Vorwort：In der modernen Fertigung eröffnet die Kombination von 3D-Druck mit traditionellen Gießverfahren eine Welt der Möglichkeiten. Die Möglichkeit, individuelle Formen mit komplexen Designs und Geometrien durch 3D-Druck zu erstellen, hat den Gießprozess revolutioniert. Durch den Einsatz der additiven Fertigung können Einzelpersonen und Unternehmen neue Wege der Kreativität, Effizienz und Kosteneffizienz bei der Herstellung hochwertiger Gussobjekte beschreiten.

Dieser Artikel ist eine vollständige Anleitung zur Erstellung von 3D-gedruckten Gussformen. Wir zeigen Ihnen, wie Sie Ihre Ideen zum Leben erwecken und Gussformen mit 3D-Druck erstellen können.

Was ist 3D-Drucktechnologie?

Der 3D-Druck ist eine Art Rapid-Prototyping-Technologie. Dabei wird das am Computer entworfene dreidimensionale digitale Modell in mehrere Schichten ebener Scheiben zerlegt und dann mit dem 3D-Drucker mit Pulver, flüssigen oder fadenförmigen Kunststoffen, Metallen, Keramiken oder Sand versehen. Es handelt sich um eine Technologie, bei der Verbundwerkstoffe Schicht für Schicht nach Scheibenmustern gestapelt und schließlich zu einem vollständigen Objekt zusammengefügt werden.

Diese Technologie vereint modernstes technisches Wissen aus der digitalen Modellierungstechnik, der Informationstechnologie, der elektromechanischen Steuerungstechnik, der Werkstoffkunde und der Chemie und ist eine umfassende Anwendungstechnologie mit hohem technologischen Gehalt.

Was ist Metallgießen?

Metallguss gibt es schon seit etwa 7.000 Jahren. Bei diesem Verfahren wird heißes, flüssiges Metall in eine Form gegossen, die dann abkühlt und aushärtet. Früher haben die Menschen damit Werkzeuge, Waffen und Statuen hergestellt. Auch heute noch werden damit Dinge wie Schmuck und Autos hergestellt.

Die Grundidee ist, dass man heißes, flüssiges Metall in eine Form gießt oder presst. Dann wartet man, bis das Metall abgekühlt und ausgehärtet ist und die Form der Gussform angenommen hat. Dann nimmt man das feste Teil aus der Form. Aber es gibt viele verschiedene Arten, Guss zu machen. Das Wichtigste ist, woraus die Form besteht und wie man das heiße, flüssige Metall in die Form bekommt.

Mit dem 3D-Druck lassen sich Formen für den Metallguss schneller und kostengünstiger herstellen. Dies gilt insbesondere für Feinguss (auch Wachsausschmelzverfahren genannt) und Sandguss. Sie können die Modelle, die Sie zur Herstellung der Formen verwenden, in 3D drucken. Oder Sie können die Gussformen selbst in 3D drucken.

Entwurf des CAD-Modells

Zunächst müssen Sie ein 3D-Modell Ihrer Form mit einer CAD-Software erstellen. Vergewissern Sie sich, dass Ihr Modell die richtigen Entformungswinkel und Trennlinien aufweist, damit die Form leicht entnommen werden kann, sowie die richtige Wandstärke für Ihr Gussmaterial. Außerdem sollten Sie Formmerkmale wie Anschnitte, Angüsse und Entlüftungen einbeziehen, um das Gießen Ihres Teils zu erleichtern. Sie können Ihre Form mit CAD-Software wie Autodesk Fusion®, SolidWorks®, Rhino3D®, AutoCAD®, Tinkercad® und anderen entwerfen.

Bei der Gestaltung Ihrer 3D-gedrucktes Formmodellgibt es einige Dinge, die Sie beachten sollten. Erstens: Halten Sie Ihr Design einfach. Zweitens: Füllen Sie Hohlräume nicht mit Gegenständen. Drittens: Denken Sie an die Wandstärke. Viertens: Wählen Sie ein symmetrisches Design. Und schließlich sollten Sie bei der Gestaltung die endgültigen Details im Auge behalten.

Feststellen, ob das Modell hohl oder massiv ist

Das Gießverfahren ist unterschiedlich, je nachdem, ob Ihr Modell hohl oder massiv ist. Wenn Ihr Modell hohl ist, wird der Gussvorgang komplizierter. Sie müssen einen Abguss erstellen, der das Innere des Modells stützt, und dann die Stützstruktur aus dem fertigen Teil entfernen. Ihr endgültiges Teil wird irgendwo ein Loch haben, das groß genug ist, damit das Stützmaterial entfernt werden kann, wenn das gehärtete Harz gedehnt wird.

Wenn Ihr Modell massiv ist, ist der Gussvorgang einfacher. Solide Objekte benötigen keine interne Struktur, um sie zu stützen. In diesem Fall können Sie mit Schritt 4 des Gießvorgangs fortfahren.

Erzeugen der internen Struktur des Hohlmodells

Um das Innere eines hohlen Modells herzustellen, müssen Sie einige Dinge tun. Stellen Sie zunächst einen massiven Block her, der etwas kleiner ist als das hohle Modell. Legen Sie das hohle Modell oben auf den massiven Block und zentrieren Sie es. Ändern Sie das hohle Modell so, dass es die Form eines "Lochs" hat. Dadurch wird das Innere des Modells massiv. Kombinieren Sie den massiven Block mit dem geänderten hohlen Modell.

Jetzt haben Sie eine genaue Kopie der Innenseite des hohlen Modells. Um das Innere des Modells bei der Herstellung der Form zu fixieren, fügen Sie Stützen hinzu, die das Innere des Modells mit der Außenseite der Form verbinden. Diese Stützen werden später wieder entfernt.

Solid-Blöcke um das Modell herum generieren

Prüfen Sie zunächst, ob Ihr Originalmodell bereits ein Solid ist oder ob es in ein Solid umgewandelt werden muss. Wenn Ihr Modell bereits ein Festkörper ist, können Sie mit dem nächsten Schritt fortfahren. Wenn nicht, müssen Sie es so verändern, dass es ein geschlossenes, wasserdichtes Volumen ist. Entwerfen Sie einen Block oder eine Kastenstruktur, die viel größer als Ihr Modell ist. Dieser Block wird die äußere Begrenzung der Form sein und die Wände bilden, die das Modell umgeben. Legen Sie das Modell in den Block und achten Sie darauf, dass es zentriert und korrekt ausgerichtet ist.

Das Modell sollte von Blöcken umgeben sein, mit Platz zwischen dem Modell und den Innenwänden der Blöcke. Kombinieren oder verschmelzen Sie die Blöcke und das Modell, um ein einziges, einheitliches Objekt zu erstellen. Das Ergebnis ist ein neues 3D-Modell, bei dem die Blöcke die Außenwände der Form bilden und das Modell sich innerhalb der Form befindet.

Indem Sie die massiven Blöcke des Modells umschließen, haben Sie die Struktur geschaffen, die für die Form benötigt wird. Der Block gibt die Form und Größe des endgültigen Gussteils vor und bietet während des Gießvorgangs Halt und Stabilität.

Teilen Sie den Block je nach Design in zwei oder mehr Teile

Möglicherweise müssen Sie den Block in Abschnitte unterteilen, damit sich das Gussteil leichter aus der Form lösen lässt. Das hängt davon ab, wie kompliziert das Modell ist. Bei der Aufteilung von Blöcken sind einige Dinge zu bedenken: Betrachten Sie zunächst die Form des Modells und überlegen Sie, wie Sie an das Modell herankommen können. Der Hauptgrund dafür, dass man die Form leicht auseinander nehmen kann, ist, dass man den Guss herausnehmen kann, ohne ihn zu beschädigen.

Machen Sie keine Keile oder Formen, die es schwierig machen, den Guss herauszuholen. Wenn Sie sich die Form Ihres Modells ansehen, überlegen Sie, wo Sie es teilen können. Wenn dein Modell zum Beispiel rund ist, brauchst du mindestens einen Spalt in der Mitte, damit du die beiden Hälften auseinanderziehen kannst. Vergewissern Sie sich, dass Sie mit den von Ihnen gewählten Linien an das Innere des Modells gelangen können. So können Sie den Guss herausnehmen, ohne das Modell zu quetschen oder zu verbiegen, da der Block um das Modell herum fest ist.

Einbetten des Modells in den Solid-Block

Legen Sie das symmetrische Modell auf die Seite in den geteilten Block, zentriert. Auf diese Weise haben Sie beim Zusammensetzen der Blöcke eine gleichmäßige Abdeckung auf beiden Seiten des Modells. Setzen Sie die Blöcke vorsichtig zusammen und achten Sie darauf, dass sie gut um das Modell passen. Richten Sie die Blöcke richtig aus und verwenden Sie dabei alle Führungselemente oder Passmarken, um sicherzustellen, dass sie richtig ausgerichtet sind. Verwenden Sie Passstifte, um sicherzustellen, dass die Formhälften richtig zusammengefügt werden und in einer Linie bleiben.

Diese Stifte helfen Ihnen, die Formhälften auszurichten, wenn Sie die Form schließen. In der Mitte befindet sich ein großer Kanal, durch den das Gießmaterial fließen kann. Achten Sie darauf, dass die Rinne breit genug ist, damit das Harz fließen kann, vor allem, wenn das Harz dick ist. Breitere Kanäle lassen das Harz besser fließen und verhindern, dass es beim Gießen stecken bleibt oder Luftblasen entstehen. Fertigen Sie eine Kammer an, die oben auf der Form sitzt und zusätzliches Harz aufnimmt.

Die Kammer nutzt die Schwerkraft, um das flüssige Harz auf natürliche Weise in die Form fließen zu lassen. Die Größe der Kammer entscheidet darüber, wie viel Harz in den großen Kanal gedrückt werden kann, und stellt sicher, dass genug Material zum Füllen der Form vorhanden ist.

Start 3D-Druck

Jetzt ist es an der Zeit, mit dem Druck der Form zu beginnen. Um mit dem 3D-Druck Ihrer Form zu beginnen, stellen Sie sicher, dass Ihr 3D-Drucker einwandfrei funktioniert und richtig kalibriert ist. Vergewissern Sie sich, dass das Druckerbett sauber und eben ist und dass der Druckkopf oder der Extruder nicht blockiert sind. Wählen Sie das richtige Druckmaterial für Ihre Form. Berücksichtigen Sie Faktoren wie das Gussmaterial, die gewünschten Formeigenschaften (z. B. Flexibilität oder Hitzebeständigkeit) und die Kompatibilität mit 3D-Druckern.

Zu den gängigen Materialien für den Formdruck gehören verschiedene Arten von Harzen und Thermoplasten. Verwenden Sie eine Slicing-Software, um Ihre digitalen Modelle für den 3D-Druck vorzubereiten. Die Software erstellt aus einer 3D-Modelldatei eine Reihe von Anweisungen, die der Drucker befolgen muss und die die Schichthöhe, die Fülldichte, die Druckgeschwindigkeit und andere Einstellungen festlegen. Passen Sie diese Parameter entsprechend Ihren spezifischen Anforderungen an. Laden Sie die von Ihnen gewählten Druckmaterialien in den 3D-Drucker.

Je nach Art des Druckers müssen Sie eine Rolle Filament einlegen oder Harz in einen entsprechenden Behälter gießen. Starten Sie den 3D-Druckprozess, indem Sie die Slice-Datei an den Drucker senden. Der Drucker beginnt damit, Ihr Modell Schicht für Schicht gemäß den Anweisungen der Slicing-Software zu erstellen. Behalten Sie die Dinge zunächst im Auge, um sicherzustellen, dass alles klebt und gut aussieht, und um eventuell auftretende Probleme zu beheben.

Verwenden Sie die gedruckte Form und gießen Sie das Silikon, um den Gießprozess zu starten.

Um den Gießvorgang zu beginnen, mischen Sie das Silikon nach den Anweisungen des Herstellers und achten Sie dabei auf das richtige Verhältnis von Basis- und Katalysatorbestandteilen. Wenn die Silikonmischung fertig ist, gießen Sie sie langsam und gleichmäßig in die Form. Beginnen Sie mit dem Gießen von einem Ende her, damit das Silikon den Hohlraum der Form ausfüllt. Achten Sie darauf, dass während des Gießens keine Luftblasen entstehen, da diese den endgültigen Guss verfälschen können.

Klopfen oder schütteln Sie die Form vorsichtig, um verbleibende Luftblasen zu beseitigen. Dadurch steigen die Luftblasen an die Oberfläche und sorgen für einen glatten, blasenfreien Guss. Alternativ können Sie spezielle Geräte wie eine Vakuumkammer oder einen Drucktank für den Silikonguss verwenden, um Luftblasen noch effektiver zu entfernen.

Lassen Sie das Silikon so lange aushärten, wie vom Hersteller empfohlen. Die Aushärtungszeit hängt von der Art des verwendeten Silikons ab, halten Sie sich also unbedingt an die Anweisungen. Sie müssen dem Silikon genügend Zeit geben, um auszuhärten und vollständig auszuhärten, bevor Sie weitermachen.

Sobald das Silikon vollständig ausgehärtet ist, nehmen Sie es vorsichtig aus der Form. Je nachdem, welche Form Sie verwenden, müssen Sie möglicherweise die Formhälften trennen oder die Form biegen, um das Gussteil herausnehmen zu können.

Überschüssige Teile abschneiden

Wenn Sie Ihr Gussteil erfolgreich aus der Silikonform entformt haben, müssen Sie im nächsten Schritt den Überschuss abschneiden. Dieser Überschuss bezieht sich auf jeden zusätzlichen Guss aus Silikonmaterial, der aus der gewünschten Form herausgeflossen ist oder sich an den Rändern gebildet hat.

Schauen Sie sich Ihren Gipsabdruck genau an und suchen Sie nach Stellen, die Sie beschneiden müssen. Schneiden Sie mit einem scharfen Hobbymesser oder einer Schere das überschüssige Silikon entlang der Konturen der gewünschten Form ab. Nehmen Sie sich Zeit, um Genauigkeit zu gewährleisten und zu vermeiden, dass Sie versehentlich in den eigentlichen Guss schneiden.

Je nach Komplexität Ihres Gussteils müssen Sie möglicherweise verschiedene Werkzeuge oder Techniken verwenden, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Das Beschneiden von Überschüssen ist ein wichtiger Schritt im Gussverfahren, da es dazu beiträgt, das endgültige Aussehen und die Qualität des Gusses zu verbessern. Durch vorsichtiges Entfernen von überschüssigem Silikonmaterial können Sie Details verfeinern und ein sauberes und poliertes Ergebnis erzielen, das dem Originalmodell sehr ähnlich ist.

Vorteile des 3D-Drucks von Gussformen

Die Verwendung von 3D-gedruckten Formen hat viele Vorteile, unter anderem:

Kürzere Produktionszyklen für Formen

3D-gedruckte Formen verkürzen den gesamten Produktentwicklungszyklus und werden zur Quelle der Innovation. In der Vergangenheit haben sich Unternehmen manchmal dafür entschieden, Aktualisierungen des Produktdesigns zu verzögern oder aufzugeben, weil die Herstellung neuer Formen hohe Investitionen erfordert. Durch die Verkürzung der Vorlaufzeit für die Formenherstellung und die Möglichkeit, vorhandene Konstruktionswerkzeuge schnell zu aktualisieren, können sich Unternehmen dank des 3D-Drucks häufigere Änderungen und Verbesserungen der Formen leisten. So kann der Zyklus der Formenentwicklung mit dem Zyklus der Produktentwicklung Schritt halten.

Darüber hinaus kaufen einige Unternehmen ihre eigenen 3D-Drucker für die Herstellung von Gussformen, was die Produktentwicklung beschleunigt und sie flexibler und anpassungsfähiger macht. Aus strategischer Sicht wird die Lieferkette dadurch widerstandsfähiger gegen die Risiken langer Vorlaufzeiten und stagnierender Entwicklung, z. B. durch schlechte Formen von Zulieferern.

Niedrigere Herstellungskosten

Wenn die Kosten für den 3D-Druck von Metall höher sind als für die herkömmliche Metallfertigung, ist es einfacher, mit Kunststoffteilen Geld zu sparen.

3D-gedruckte Metallformen sind wirtschaftlich vorteilhaft für die Herstellung kleiner, unregelmäßiger Serien von Fertigteilen (da sich die Fixkosten für diese Teile nur schwer amortisieren lassen) oder für bestimmte Geometrien (die speziell für den 3D-Druck optimiert sind). Sie sind besonders kosteneffizient, wenn die Materialien sehr teuer sind und der herkömmliche Formenbau zu hohen Ausschussraten führt.

Außerdem kann der 3D-Druck Fertigungsprozesse und Gewinne verbessern, indem er in wenigen Stunden präzise Formen herstellt. Dies ist besonders nützlich, wenn es teuer ist, die Produktion zu stoppen oder viele Werkzeuge auf Lager zu halten.

Schließlich kommt es häufig vor, dass die Form nach Beginn der Produktion geändert werden muss. Die Flexibilität des 3D-Drucks ermöglicht es den Ingenieuren, zahllose Iterationen gleichzeitig auszuprobieren, und kann die Vorlaufkosten, die durch Änderungen des Formdesigns entstehen, reduzieren.

Verbesserungen in der Werkzeugkonstruktion erhöhen die Funktionalität der Endprodukte

Die spezielle Metallurgie des 3D-Drucks von Metallen verbessert häufig die Mikrostruktur des Metalls und führt zu völlig dichten gedruckten Teilen mit mechanischen und physikalischen Eigenschaften, die denen von geschmiedeten oder gegossenen Materialien gleichkommen oder sie sogar übertreffen (je nach Wärmebehandlung und Testorientierung).

Die additive Fertigung bietet Ingenieuren unbegrenzte Möglichkeiten, das Design von Gussformen zu verbessern. Wenn das Zielteil aus mehreren Unterkomponenten besteht, kann der 3D-Druck das Design integrieren und die Anzahl der Teile reduzieren. Dies vereinfacht den Produktmontageprozess und verringert die Toleranzen.

Außerdem kann es komplexe Produktfunktionen ausführen, so dass Sie hochfunktionale Endprodukte schneller und mit weniger Produktfehlern herstellen können. Zum Beispiel kann die Gesamtqualität eines Spritzgussteil wird durch die Wärmeübertragungsbedingungen zwischen dem eingespritzten Material und der Kühlflüssigkeit, die durch die Werkzeugvorrichtung fließt, beeinflusst. Bei der alten Methode sind die Kanäle, die das Kühlmaterial führen, in der Regel gerade, so dass das Formteil langsamer und ungleichmäßig abkühlt.

Mit dem 3D-Druck lassen sich Kühlkanäle in jeder beliebigen Form herstellen, so dass eine konforme Kühlung möglich ist, die optimaler und gleichmäßiger ist, so dass qualitativ hochwertigere Teile hergestellt werden können und weniger Ausschuss anfällt. Außerdem kann die Wärme schneller abgeführt werden, so dass Sie die Spritzgießen Zykluszeit kürzer, da die Kühlzeit in der Regel etwa 70% der gesamten Spritzgießen Zyklus.

Optimierung der Werkzeuge, um sie ergonomischer zu gestalten und die Mindestleistung zu verbessern

Der 3D-Druck vereinfacht die Validierung neuer Werkzeuge, die einen ungedeckten Bedarf in der Fertigung decken, so dass mehr bewegliche und feste Vorrichtungen in der Fertigung eingesetzt werden können. Traditionell wurden Werkzeuge und entsprechende Vorrichtungen so konzipiert, dass sie so lange wie möglich halten, da ihre Neukonstruktion und Herstellung erhebliche Kosten und Anstrengungen erfordert. Mit dem 3D-Druck können Unternehmen jedes beliebige Werkzeug jederzeit aufarbeiten, nicht nur solche, die verschrottet wurden und den Anforderungen nicht mehr genügen.

Mit geringem Zeit- und Kostenaufwand ist es durch den 3D-Druck wirtschaftlicher, Werkzeuge für eine bessere Grenzleistung zu optimieren. Daher können Techniker bei der Konstruktion mehr Ergonomie berücksichtigen, um den Bedienungskomfort zu verbessern, die Bearbeitungszeit zu verkürzen und die Verwendung und Lagerung bequemer zu gestalten. Auch wenn dadurch nur ein paar Sekunden Montagezeit eingespart werden können, macht das nicht viel aus. Darüber hinaus kann die Optimierung des Werkzeugdesigns auch die Ausschussrate von Teilen verringern.

Maßgeschneiderte Formen helfen bei der Anpassung des Endprodukts

Dank kürzerer Produktionszyklen, der Möglichkeit, komplexere Formen herzustellen, und der Möglichkeit, die endgültigen Herstellungskosten zu senken, können Unternehmen eine Menge kundenspezifischer Werkzeuge herstellen, die bei der Fertigung kundenspezifischer Teile helfen. 3D-Druckformen eignen sich sehr gut für die Herstellung von Sonderanfertigungen, z. B. von medizinischen Geräten und medizinischem Material. So können Chirurgen mit 3D-gedruckten kundenspezifischen Werkzeugen, wie z. B. Führungen und Werkzeuge für Operationen, bessere und schnellere Operationen durchführen.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verwendung des 3D-Drucks für die Herstellung von Metallgussformen die Fertigung grundlegend verändert. Sie können komplexe kundenspezifische Formen schneller und einfacher als je zuvor herstellen. Im Vergleich zum traditionellen Formenbau hat diese Methode große Vorteile. Gussformen werden schneller, billiger und besser. Sie können Formen herstellen, die mehr können, z. B. Werkzeuge komfortabler machen und sie besser funktionieren lassen. Kundenspezifische Formen helfen Ihnen bei der Herstellung kundenspezifischer Teile.

Aber man muss sich Gedanken darüber machen, woraus die Form besteht und wie man sie druckt, um sicherzustellen, dass sie richtig funktioniert. Wenn Sie richtig planen und vorgehen, können Sie den 3D-Druck nutzen, um Metallguss besser und schneller zu machen. Mit der Verbesserung der Technologie werden 3D-Druck und Metallguss die Fertigung verändern. Sie werden in der Lage sein, Dinge auf neue Weise herzustellen und mehr Dinge zu produzieren.