3D-gedruckte Werkzeuge für das Spritzgießen: Alles, was Sie wissen müssen

Im Zuge der Weiterentwicklung des 3D-Drucks zeigt die Technologie ein wachsendes Potenzial für verschiedene Aspekte der Fertigung, darunter auch für die Herstellung von Werkzeugen für das Spritzgießen. Der Einsatz von 3D-gedruckten Werkzeugen für das Spritzgießen ist zwar traditionell eine komplexe und zeitaufwändige Aufgabe, kann aber das Prototyping, die Überprüfung von Formen und die Herstellung von Kleinserien effizienter machen.

Es ist jedoch auch wichtig zu verstehen, inwieweit sich Spritzguss und 3D-gedruckte Werkzeuge auf den Sektor der additiven Fertigung auswirken können. Dieser Artikel gibt einen Überblick darüber, was Spritzguss ist, welche Anwendungen es gibt und wann Sie 3D-gedruckte Werkzeuge für den Spritzguss ausprobieren sollten.

Das Spritzgießen ist eine Fertigungstechnik, mit der detaillierte Teile in großen Mengen mit Präzision und Wiederholbarkeit hergestellt werden können.

Beim Spritzgussverfahren wird geschmolzenes Material, häufig Kunststoff, unter hohem Druck in eine Form oder einen Hohlraum gespritzt. Die Form, die in der Regel aus Materialien wie Stahl oder Aluminium besteht, bestimmt die Form des Endprodukts. Sobald das Material eingespritzt ist, kühlt es ab und verfestigt sich in der Form. Nachdem das Material ausgehärtet ist, öffnet sich die Form, und das fertige Teil wird ausgeworfen und ist bereit für die weitere Verarbeitung.

Darüber hinaus eignet sich das Spritzgießen für eine Reihe von Materialien, von gängigen Kunststoffen wie ABS und HDPE bis hin zu exotischeren Verbundwerkstoffen wie kohlenstoffgefülltem PEKK oder vielseitigen TPUs. Diese Vielseitigkeit erleichtert die Herstellung von Produkten mit unterschiedlichen Eigenschaften wie Festigkeit, Flexibilität und Beständigkeit gegen Hitze und Chemikalien.

Obwohl das Spritzgießen seine Vorteile hat, müssen seine Anwendungen für 3D-gedruckte Werkzeuge genau kontextualisiert werden. 3D-gedruckte Formen sind in erster Linie für das Prototyping, die Überprüfung von Formen und die Herstellung von Kleinserien von Vorteil. In bestimmten Fällen können sie auch in der Massenfertigung eingesetzt werden, aber das ist nicht immer die beste Lösung.

Ein Aspekt, bei dem 3D-gedruckte Formen definitiv Vorteile bieten können, ist die Verkürzung der Vorlaufzeiten. Herkömmliche Formenbauverfahren können je nach Komplexität des Entwurfs Wochen oder Monate dauern. Mit dem 3D-Druck kann dieser Zeitrahmen auf Tage oder sogar Stunden verkürzt werden, was schnellere Durchlaufzeiten und eine höhere Produktivität ermöglicht.

Bei herkömmlichen Fertigungsverfahren kann die Herstellung komplexer Geometrien auch schwierig und teuer sein. Mit dem 3D-Druck lassen sich Formen mit komplizierten Designs herstellen, ohne dass die Kosten erheblich steigen, was ihn zu einer praktikablen Option für komplexe Teile in kleinen Stückzahlen und für kundenspezifische Anpassungen in großen Mengen macht.

Hier sind einige weitere Vorteile von 3D-gedruckten Werkzeugen für den Spritzguss:

• Geringere Materialkosten: Beim herkömmlichen Formenbau werden große Metallblöcke mit subtraktiven Fertigungsverfahren in die gewünschte Form gebracht, was zu Materialverschwendung führen kann. Mit dem 3D-Druck können Sie Formen oder Teile mit nur der benötigten Materialmenge herstellen und so die Materialkosten erheblich senken.
• Weniger komplexe Maschinen: Die traditionelle Methode des Spritzgießens umfasst eine Vielzahl komplexer Maschinen für verschiedene Schritte des Formenherstellungsprozesses. Beim 3D-Druck kann der Großteil des Prozesses mit einem einzigen 3D-Drucker durchgeführt werden, wodurch die Notwendigkeit, in mehrere Maschinen zu investieren, deutlich reduziert wird.
• Eliminierung von Lagerkosten: 3D-gedruckte Formen können bei Bedarf aus digitalen Dateien erstellt werden, wodurch der Bedarf an erheblichem Lagerraum reduziert wird.

Der Spritzgussprozess ist eine systematische Abfolge von Ereignissen, eine Reise vom ersten Entwurf bis zum Endprodukt.

Der erste Schritt im Spritzgussprozess besteht darin, festzustellen, ob Ihr Teiledesign für den Spritzguss geeignet ist. Diese entscheidende Phase erfordert eine sorgfältige Bewertung verschiedener Faktoren: Die Komplexität des Designs, Maßtoleranzen und das geplante Produktionsvolumen sind alles entscheidende Aspekte, die es zu berücksichtigen gilt.

Nicht alle Designs sind für den Spritzguss geeignet. Spezifische Geometrien und Hinterschneidungen können den Formenbauprozess erschweren und geringe Produktionsmengen rechtfertigen möglicherweise nicht die für die Herstellung der Formen erforderliche Anfangsinvestition. Daher ist die Durchführung einer Machbarkeitsstudie des Designs unerlässlich, um sicherzustellen, dass es gut für den Spritzguss geeignet ist.

Im zweiten Schritt wird die Form erstellt. Die Form ist das Negativ des Endprodukts und besteht typischerweise aus Stahl oder Aluminium.

Im dritten und letzten Schritt wird die Form mit dem gewählten Material gefüllt. In diesem Schritt wird das Material zunächst erhitzt, bis es einen geschmolzenen Zustand erreicht. Anschließend wird das geschmolzene Material unter hohem Druck in die Form eingespritzt.

Sobald die Form gefüllt ist, lässt man das Material abkühlen und erstarren. Nach dem Aushärten des Teils wird die Form geöffnet und das neu geformte Teil ausgeworfen.

Spritzgießen ist kein einheitliches Verfahren. Es gibt verschiedene Typen, jeder mit einzigartigen Eigenschaften, Vor- und Nachteilen.

Freeform-Spritzguss (FIM) ist eine neue von Nexa3D entwickelte Technik, die 3D-Druck mit Spritzguss kombiniert: Sie beschleunigt den Spritzguss durch 3D-Druck der Formen, in die die Materialien eingespritzt werden. Nexa3D ist ein Pionier im Bereich 3D-gedruckter Werkzeuge, der Benutzern hilft, komplexe Spritzgusswerkzeuge in Stunden statt Wochen oder Monaten additiv herzustellen.

So funktioniert das:

• Das Freiform-Spritzgießen beginnt mit einer CAD-Datei des zu formenden Teils.
• Das Design wird in eine Form umgewandelt – ein Prozess, der durch eine automatisierte Software namens „Formgenerator“ noch beschleunigt wird.
• Der Benutzer bewertet das Formdesign und kann schnell Änderungen vornehmen und neue Versionen iterieren, wenn die erste Version nicht zufriedenstellend ist.
• Sobald die Form zufrieden ist, wird sie in 3D gedruckt und nachbearbeitet.
• Anschließend kann der Spritzgussvorgang beginnen.

Der industrielle 3D-Drucker XiPPro von Nexa3D ist eine großartige Option zum Drucken von Spritzgusswerkzeugen. Aufgrund der Größe und Geschwindigkeit des XiPPro ist FIM jetzt um ein Vielfaches schneller und kann im wirklich industriellen Maßstab betrieben werden.

Mit Freeform-Spritzguss von Nexa3D kann ein Entwurf innerhalb von 24 Stunden von der Datei zum fertigen Teil gelangen. Im Durchschnitt dauert der gesamte Iterationszyklus etwa ein bis drei Tage – und kann Zehntausende von Dollar günstiger sein, als wenn die Werkzeuge anderswo bestellt werden müssten.

Vorteile:

• Formen können schnell und kostengünstiger hergestellt werden
• Ideal für komplexe Designs und Geometrien
• Ermöglicht einfache Designänderungen

Nachteile:

• Nicht so haltbar wie herkömmliche Formen
• Begrenzte Produktionskapazität
• Die Materialauswahl für Formen ist begrenzt

Am besten für:

Das Freiform-Spritzgießen eignet sich am besten für Projekte, die ein hohes Maß an Individualisierung und Designkomplexität erfordern, insbesondere für die Prototypenherstellung und die Kleinserienfertigung. Die Geschwindigkeit und Anpassungsfähigkeit dieser Methode machen sie ideal für Branchen, in denen Design-Iterationen häufig vorkommen und der Zeitrahmen knapp ist.

Erfahren Sie mehr über FIM

Konventionelles Spritzgießen ist seit vielen Jahren der Industriestandard. Es nutzt ein Hochdruck-Injektionssystem, um geschmolzenes Material in Stahl- oder Aluminiumformen zu pressen. Diese Formen werden mit einem Negativbild des gewünschten Teils hergestellt.

Vorteile:

• Hohe Wiederholgenauigkeit und Konsistenz
• Geeignet für die Massenproduktion
• Es kann ein breites Spektrum an Materialien verwendet werden

Nachteile:

• Hohe Vorlaufkosten für die Formenerstellung
• Für komplexe Geometrien nicht sehr geeignet
• Änderungen an der Form können zeitaufwändig und kostspielig sein

Am besten für:

Konventionelles Spritzgießen eignet sich am besten für Projekte, die große Produktionsserien erfordern. Es ist ideal für die Herstellung identischer Teile mit hoher Präzision und Qualität, insbesondere wenn das Design relativ einfach ist und der Produktionsumfang die erhöhte Anfangsinvestition rechtfertigen kann.

Beim 3D-gedruckten Kunststoffspritzguss wird bei der Formerstellung ein 3D-Drucker eingesetzt. In bestimmten Fällen kann diese Methode möglicherweise den Zeit- und Kostenaufwand im Vergleich zum herkömmlichen Formenbau reduzieren, insbesondere bei komplexen Designs. Allerdings sind die meisten Verfahren nur mit wenigen Polymeren kompatibel und führen nicht unbedingt zu konsistenten Ergebnissen. Freiform-Spritzguss ist eine viel bessere Option, wenn Geschwindigkeit, Genauigkeit und eine umfassende Materialkompatibilität von Bedeutung sind.

Vorteile:

• Schnellere und kostengünstigere Formenherstellung
• Flexibilität bei Designänderungen
• Ideal für die Formüberprüfung und Prototypenerstellung

Nachteile:

• Nicht so langlebig wie herkömmliche Formen oder FIM-Formen
• Beschränkt auf die Verwendung einer geringen Anzahl thermoplastischer Kunststoffe
• Geringeres Produktionsvolumen im Vergleich zu herkömmlichen Methoden

Am besten für:

Der 3D-gedruckte Kunststoffspritzguss kann für die Prototypenerstellung besonders effektiv sein. Angesichts der Flexibilität, die die 3D-Drucktechnologie unter diesen Umständen bieten kann, kann dies auch eine praktikable Option sein, wenn das Design häufig geändert werden muss.

Der 3D-gedruckte Metallspritzguss vereint die Vorteile des 3D-Drucks mit den Vorteilen von Metallspritzgusswerkzeugen. Bei diesem Verfahren wird Metallpulver zur Herstellung der Form verwendet. Die Nutzung des 3D-Drucks kann leistungssteigernde Funktionen wie konforme Kühlkanäle für optimale Leistung ermöglichen.

Vorteile:

• Kann hochkomplexe und langlebige Formen herstellen
• Schnellere Produktionszeiten im Vergleich zum herkömmlichen Metallformen
• Hohe Präzision und Detailtreue

Nachteile:

• Höhere Kosten im Vergleich zum Kunststoff-3D-Druck
• Erfordert eine Nachbearbeitung, um das Bindemittel zu entfernen
• Beschränkt auf pulverfähige Materialien

Am besten für:

Das 3D-gedruckte Metallspritzgießen eignet sich gut für Branchen, die robuste, langlebige Teile mit komplexen Geometrien benötigen, wie zum Beispiel die Luft- und Raumfahrt oder die Medizinbranche.

Wenn Sie eine extrem große Menge an Teilen aus einer Vielzahl von Materialien herstellen müssen, ist die Verwendung des herkömmlichen Spritzgussverfahrens wahrscheinlich am besten. Wenn Sie jedoch Prototypen herstellen, Formen überprüfen oder ein Fertigungsprojekt mit geringer Stückzahl durchführen, können 3D-gedruckte Werkzeuge den Prozess kostengünstiger und effizienter machen.

Dies gilt insbesondere bei der Verwendung von FIM. Das Freiformspritzgießen vereint die spezifischen Vorteile der 3D-Drucktechnologie mit der bewährten Effizienz des traditionellen Spritzgießens.

Mit Nexa3D ist das Freiformspritzgießen schneller, kostengünstiger und nachhaltiger. Es bietet 15 % der Kosten, 12 % der Zeit und eine Reduzierung der Kohlenstoffemissionen um 75 % im Vergleich zu herkömmlichen Stahlwerkzeugen.

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