt werden. Der primäre Herstellungsprozess für Aluminiumformen ist die CNC-Bearbeitung. 3D-gedruckte Formen hingegen werden natürlich im 3D-Druck hergestellt.

Es mag wie ein trivialer Unterschied erscheinen, aber in Wirklichkeit ist er ziemlich bedeutsam und erfordert eine Diskussion über 3D-Druckformen im Vergleich zu Aluminiumformen.

Lassen Sie uns jedoch zunächst die beiden Haupttypen von 3D-gedruckten Spritzgussformen durchgehen.

Verstärkte Form mit Metallrahmen

Diese Art von Spritzgussform übernimmt Elemente sowohl von Aluminiumformen als auch von 3D-gedruckten Formen. Die grundlegende innere Struktur einschließlich des Hohlraums und der Kanäle wird 3D-gedruckt. Dieser 3D-Druck wird dann für eine bessere Stabilität und Haltbarkeit in eine Aluminiumstruktur eingepasst.

Die Aluminiumrahmenverstärkung ermöglicht höhere Formdrücke und verlängert die Lebensdauer der Form. Ingenieure können die 3D-gedruckten Formkomponenten im Falle von Designänderungen oder Verschleiß auch problemlos austauschen.

Eigenständige Formen

Eigenständige Formen werden vollständig im 3D-Druck hergestellt. Da der 3D-Druck sehr schnell immer robuster wird, erfreuen sich eigenständige 3D-Druckformen in der Spritzgussindustrie immer größerer Beliebtheit.

Ein großer Vorteil eigenständiger Formen besteht darin, dass Ingenieure zusätzliche Designflexibilität für Funktionen wie Einspritzkanäle, Anschnitte usw. erhalten.

Vorteile von 3D-gedruckten Spritzgussformen

3D-gedruckte Formen für den Spritzguss bieten gegenüber ihren Gegenstücken aus Metall zahlreiche Vorteile. Wir werden einige der Hauptvorteile der Verwendung einer 3D-gedruckten Form hervorheben.

Kostengünstig

Es ist kein Geheimnis, dass Kostenmanagement ein wichtiger Teil einer effizienten Fertigung ist. Eine 3D-gedruckte Form ist deutlich günstiger als Metallformen.

CNC-Werkzeugmaschinen sind oft teuer und erfordern eine kostspielige Wartung. 3D-Drucker hingegen sind günstigere Maschinen und leicht zu warten. Die Kosten für 3D-Druckrohstoffe sind auch niedriger als für Spritzgussmetalle.

Auch die Arbeitskosten unterscheiden sich bei beiden Methoden. CNC-Maschinen sind komplexe Geräte und erfordern für deren Bedienung einen qualifizierten Maschinisten. 3D-Drucker sind zwar kein Kinderspiel, aber dennoch für eine breitere Gruppe von Technikern zugänglicher.

Zeitsparend

Ein weiterer wichtiger Aspekt einer hohen Fertigungsproduktivität ist das Zeitmanagement. Ein großer Vorteil der Verwendung einer 3D-gedruckten Form gegenüber einer Aluminiumform ist die bemerkenswerte Zeitersparnis während des Formenherstellungsprozesses.

Die CNC-Bearbeitung ist ein zeitintensiver Prozess. Die vollständige Herstellung einer komplizierten Spritzgussform kann manchmal bis zu einer Woche dauern. Der 3D-Druckprozess ist viel schneller und umfasst weniger Schritte als die maschinelle Bearbeitung. Die durchschnittliche Formherstellungszeit liegt in der Größenordnung von einigen Stunden, was 3D-gedruckten Formen einen offensichtlichen Vorteil verschafft.

Designflexibilität

Der 3D-Druck ist für seine Rapid-Prototyping-Fähigkeit bekannt. Es ist schnell, kostengünstig und ermöglicht Ingenieuren das Testen verschiedener Designiterationen.

Die gleiche Logik gilt auch für 3D-Druckformen für den Spritzguss. Formenkonstrukteure können Fehler oder Knicke im Formendesign schnell beseitigen. Darüber hinaus ist es auch sehr bequem, Produktverbesserungen in die Fertigungslinie einzubinden – es genügt ein einfacher Nachdruck.

Diese Art von Designfreiheit ist bei der CNC-Bearbeitung nicht erschwinglich, da bereits eine einzelne Produktion das Budget stark belastet.

Geeignet für Kleinserien-Spritzguss

3D-gedruckte Formen eignen sich gut für Produktionsinitiativen mit geringen Stückzahlen. Wie wir gleich besprechen werden, neigen sie trotz bemerkenswerter mechanischer Eigenschaften dazu, sich mit der Zeit schneller abzunutzen als ihre metallischen Gegenstücke.

Dadurch eignen sie sich ideal für Produktionsläufe, bei denen eine kleine bis mittlere Stückzahl gefertigt wird. Bei solchen Anlagen ist die Investition in eine teure Metallform ineffizient, da die Form am Ende des Produktionslaufs nicht ausreichend genutzt wird.

Darüber hinaus geht es bei der Kleinserienproduktion im Durchschnitt eher um Produktentwicklung und -tests. Das Design kann sich mitten in der Produktion ändern, wenn eine Aktualisierung erforderlich ist oder ein Fehler gefunden wird. In diesem Szenario ist eine 3D-Druckform ideal, da die Aktualisierung sowohl kosteneffektiv als auch zeitsparend ist.

Einschränkungen von 3D-gedruckten Spritzgussformen

Vor- und Nachteile gehen Hand in Hand. Daher wird diese Diskussion unvollständig sein, wenn wir die Nachteile einer 3D-Druck-Spritzgussform außer Acht lassen.

Geringe strukturelle Integrität

Der 3D-Druck schreitet sehr schnell voran, bleibt jedoch in manchen Aspekten noch hinter konventionellen Fertigungsverfahren wie der CNC-Bearbeitung zurück. Es weist mehrere inhärente Qualitätsprobleme wie Porosität und mangelnde Bindung auf, die die strukturelle Integrität von 3D-gedruckten Formen für den Spritzguss beeinträchtigen.

Im Allgemeinen weist eine 3D-gedruckte Form eine geringere Festigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit auf (daher sind Aluminiumverstärkungen erforderlich). Sie neigen dazu, unter extremen Temperaturen und Drücken zu versagen, die manchmal notwendig sind, um qualitativ hochwertige Spritzgussprodukte zu erhalten.

Daher sind 3D-gedruckte Formen in manchen Fällen kein geeigneter Ersatz für gegossene/geschmiedete Aluminiumformen.

Oberflächenverschleiß

3D-gedruckte Formen für den Spritzguss sind nicht so verschleißfest wie Metallformen. Ihre Oberflächenqualität verschlechtert sich unter den hohen Temperaturen und Drücken beim Spritzgießen schneller als bei Aluminium. Dies gilt auch für die Oberfläche des Produkts.

Darüber hinaus handelt es sich beim 3D-Druck von Formen um einen schichtweisen Herstellungsprozess. Aus diesem Grund weisen 3D-gedruckte Spritzgussformen ein wellenförmiges Oberflächenmuster auf (auch als Treppeneffekt bekannt), das die Oberflächenrauheit von Spritzgussteilen erhöht.

Eine gängige Lösung besteht darin, Oberflächenbearbeitungsmethoden wie Feilen, Schleifen oder chemische Behandlung einzusetzen, um die Oberflächenqualität der Form zu verbessern. Es ist jedoch eine Herausforderung, diese Vorgänge an einer kleinen Form mit komplexer Geometrie durchzuführen, was bei 3D-gedruckten Formen häufig der Fall ist.

Langer Produktionszyklus

Die Abkühlzeit nimmt einen großen Teil des Spritzguss-Produktionszyklus ein. Da Metalle im Allgemeinen eine höhere Wärmeleitfähigkeit haben als die für 3D-gedruckte Formen verwendeten Kunststoffmaterialien, dauert es im Vergleich zu einer Aluminiumform länger, bis sich das geschmolzene Rohmaterial in einer 3D-gedruckten Form verfestigt.

Aus diesem Grund empfehlen wir Formenbauern, die voraussichtliche Abkühlzeit für ihre Spritzgussformkonstruktionen zu berechnen, bevor sie sich für den Herstellungsprozess entscheiden.

Schrumpfung und Verformung

Schrumpfung und Verformung sind zwei häufige 3D-Druckfehler, die sich auf die Qualität einer 3D-gedruckten Spritzgussform auswirken. Kunststoffe sind sehr hitzeempfindlich und neigen beim Spritzgießen zu Verformungen (Verwerfungen).

Wenn sich die Form selbst verformt, ändert sich die Form ihres Hohlraums, was sich auf die endgültigen Abmessungen des Teils auswirkt.

In den meisten Fällen sind Formenbauer in der Lage, dieses Problem zu entschärfen, indem sie in ihren Formen entsprechende Schrumpfungszugaben einbauen. Bei 3D-gedruckten Formen sind diese Toleranzen jedoch aufgrund des ungleichmäßigen Verhaltens 3D-gedruckter Strukturen schwer vorherzusagen.

Tipps &Tricks für 3D-gedruckte Spritzgussformen

Wir hoffen, dass die obigen Informationen zu 3D-gedruckten Spritzgussformen Ihr Wissen zu diesem Thema erweitert haben.

In diesem Abschnitt geben wir einige nützliche Tipps und Tricks unserer Designexperten weiter, die Ihnen helfen werden, Ihre Fähigkeiten im Formenbau zu verbessern.

Verbessern Sie die Wärmeleitfähigkeit mit Verbundmaterialien

Eine hohe Wärmeleitfähigkeit verbessert die Abkühlzeit beim Spritzgießen. Auf dem Markt sind mehrere leitfähigkeitssteigernde Additive erhältlich, etwa Graphen, Bornitrid, metallische Füllstoffe (Kupferpulver, Aluminiumflocken) usw.

Oberflächenbeschichtung

Ein großer Nachteil von 3D-Druckformen ist die geringe Verschleißfestigkeit. Geeignete Oberflächenbeschichtungen wie Metall oder Keramik sind sehr nützlich, um die Oberflächeneigenschaften von 3D-gedruckten Spritzgussformen zu verbessern.

Vermeiden Sie Stützstrukturen an kritischen Innenflächen

Die meisten 3D-Drucktechniken verwenden Stützstrukturen, um das Teil während des Drucks zu halten. Sie hinterlassen Spuren auf dem Teil, nachdem der Endbearbeitungstechniker sie entfernt hat. Achten Sie darauf, dass sich keine dieser Stützstrukturen auf den Flächen befinden, die den Hohlraum der Form bilden, da ihre verbleibenden Spuren auch auf dem Teil sichtbar werden.

Verringern Sie die Schichtdicke und die Druckgeschwindigkeit für eine bessere Oberflächenbeschaffenheit

Die Oberflächenbeschaffenheit einer 3D-gedruckten Form hängt von der Schichtdicke und den Druckgeschwindigkeitsparametern des 3D-Druckers ab. Halten Sie diese Einstellungen niedrig, um eine feinere 3D-Druckoberfläche zu erhalten.

Entformungswinkel sind etwas höher als bei Aluminiumformen

3D-gedruckte Strukturen erfordern aufgrund ihrer unterschiedlichen Materialeigenschaften höhere Formschrägen in der Form. Experten empfehlen, für die vertikalen Flächen der Spritzgussform einen durchschnittlichen Entformungswinkel von 3° einzuplanen.

Belüftung ist der Schlüssel

In Formhohlräumen bilden sich tendenziell Lufteinschlüsse, die die Oberflächenqualität beeinträchtigen. Um dieses Problem zu vermeiden, empfiehlt es sich, flache Entlüftungsöffnungen etwas unterhalb der Hohlraumoberfläche zu haben.

3D-Druckmethoden und Materialien zur Herstellung von Formen

In diesem letzten Abschnitt stellen wir kurz einige 3D-Drucktechniken und Materialien vor, die für den 3D-Druck von Formen geeignet sind.

Gängige 3D-Druckmethoden

• Stereolithographie (SLA)
• Fused Deposition Modeling (FDM)
• Materialstrahlen
• Selektives Lasersintern (SLS)

Gängige 3D-Druckmaterialien

• ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)
• PETG (Polyethylenterephthalat)
• PP (Polypropylen)
• Nylon
• Thermoplastische Elastomere (TPE)

Schlussfolgerung

Damit ist unsere Diskussion über das interessante Thema der 3D-gedruckten Formen für den Spritzguss abgeschlossen. 3D-gedruckte Formen sind eine aufstrebende Alternative zu Aluminiumformen, die Vorteile wie Kosten- und Zeiteinsparung sowie Designflexibilität bieten und sich hervorragend für die Produktion kleiner Stückzahlen eignen.

Zu ihren Nachteilen gehört die geringe strukturelle Integrität und Verschleißfestigkeit im Vergleich zu Metallformen, aber es gibt spezielle Lösungen, um diese Probleme zu beseitigen.

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FAQs

Wie teuer sind 3D-gedruckte Formen im Vergleich zu Metallformen?

3D-Druckformen sind im Vergleich zu Metallformen relativ kostengünstig. Normalerweise kostet eine 3D-Druckform weniger als 200 US-Dollar. Eine Metallform kostet leicht mehr als 5.000 US-Dollar. Für einen Aufbau mit geringem Volumen sind 3D-gedruckte Formen eine klare Wahl.

Welcher gängige 3D-Druck eignet sich am besten für Spritzgussformen?

Wenn wir nur FDM, SLS und SLA vergleichen, empfehlen wir die Verwendung von SLA für die Herstellung von Spritzgussformen. SLA-Produkte sind robust, leichtgängig und präzise. Bei FDM-Formen gibt es Probleme beim Entformen und sie sind nicht so glatt wie SLA-Formen. Ähnliche Probleme werden häufig für SLS-Produkte gemeldet.

Wie kann die Abkühlzeit einer 3D-gedruckten Spritzgussform verbessert werden?

3D-gedruckte Formen kühlen aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit nicht so schnell ab wie Metallformen. Ein guter Tipp ist die Verwendung von Druckluft, um die konvektive Wärmeübertragung zu erhöhen, oder Sie können austauschbare Stapel verwenden.