Das Fraunhofer IFAM – ein Institut der renommierten Fraunhofer-Gesellschaft – ist ein anerkannter Marktführer auf dem Gebiet des Metall-Spritzgießens (MIM) und beliefert Unternehmen aus der Luft- und Raumfahrt, der Energiebranche, der Schifffahrt und anderen anspruchsvollen Branchen. Um die Erforschung neuer Anwendungen zu unterstützen und gleichzeitig die Vorlaufzeiten und Kosten zu senken, hat sich Fraunhofer kürzlich für die Einführung des Freeform Injection Molding (FIM) Verfahrens entschieden, das durch den XiP Desktop 3D-Drucker von Nexa3D und die LSPc® Technologie unterstützt wird. Diese Plattform ermöglicht es Herstellern, schnell und kostengünstig Prototypen komplexer Spritzgussteile zu erstellen, bevor sie in konventionelle Metallwerkzeuge investieren.

Beim Metall-Spritzgießen (MIM) wird Metallpulver mit einem Kunststoffbindemittel gemischt, um ein Ausgangsmaterial zu erzeugen, das dann in eine Metallform gespritzt wird. Die abrasive Beschaffenheit des Ausgangsmaterials stellt hohe Anforderungen an die Qualität des Werkzeugs, und die Komplexität des MIM-Prozesses macht in der Regel mehrere Iterationen erforderlich. Fraunhofer wollte Unternehmen einen Weg bieten, neue Konzepte schnell und kostengünstig zu testen und wandte sich an Nexa3D und Freeform Injection Molding, um eine Lösung zu finden.

Sebastian Hein, Fraunhofer IFAM

Fraunhofer IFAM

Auftragsforschung und Innovation

• XiP Desktop 3D-Drucker
• xMOLD 3D-gedrucktes Harz für Werkzeuge
• Demolding Station

3D-gedruckte Spritzgießwerkzeuge

• Fähigkeit, Prototypenteile aus Metall in 10 Tagen oder weniger anzubieten
• Erheblich reduzierte Kosten für die Herstellung von Prototypenwerkzeugen
• Erhöhte Designfreiheit
• Weniger Risiko bei Entwicklung und Innovation

Fraunhofer hat sich von anderen Unternehmen inspirieren lassen, die das Freiform-Spritzgießen einsetzen, und sich entschlossen, den XiP Desktop-3D-Drucker und das xMOLD-Harz einzuführen. Diese kompakte Plattform ist die ideale Lösung für den Druck von Formen in dem für MIM typischen Produktgrößenbereich, und das xMOLD-Werkzeugharz hat sich beim Formen von Hochleistungsmaterialien bewährt.

Durch die Einführung des FIM-Verfahrens mit dem XiP 3D-Drucker und dem xMOLD-Material von Nexa3D bietet das Team des Fraunhofer IFAM seinen Kunden eine Vielzahl von Vorteilen.

Schnelles Prototyping: Mit FIM kann Fraunhofer schnell Prototypen von MIM-Bauteilen für Kundenvorführungen und Validierungstests herstellen. Die Materialeigenschaften von FIM-Bauteilen entsprechen nachweislich denen, die mit konventionellen Stahlwerkzeugen hergestellt werden, was eine genaue Leistungsbewertung ermöglicht.

Zeit- und Kostenersparnis: FIM ermöglicht es dem Fraunhofer IFAM, den Zeit- und Kostenaufwand für die Herstellung von Pilotwerkzeugen drastisch zu reduzieren. Die außergewöhnliche Geschwindigkeit des XiP-Druckers ermöglicht es, am selben Tag zu drucken und zu spritzen, während gleichzeitig Kosten- und Zeiteinsparungen von mehr als 75 % im Vergleich zu konventionellen Pilotwerkzeugen möglich sind.

Weniger Risiko für Entwicklung und Innovation: Das Fraunhofer IFAM hat bereits bewiesen, dass FIM mit dem Goldstandard Catamold der BASF kompatibel ist, so dass Kunden gut charakterisierte Materialien für ihre Entwicklung und Innovation nutzen können.

Das Metall-Spritzgießen leidet unter einem Mangel an Prototyping-Optionen. Konventionelle AM-Ansätze, ob auf Pulver- oder Bindemittelbasis, können nicht zur Bewertung von Fließwegen, Spannungsmustern in der Form oder Verzug von Formteilen während des Entbinderns und Sinterns verwendet werden. Infolgedessen mussten Spritzgießer in teure Pilotwerkzeuge investieren, wenn sie Teilekonstruktionen und Prozessparameter validieren wollten. Bereits mit dem ersten Projekt – dem GE Jet Engine Bracket – demonstrierte das Fraunhofer IFAM die Einfachheit, Schnelligkeit und Designfreiheit, die das Freiform-Spritzgießen bietet.

Das Fraunhofer-Team entschied sich für ein spritzgießgerechtes Bracket-Design und für den Einsatz des bekannten Standardmaterials Catamold 17-4PH von BASF als Werkstoff. Mit einer XiP-Druckerzelle wurde das lösliche Spritzgusswerkzeug gedruckt und mit einer Arburg 320-Spritzgießmaschine fertiggestellt.

Das Projekt bestätigte mehrere wichtige Aspekte des Freiform-Spritzgießens:

Die Konstruktionszeit für die Formen verkürzt sich von Tagen auf Stunden, da die Formen keine geteilten Linien, Auswerferstifte oder Gleitelemente enthalten müssen.
Die Herstellung von Testformen kann in Tagen statt in Wochen erfolgen.
Das Spritzgießen kann mit Standard-Spritzgießmaschinen und -Werkstoffen durchgeführt werden und liefert eine Materialqualität, die der des herkömmlichen Metall-Spritzgießens in nichts nachsteht.