3D-gedruckte Formen: Der ultimative Leitfaden

Unter 3D-gedruckten Werkzeugen versteht man den Einsatz additiver Fertigungstechnologie zur Herstellung maßgeschneiderter Werkzeuge für Fertigungs- oder Produktionsprozesse. Zu diesen Werkzeugen können Vorrichtungen, Vorrichtungen, Formen und andere Geräte gehören, die bei der Herstellung detaillierter Teile oder Objekte helfen.

Werkzeuge und Formen werden häufig durch subtraktive Fertigungstechniken hergestellt, die insbesondere bei komplexen oder einmaligen Designs zeitaufwändig und teuer sein können. Der 3D-Druck ermöglicht jedoch die Erstellung individueller Werkzeuge in kürzerer Zeit und zu geringeren Kosten, ohne dass dabei Abstriche bei Präzision oder Qualität gemacht werden.

Unter 3D-gedrucktem Werkzeugbau versteht man den Prozess, bei dem mithilfe des 3D-Drucks Formen, Vorrichtungen, Vorrichtungen und andere kundenspezifische Werkzeuge für die Produktion hergestellt werden. Diese Werkzeuge eignen sich ideal zum Erstellen komplexer Formen, die mit herkömmlichen Fertigungstechniken nur schwer oder gar nicht herzustellen wären.

Um eine Form per 3D-Druck zu erstellen, wird zunächst ein 3D-CAD-Modell des Teils erstellt. Dieses Modell wird dann in einen G-Code umgewandelt, ein 3D-Dateiformat, das ein 3D-Drucker lesen kann. Die G-Code-Datei wird dann zum Drucken an den Drucker gesendet. Sobald die Form in 3D gedruckt wurde, wird sie getestet und in der Produktion verwendet, indem sie mit Materialien wie Kunststoff und Metall gefüllt wird. Sobald das Material abkühlt und aushärtet, nimmt es die Form der Form an.

Dieser Prozess ist schneller und effektiver als die herkömmlichen Methoden der Formenherstellung, bei denen CNC-Bearbeitung oder manuelle Fertigung zum Einsatz kommt. Es ermöglicht außerdem eine stärkere Anpassung der Formen und macht die Herstellung von Werkzeugkomponenten mit teuren Bearbeitungsprozessen überflüssig.

Beim Gussformen handelt es sich um eine Fertigungsart, bei der aus einem flüssigen Material Gussformen hergestellt werden. Der Gießformprozess beginnt mit dem Erhitzen eines Rohmaterials, bis es flüssig wird. Anschließend wird die Flüssigkeit in eine durch 3D-Druck oder eine andere Methode erstellte Form gegossen. Wenn das Material abkühlt und aushärtet, nimmt es die Form der Form an.

Mit dieser Technik werden hochwertige Teile mit komplexen Geometrien und engen Toleranzen hergestellt, ohne dass Werkzeuge erforderlich sind. Gussformen können für verschiedene Materialien verwendet werden, darunter Kunststoffe, Harze, Metalle und Keramik.

Beim Spritzgießen wird ein geschmolzenes Material, in der Regel Kunststoff, in die individuell gestaltete Form (in diesem Fall von einem 3D-Drucker erstellt) eingespritzt, um ein Teil oder Produkt mit einer bestimmten Form und Größe herzustellen.

Diese Methode wird typischerweise in Massenproduktionsanwendungen eingesetzt und kann Herstellern dabei helfen, ein hohes Maß an Präzision und Wiederholbarkeit zu erreichen. Spritzgegossene Teile erfordern nur minimale Nachbearbeitung und weisen im Vergleich zu anderen Formverfahren oft eine bessere Oberflächengüte auf.

Das patentierte Freeform-Injection-Molding-Verfahren (FIM) verwendet ultraschnelle Nexa3D-Drucker und xMOLD-Resin, um Spritzgusswerkzeuge zu drucken, die mit Tausenden handelsüblichen Spritzgussmaterialien, einschließlich verstärkter Hochleistungsrohstoffe, kompatibel sind. Die Fähigkeit, mithilfe von Endproduktionsmaterialien innerhalb von Stunden statt Wochen zu entwerfen, zu iterieren und zu validieren, ist in jedem Produktentwicklungsprozess von unschätzbarem Wert.

Der FIM-Prozess erzeugt vollständig lösliche Werkzeuge, was echte Designfreiheit ermöglicht und zeitaufwändige Design- und Angussüberlegungen überflüssig macht, die normalerweise mit herkömmlichen Werkzeugprozessen verbunden sind. Sie können schnell Werkzeuge für hochkomplexe Teile entwerfen und drucken, Spritzgussrohstoffe verwenden und das Werkzeug dann auflösen, um die komplexe Form darunter freizulegen.

Materialien wie Titan, Aluminium, Stahl und Kunststoffe können zur Herstellung von Formen unterschiedlicher Komplexität und Genauigkeit verwendet werden. Die Materialauswahl richtet sich häufig nach den spezifischen Anforderungen des Produkts, der Art des Formverfahrens und der Art der verwendeten 3D-Drucktechnologie.

Resine sind das am häufigsten für 3D-Druckformen verwendete Material. Sie können hochwertige und präzise Teile mit verschiedenen Eigenschaften herstellen, darunter Härte, thermische Beständigkeit, chemische Beständigkeit und Flexibilität. Diese Teile erfordern auch weniger Nachbearbeitung, da der Resin-3D-Druck feinere Details und eine glattere Oberfläche liefern kann als andere 3D-Drucktechnologien.

Zu den idealen Formmaterialien gehören xPEEK und xCERAMIC: zwei Resine, die extrem steif und hitzebeständig sind und sich daher für Prototypen und Endverbrauchsteile eignen. Von Addifab, einem führenden Anbieter von Spritzgusswerkzeugen, entwickelte Resine ermöglichen sogar das Auflösen von Formen, um komplexere Geometrien zu erzeugen.

Mit 3D-gedruckten Elastomeren wie xFLEX475 können silikonähnliche Formen hergestellt werden. Diese hochflexiblen Materialien bieten im Vergleich zu anderen Formmaterialien eine überlegene Schlagfestigkeit. Sie eignen sich häufig ideal für Anwendungen, bei denen Flexibilität erforderlich ist, beispielsweise beim Umspritzen oder bei Gummiteilen.

3D-gedruckte Werkzeuge zur Herstellung von Formen bieten mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Fertigungstechniken.

Das 3D-gedruckte Formen ermöglicht die schnelle Herstellung von Formen und Werkzeugen, da Bauherren mehrere Teile oder ganze Baugruppen gleichzeitig herstellen können und das Schneiden oder Formen von Materialien aus größeren Blöcken oder Platten überflüssig machen.

Beispielsweise hat der Nexa3D XiP 3D-Drucker eine Bauzeit von etwa 87 Minuten, wodurch Bauherren Teile bis zu zehnmal schneller produzieren können als andere führende 3D-Drucker auf dem Markt. Dadurch verkürzt sich die Vorlaufzeit von Wochen oder Monaten auf wenige Stunden.

Da 3D-gedruckte Formen außerdem sofort nach ihrer Fertigstellung einsatzbereit sind, können Produktentwicklungszyklen verkürzt werden, was eine schnellere Prototypenerstellung und Tests ermöglicht.

3D printed tooling is usually significantly cheaper and requires a smaller investment in materials and labor. 3D printing is an additive process and while in subtractive manufacturing, parts are created by cutting away materials from a block until the desired shape is achieved.

Additive manufacturing builds objects layer-by-layer, resulting in less waste and reduced need for materials. This enables businesses to save on inventory costs by only producing essential parts and products. And results in manufacturers being able to lower production costs while still producing high-quality parts. Moreover, since these tools are highly customizable and can be printed on demand, they are ideal for short production runs and low-volume manufacturing.

Darüber hinaus sind 3D-gedruckte Formkomponenten aufgrund ihrer fortschrittlichen Software und Steuerungssysteme äußerst präzise und ermöglichen eine höhere Genauigkeit in der Produktion. Dies macht 3D-gedruckte Formen ideal für komplexe Teile mit engen Toleranzen oder komplizierten Details, die mit herkömmlichen Methoden sonst nur schwer zu erreichen wären.

Beispielsweise verfügt ein hochwertiger industrieller 3D-Drucker wie der NXE400Pro über eine integrierte patentierte Lubricant Sublayer Photo-Curing (LSPc®)-Technologie, die die erforderliche Genauigkeit und Toleranzen mit einer hervorragenden Oberflächengüte liefert. Mit dem LSPc® kleben die Schichten während der Produktion nicht zusammen und sorgen für Genauigkeit und Toleranzen sowie eine hervorragende Oberflächengüte. Dies macht es ideal für die Herstellung komplizierter Formen und Teile mit engen Toleranzen oder feinen Details.

Die im 3D-Druck verwendeten Materialien können im Vergleich zu bearbeitetem Metall eine bessere Oberflächengüte bieten, sodass keine zusätzliche Nachbearbeitung oder Endbearbeitung erforderlich ist. Dies führt auch zu einer verbesserten Teilequalität und einer besseren Formleistung.

Herkömmliche Formenbaumethoden erfordern mehrere Werkzeug- und Fertigungsschritte, wodurch die Prozesskomplexität und die Vorlaufzeiten steigen. Traditionelle Fertigungsmethoden wie Spritzguss oder maschinelle Bearbeitung erfordern die Herstellung von Formen oder Werkzeugen, um Rohmaterialien in fertige Produkte zu verwandeln. Dieser Vorgang kann einige Zeit in Anspruch nehmen und fügt dem Herstellungsprozess einen zusätzlichen Schritt hinzu.

Beim 3D-Druck wird der Werkzeugaufwand reduziert, da der Drucker das Produkt direkt aus einer CAD-Datei erstellen kann. Der 3D-Druck ermöglicht einen einstufigen Formenbauprozess, der dazu beitragen kann, den Herstellungsprozess zu vereinfachen und die Effizienz zu verbessern.

Mit dem 3D-Druck haben Designer und Ingenieure die Freiheit, neue Iterationen von Prototypen zu erstellen, ohne auf lange Produktionszyklen warten oder sich Gedanken über Werkzeugkosten machen zu müssen. Mit einer Maschine können mehrere Versionen eines Prototyps gleichzeitig hergestellt werden, sodass schnelle Tests, Bewertungen und Änderungen möglich sind.

Zusätzlich zu dieser Flexibilität ermöglicht der 3D-Druck auch die Herstellung komplexer Geometrien und komplizierter Designs, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden möglicherweise nicht realisierbar sind. Diese Fähigkeit, schnell innovative Produkte zu entwickeln, kann zu einem höheren Produkterfolg und einer höheren Kundenzufriedenheit führen.

Darüber hinaus bietet Rapid Prototyping mit 3D-Druck eine verbesserte Genauigkeit und Haltbarkeit der Teile, weniger Produktionsabfall und die Möglichkeit, Teile für den Endverbrauch herzustellen.

Obwohl der 3D-Druck gegenüber herkömmlichen Formenbautechniken mehrere Vorteile bietet, müssen einige Herausforderungen bewältigt werden. Zu den größten Herausforderungen beim 3D-gedruckten Formen gehören:

Die mechanischen Eigenschaften von 3D-Druckmaterialien sind möglicherweise nicht immer für Formanwendungen geeignet, insbesondere für Hochtemperatur- oder Hochdruckprozesse. Hersteller müssen das geeignete 3D-Druckmaterial und den geeigneten 3D-Drucker für ihre Anwendung sorgfältig auswählen.

Abhängig vom verwendeten Material und Drucker kann auch eine Nachbearbeitung, etwa durch Aushärten, Polieren und Texturieren, erforderlich sein, um die gewünschte Oberflächenbeschaffenheit zu erzielen. Beispielsweise erfordern FDM-Drucker eine viel weitergehende Verarbeitung als Resin-3D-Drucker. Resin-3D-Drucker können auch mit einer niedrigen Auflösung von 10 Mikrometern drucken, was viel feiner ist als die Auflösung von Filament-3D-Druckern.

Während 3D-gedruckte Formen langlebig sein können (insbesondere wenn sie aus haltbaren Harzen oder verstärktem 3D-Druckmaterial hergestellt werden), halten maschinell bearbeitete Metallformen am Ende länger. Wenn Benutzer Hunderttausende Teile spritzgießen, kann es daher sinnvoll sein, ein maschinell bearbeitetes Formwerkzeug zu verwenden.

Die Größe des 3D-Druckers kann die Größe der Form, die gedruckt werden kann, einschränken. Große Formen müssen zum Drucken möglicherweise größere Abschnitte haben. Dies kann die Durchlaufzeiten und Kosten erhöhen, da die Teile zusammengefügt und nachbearbeitet werden müssen, bevor sie einsatzbereit sind.

Die Anwendung von 3D-gedruckten Formen in verschiedenen Branchen, darunter Automobil, Medizin, Elektronik, Verpackung und mehr.

Ein perfektes Beispiel für eine 3D-gedruckte Formanwendung ist die Entwicklung von Lebensmittelverpackungen und Flaschen. PepsiCo verwendet beispielsweise den 3D-Drucker NXE 400 und das xPEEK147-Material, um die Entwicklungszeit für Prototypenwerkzeuge von 4 Wochen auf 48 Stunden zu verkürzen, die Kosten für Prototypenwerkzeuge von 10.000 USD auf 350 USD pro Formsatz zu senken und langlebige Werkzeuge zu entwickeln, mit denen mehr als 10.000 Flaschen hergestellt werden können 96 % Kostenreduzierung.

PepsiCo x Nexa3D

Wilson Sporting setzt auch die 3D-Drucktechnologie für das Rapid Prototyping ein. Mit dem großen Druckbereich und dem ultraschnellen LSPc®-Prozess von Nexa3D kann die Forschungs- und Entwicklungsgruppe von Wilson nun mehrere Teile gleichzeitig und schnell herstellen. Dies ermöglicht mehrere Designiterationen in einem einzigen Druckstapel. Dank dieser Weiterentwicklung kann das Team innerhalb eines einzigen Tages einen Prototyp erstellen, ein Prozess, dessen Erstellung zuvor Monate gedauert hätte.

„Weil wir so viel schneller iterieren können, Werkzeuge schneller drucken als wir bearbeiten können und ein paar Schritte im Prozess eliminieren können, kann es sich unser F&E-Team leisten, Fehler zu machen. Dies hilft uns, unsere Markteinführungszeit erheblich zu verkürzen und ermöglicht uns einen schnellen und flexiblen Design-Entscheidungsprozess.“ –

Glen Mason

Manager für fortschrittliche Innovation/Industrialisierung, DeMarini (ein Geschäftsbereich von Wilson Sporting Goods)

Wilson Sporting Goods x Nexa3D

Ein weiteres Beispiel für eine 3D-gedruckte Formanwendung ist die Freeform-Injection-Molding-Plattform (FIM), die die Möglichkeiten des industriellen Spritzgießens durch ultraschnellen, großformatigen 3D-Druck erweitert. Die FIM-Plattform, die durch eine Partnerschaft zwischen dem 3D-gedruckten Werkzeugpionier Addifab und Nexa3D entstanden ist, ermöglicht es Benutzern, durch die Kombination von Addifab- und NXE 400Pro-Funktionen komplexe Spritzgusswerkzeuge in nur wenigen Stunden additiv herzustellen.

Die Werkzeuge sind mit den meisten thermoplastischen Materialien kompatibel und sogar auflösbar. Dies ermöglicht das Formen komplexer Komponenten, die sonst mit herkömmlichen Metallwerkzeugen sehr schwierig oder sogar unmöglich zu formen wären.

3D-gedruckte Formen sind am effektivsten, wenn die perfekte 3D-Drucktechnologie und die perfekten Materialien verwendet werden. Daher ist die Wahl des richtigen 3D-Druckers und Materials wichtig für den Erfolg jedes 3D-gedruckten Formprojekts.

Mit einer Reihe fortschrittlicher Funktionen und Materialien bieten die ultraschnellen 3D-Drucker von Nexa3D eine perfekte Lösung für jeden 3D-gedruckten Formauftrag. Nexa3D 3D-Drucker zeichnen sich durch ultraschnelle Druckgeschwindigkeit und hochwertige Druckauflösung aus – was sie zur richtigen Wahl für effizientes und effektives 3D-gedrucktes Formen macht.

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