3D-gedruckte Formen für effizientes Low-Run-Spritzgießen

Dieser Artikel behandelt den Einsatz von 3D-Druck zur Herstellung von Formen für Kleinserien-Spritzgießen. Designaspekte, Materialien, Formkonfigurationen und eine vergleichende Fallstudie sind enthalten.

Design eines 3D-gedruckten Spritzgusswerkzeugs

Materialien

Ein 3D-Druckmaterial eignet sich für Spritzgussformen, wenn es folgende Eigenschaften aufweist:

• Hohe Temperaturbeständigkeit: Hohe Wärmeformbeständigkeitstemperatur nötig, um mechanischen und thermischen Belastungen beim Einspritzen standzuhalten. Temperatur sinkt bei Erstarrung rapide.
• Hohe Steifigkeit/Zähigkeit: Wiederholtes Entnehmen verursacht Verschleiß – hohe Steifigkeit erhält Formgenauigkeit über Zeit.
• Hoher Detaillierungsgrad: Maßgenauigkeit und glatte Oberfläche sind Hauptanforderungen. Hochpräzise Formen produzieren hochpräzise Teile.

Die 3D-Drucktechnologien, die diese Anforderungen am besten erfüllen, sind SLA und Material Jetting. Beide erzielen hohe Maßgenauigkeit und eignen sich ideal für filigrane Details und feinste Features. Spezialmaterialien wie Formlabs High Temperature Resin oder Stratasys Digital ABS sind ideal für Formen- und Werkzeugbau. Unten eine Übersicht der für Spritzgießen relevantesten Eigenschaften dieser beiden Materialien.

Für industrielle Anwendungen ist Desktop-SLA nicht geeignet. Ein vertiefender Artikel zum Vergleich der zwei gängigsten industriellen 3D-Druckmaterialien für Formenbau (Digital ABS und Somos PerFORM) findet sich hier.

Eigenschaft	Formlabs High Temp Resin*	Stratasys Digital ABS**
Wärmeformbeständigkeitstemperatur	289 °C @ 0,45 MPa	92–95 °C @ 0,45 MPa
Biegemodul	3,3 GPa	1,7–2,2 GPa
Schlagzähigkeit (Kerbiege-IZOD)	14 J/m	65–80 J/m
Niedrigste Schichthöhe (Auflösung)	25–50 µm	16–30 µm
Mindestdetailgröße	0,2 mm	0,2 mm

*Quelle: Formlabs **Quelle: Stratasys

Ein 3D-gedrucktes Spritzgusswerkzeug aus Digital ABS

Formdesign

Spezifisches technisches Design von Formfeatures (Angüsse, Kanäle, Entlüftungen etc.) sprengt den Rahmen. Internetrecherche liefert umfangreiche Informationen. Dieser Beitrag von Seattle Robotics ist guter Einstieg für Neulinge im Formenbau.

Gute Praktiken beim Design 3D-gedruckter Formen:

• Bei SLA-Druck: Innenseiten der Form so ausrichten, dass keine Stützen sie berühren. Verbessert Oberflächenqualität (keine Stützenmarkierungen), minimiert Nachbearbeitung.
• Flache Entlüftungen (0,05 mm Tiefe) von Kavitationsrand zum Formrand helfen, eingeschlossene Luft beim Spritzprozess zu entweichen.
• Bei >20 Schüssen: Kanäle für Einlegen von Metallstäben/-rohren einplanen. Verstärken Form, reduzieren Verzug, verbessern Kühlzeiten.
• Niedrigere Schichthöhe beim Druck erzeugt glattere Formteile durch weniger sichtbare Drucklinien.
• Erhabene/eingravierte Details mind. 1 mm von Oberfläche versetzen.

Spezifische Designrestriktionen hängen von der Spritzgießmaschine ab. Stratasys empfiehlt: Material-Jetting-Formen für Teile bis max. 165 cm³ in 50–80-Tonnen-Maschinen oder Handpressen.

Teiledesign für Spritzgießen

Wie bei konventionellen Formen sollte der Designer beachten:

• Mind. 2° Entformungsschräge für leichtere Entnahme.
• Gleichmäßige Wandstärke über gesamtes Teil.
• Alle Wände/Features so dünn wie möglich.
• Radien an allen Kanten und Ecken.
• Dünne Rippen und Gussete für Festigkeit statt Wanddickenerhöhung.

Entformungsschräge-Design für Spritzgießen

Mehr zur Wichtigkeit von Entformungsschrägen in diesem Artikel →

Gratervermeidung (Flash)

Grater (Flash) ist Material, das zwischen den Formhälften während des Einspritzens austritt. Tritt auf, wenn Hälften nicht perfekt passen, nicht plan/flach sind oder Form überfüllt wird. Angüsse im Formdesign reduzieren Graterwahrscheinlichkeit.

Bei Aluminiumrahmen: 0,125 mm Extra-Dicke auf Rückseite der Formplatten für Druckkräfte und komplette Abdichtung. Erhöhte Spannkraft im Schraubstock mindert Grater, ebenso Polieren der Trennfläche für maximal flache Oberfläche.

Gutes Formdesign und plane Trennfläche reduzieren Graterbildung (Bild: Formlabs)

Trennmittel

Wegen relativ fragiler Materialien 3D-gedruckter Formen im Vergleich zu traditionellen Formen kann übermäßige Kraft bei Entnahme zu raschem Formverschleiß führen. Trennmittel auf Kavitätsoberflächen vor Einspritzen erleichtert Entnahme erheblich.

Fallstudie: Kunststoff-Motoranschluss

Vergleich der Fertigung eines kundenspezifischen Kunststoffanschlusses für Motorgehäuse. Anforderungen:

• Gesamtstückzahl: 25
• Hohe Maßgenauigkeit für Passsitz nötig
• Teilgewicht: 0,005 kg (5 g)
• Material: ABS
• Farbe: Schwarz
• Gesamtdurchmesser: 40 mm

Alternative Fertigungsoptionen:

Industrielles FDM ABS 3D-Drucken: Hohe Wiederholgenauigkeit, hohe Maßgenauigkeit, kleine bis mittlere Serien. ABS-Filamentkosten: typisch 90–110 $/kg. Haupteinschränkung: anisotrope mechanische Performance – Teile in eine Richtung signifikant schwächer. Designer muss Lasten und Druckausrichtung genau kennen.

Spritzgießen ABS mit SLA-3D-gedruckten Formen: High-Temp-SLA-Harze produzieren funktionale Spritzgussformen mit hoher Genauigkeit für niedrige Serien. SLA-Harze: ca. 150–170 $/L. Rechenbeispiel mit Tisch-Spritzgießmaschine, 3D-gedruckte Formen in Aluminiumrahmen. ABS-Granulat: ca. 2–3 $.

Traditionelles Spritzgießen ABS: Sehr hohe Genauigkeit, exzellentes Finish, hohe Wiederholgenauigkeit. Hauptnachteile: hohe Anschaffungskosten, Designrestriktionen (Entformungsschrägen, konstante Wandstärke etc.). ABS-Granulatkosten wie oben.

Kostenzusammenfassung (basierend auf Online-Angeboten) für ABS-Anschlussfertigung:

	Industrielles FDM*	3D-Druck IM**	Traditionelles IM***
Formkosten	–	70,85 $	1.660,72 $
Kosten pro Teil	3,69 $	0,05 $	1,89 $
Gesamtkosten	92,25 $	72,10 $	1.711,48 $
Lieferzeit	4 Tage	2 Tage	8 Tage

* Angebot von Protolabs Network mit ABS, 20 % Infill, Fortus 250MC
** Angebot von Protolabs Network mit Formlabs High Temp Resin, Form 2
*** Angebot von Protolabs

Nächste Schritte: Teile per Spritzgießen fertigen

Ist Low-Run-Spritzgießen mit 3D-gedruckten Formen die beste Lösung? Zwei Wege nach vorne:

Wenn Sie Zugriff auf Spritzgießmaschine und Formdesign-Know-how haben: Form 3D-drucken in hitzebeständigem Material. Artikel zu Vor-/Nachteilen der zwei gängigsten 3D-Druckmaterialien für Low-Run-Spritzgussformen findet sich hier.

Andernfalls: Produktion an professionellen Spritzgießer auslagern. Protolabs Network bietet Zugang zu globalem Netzwerk von Spritzgieß-Dienstleistern, die Formen designen und Volumen von 100 bis 10.000+ Einheiten fertigen.

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