Prototypen-Spritzguss meistern: Techniken & Rapid Production

Veröffentlicht am 1. Juni 2020 | Von WayKen Rapid Manufacturing

Wir kennen massenproduzierte Kunststoffprodukte: Eimer, Handyhüllen, die meisten Spielzeuge wie LEGO – alles Kunststoff. Tausende Spritzgussmaschinen laufen weltweit Tag und Nacht. Doch was tun Firmen bei der Entwicklung eines neuen Bauteils? All diese Maschinen benötigen komplexes Werkzeug – wie funktioniert Prototypen-Spritzguss genau? Gibt es Rapid Injection Molding analog zum Rapid Prototyping in anderen Fertigungsverfahren? Hier finden Sie die Antworten.

Was die Anforderungen an Spritzguss-Prototypen diktieren

Fortschritt zwingt uns in einen Entwicklungswettlauf. Wer mehr neue Features und Produkte in kürzerer Zeit bringt, überlebt im harten globalen Wettbewerb. Deshalb ist Produktentwicklung einer der teuersten Fertigungsbereiche. Spritzguss wird meist mit Massenfertigung assoziiert: komplexe gehärtete Werkzeuge mit Kühlkanälen und Automatisierung produzieren identische Teile in atemberaubendem Tempo. Bei Neuentwicklungen, ungetesteten Teilen, stellt sich das Problem: Wie wandelt man das träge Massenfertigungsverfahren in eine flexible Prototypen-Spritzguss-Methode um? Die Antwort: Rapid Injection Molding (RIM).

RIM ist ein vergleichsweise neuer Zweig des Spritzgusses mit guter Flexibilität. Man könnte es als "Lite-Version" einer Software bezeichnen, die in Minuten einsatzbereit ist statt stundenlanger Installation. Rapid-Werkzeuge sind nicht für Dauerbetrieb gedacht, aber für Prototypen-Chargen ein guter Kompromiss.

Doch पहले schauen wir an, wie man den Fertigungsprozess für spritzgegossene Teile auch ohne Spezialverfahren beschleunigen kann.

Design für Prototypen-Spritzguss

Viele Startups und Designingenieure achten beim Produktdesign wenig auf das Fertigungsverfahren – was viele gute Ideen scheitern lässt. Bei kundenspezifischen Spritzgussteilen müssen viele Parameter berücksichtigt werden. Ein Hauptparameter ist die Wandstärke. Ein ideales Spritzgussteil hat überall konstante Wandstärke. Dünnere Wände ermöglichen schnellere Produktion. In der Realität oft nicht möglich, daher strebt man stetige Wandstärkeänderungen an. Entformungsschrägen und Radien sind ebenfalls entscheidend, da sie das leichte Entformen erlauben. Vor Designfreigabe immer prüfen, ob das Teil aus der Kavität entformbar ist.

Werkzeugdesign

Das Werkzeug umfasst die Spritzgusswerkzeughälften und Auswerfer. Rapid Injection Mold Werkzeuge sind noch komplexer, aber schneller herstellbar. Der Hauptunterschied: Flexibilität. Ein Prototypenwerkzeug muss zügig modifizierbar sein. Daher teilen Prototypenwerkzeugbauer die Werkzeuge in mehr Elemente auf als konventionelle Werkzeuge. Will man die Kavität ändern, nimmt man sie aus dem Werkzeug und bearbeitet nur sie. Müssen Kavität, Kühlkanäle und Auswerfer geändert werden, können alle gleichzeitig entfernt und neu gefertigt werden – auch von Grund auf. Gleichzeitige Fertigung aller Teile beschleunigt den Gesamtprozess.

Ein weiterer wichtiger Designaspekt (neben Standard-Schmelzefluss, Wandstärke, Kühlkanälen) ist die Werkzeugstandzeit. Konventionelle Werkzeuge sind auf maximale Lebensdauer ausgelegt – gehärteter Stahl, lange Bearbeitungszeiten. Prototypen-Spritzgusswerkzeuge und kundenspezifische Werkzeuge müssen nur kurze Zeit halten. Daher kann man auf harten Stahl verzichten und härtere Aluminiumlegierungen nutzen. Diese sind leichter zu bearbeiten, halten aber Prototyping- und Verifizierungsphasen durch.

Warum erfahrene Ingenieure für gute Werkzeuge nötig sind

Nach dem Prototypenwerkzeug-Design ist es ratsam, den Fertigungsprozess vor Werkzeugbau zu verifizieren. Vor wenigen Jahren unmöglich, heute jedoch durch moderne Engineering-Analysemethoden machbar. Ein erfahrener Fertigungsingenieur kann fortschrittliche FEM-Tools einsetzen, um zu simulieren, wie der verflüssigte Polymer die Kavität füllt und abkühlt. Erfahrung ermöglicht präzise Nachbildung von Fließprozessen. So lassen sich Designfehler früh erkennen und unnötige Werkzeugneuanfertigungen vermeiden.

Prototypen-Spritzguss

Werkzeugbearbeitung ist an sich komplex, da Hauptflächen oft in geschlossenen Räumen liegen. Weicheres Material und mehr Trennungen verkürzen die Werkzeugherstellungszeit erheblich. Der eigentliche Start beginnt, sobald das Werkzeug fertig ist.

Dann wird das Werkzeug genutzt und man erhält die Spritzgussteile. Keine Sorge: Der erste Teil wird fast sicher Fehler haben. Der Spritzgussprozess ist komplex, nutzt diverse Materialeigenschaften, sodass nicht alle Probleme im Design berücksichtigt werden können. Beim Prototypen-Spritzguss startet man das System, erhält das erste Prototypenteil und überarbeitet das Werkzeug.

Werkzeug-Debugging

Die Nachbearbeitung des Werkzeugs für bessere Teile heißt Werkzeug-Debugging. Welche Probleme können auftreten? Erstens: Fehler durch nicht optimale Wandstärke – kleine Dellen durch ungleichmäßige Erstarrung oder Bereiche, die die Schmelze gar nicht erreicht. Deshalb ist FEM-Simulation des Schmelzeflusses wichtig.

Ein weiteres verbreitetes Problem: Kühlungsfehler. Manche Bereiche kühlen zu langsam; zu frühes Auswerfen ruiniert das Teil. Korrekte Kühlzyklen sind eine der komplexesten Aufgaben im Spritzgusswerkzeugbau.

Nach erfolgreichem Debugging haben Sie einen spritzgegossenen Prototypen. Doch die Designoptimierung ist noch nicht abgeschlossen – der Designer kann zu jedem vorherigen Schritt zurückkehren, um den Prototyp zu verbessern.

Warum WayKen für Spritzguss-Prototypen wählen?

Benötigen Sie einen kosteneffizienten, schnellen Weg zur Teilefertigung? Mit über 10 Jahren Erfahrung im Prototypen-Spritzguss produzieren wir echte Spritzgussteile für Funktionstests und schließen die Lücke zur Serienwerkzeugfertigung. Zudem bieten wir erschwingliche, hochwertige Aluminiumwerkzeuge und kurze Durchlaufzeiten, die Designrisiken und Produktionskosten senken. Möchten Sie mehr über unsere Fähigkeiten im Prototypen-Spritzguss erfahren? Zögern Sie nicht, unser Team zu kontaktieren.