Vorwort: Die schnell wachsende, hart umkämpfte Spritzgussbranche ist Hunderte Milliarden Dollar wert. Deshalb suchen Hersteller nach effizienteren und kostengünstigeren Methoden, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Der auch als additive Fertigung bezeichnete 3D-Druck hilft Herstellern, bessere Spritzgusswerkzeuge und Vorrichtungen schneller und günstiger als mit herkömmlichen Verfahren herzustellen. Dieser Artikel erläutert vor allem, warum Sie sich für 3D-gedruckte Formen entscheiden sollten.

Vorteile und Nachteile des 3D-Drucks von Metallformen

Wie druckt man Metallformen in 3D?

Der 3D-Druck erweitert die Palette der verfügbaren Materialien, nutzt das Lasersintern zum Aufbau von Schichten und verwandelt die CAD-Zeichnung in das ultimative dreidimensionale Produkt.

Was sind die Vorteile von 3D-geformten Metallwerkzeugen?

Verbesserungen in der Werkzeugkonstruktion bringen mehr Funktionalität in die Endprodukte

Das spezielle metallurgische Verfahren, das beim 3D-Druck von Metallen zum Einsatz kommt, kann die Mikrostruktur des Metalls verbessern und völlig dichte gedruckte Teile erzeugen. Diese Methode ermöglicht die Integration komplexer Produktfunktionen und erleichtert so die Herstellung hochfunktionaler Endprodukte auf effizientere Weise mit weniger Fehlern.

So wird die Qualität eines spritzgegossenen Teils in hohem Maße von den Wärmeübertragungsbedingungen zwischen dem eingespritzten Material und der durch die Werkzeugvorrichtung zirkulierenden Kühlflüssigkeit beeinflusst. Herkömmliche Herstellungsverfahren weisen in der Regel gerade Kanäle für das Kühlmaterial auf, was zu einer langsameren und ungleichmäßigen Kühlung des Formteils führt.

Im Gegensatz dazu ermöglicht der 3D-Druck die Erstellung von Kühlkanälen in jeder gewünschten Form und gewährleistet eine gleichmäßige und optimierte Kühlung. Dies wiederum führt zu einer höheren Qualität der Teile und geringeren Ausschussraten. Darüber hinaus wird durch die beschleunigte Wärmeableitung die Zykluszeit beim Spritzgießen erheblich verkürzt, da die Kühlung in der Regel bis zu 70% der gesamten Zyklusdauer ausmacht.

Optimieren Sie Ihre Werkzeuge, um sie ergonomischer zu gestalten und die Mindestleistung zu verbessern

Der 3D-Druck senkt die Hürde für die Validierung neuer Werkzeuge zur Deckung eines ungedeckten Bedarfs in der Fertigung erheblich und ermöglicht die Herstellung einer größeren Anzahl von beweglichen und festen Vorrichtungen. In der Vergangenheit wurden Werkzeuge und zugehörige Vorrichtungen so konstruiert, dass sie möglichst langlebig waren, da ihre Neukonstruktion und Herstellung mit erheblichen Kosten und Aufwand verbunden ist.

Durch den Einsatz der 3D-Drucktechnologie erhalten Unternehmen die Flexibilität, jedes beliebige Werkzeug zu jedem beliebigen Zeitpunkt aufzuarbeiten, nicht nur solche, die ausrangiert wurden, weil sie den Anforderungen nicht mehr genügten.

Der 3D-Druck erfordert nur minimale Zeit und Anfangsinvestitionen und macht es kosteneffizienter, Werkzeuge für eine bessere Grenzleistung zu verbessern. Folglich können Techniker bei ihren Entwürfen Aspekten wie der Ergonomie Vorrang einräumen, um den Bedienungskomfort zu erhöhen, die Bearbeitungsdauer zu verkürzen und die Benutzerfreundlichkeit und Lagerungsmöglichkeiten zu verbessern. Auch wenn diese Verbesserungen nur zu einer geringfügigen Verkürzung der Montagezeit führen, sollte die kumulative Wirkung nicht unterschätzt werden.

Darüber hinaus kann eine optimierte Werkzeugkonstruktion die Ausschussquote der Bauteile verringern. Gleiche Qualität wie bearbeitete Formen; konturnahe Kühlkanäle möglich; weniger Rohmaterial und schneller als bearbeitete Formen; mehrere Werkzeugversionen gleichzeitig druckbar; mehr Anwendungsmöglichkeiten, geeignet für Auftragshersteller; verhindert Datenlecks, interne Lösung zum Schutz geistigen Eigentums; Spritzgussteile weisen die gleiche Qualität auf.

Kürzere Produktionszyklen, die Möglichkeit, komplexere Geometrien zu fertigen, und niedrigere Endfertigungskosten ermöglichen es den Unternehmen, eine große Anzahl von personalisierten Werkzeugen zu entwickeln, um die Herstellung von kundenspezifischen Teilen zu unterstützen.

Kundenspezifische Formen helfen bei der Anpassung des Endprodukts, und 3D-Druckformen sind sehr vorteilhaft für die kundenspezifische Produktion, z. B. bei medizinischen Geräten und in der medizinischen Industrie. So können Chirurgen mit 3D-gedruckten personalisierten Instrumenten, wie z. B. chirurgischen Führungen und Werkzeugen, versorgt werden, wodurch sie die chirurgischen Ergebnisse verbessern und die Operationszeit verkürzen können.

Was sind die Nachteile des 3D-Drucks von Metallformen?

Kann länger dauern und teurer sein als die maschinelle Bearbeitung, erfordert mehr Zeit für die Konstruktion im Vorfeld und erfordert höhere Qualifikationen. Um die Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen, kann eine Nachbearbeitung erforderlich sein, und die Formgrößen sind begrenzt. Zu den am häufigsten verwendeten Materialien gehören Edelstahl und Werkzeugstahl.

Was sind die typischen Beispiele für Metallformen aus dem 3D-Druck?

Bridgestone

Herstellung hochwertiger Ganzjahresreifen. Traditionell wurden Reifenformen durch manuelles Anbringen von Streifen und Metallblöcken nach einem bestimmten Muster an einer Grundform hergestellt. Die Metallteile mit ihren einfachen Geometrien wurden mit herkömmlichen Bearbeitungswerkzeugen hergestellt.

Bridgestone hat sich jedoch die modernste Technologie zu eigen gemacht und setzt SLM-Maschinen des deutschen Herstellers SLM Solutions ein, um 3D-gedruckte Metallformen herzustellen. Dieser innovative Ansatz ermöglicht es den Ingenieuren, Formen und Muster herzustellen, die zuvor unerreichbar waren.

Durch die Neugestaltung der Formen kann die Traktionsleistung des Reifens verbessert werden, ohne die Langlebigkeit des Reifens zu beeinträchtigen. SLM Solutions hat eine bemerkenswerte Leistung vollbracht, indem es erfolgreich eine Stahlreifenform mit einer Dicke von nur 0,3 mm an der dünnsten Stelle 3D-gedruckt hat. Bridgestone ist nicht der einzige Branchenriese, der die 3D-Drucktechnologie nutzt. Michelin bietet seit 2013 Reifen an, die mit dieser fortschrittlichen Technik hergestellt werden.

Eplus3D-Schröpfen

Früher wurden Schröpfgläser im konventionellen Spritzguss mit geringer Transparenz und niedriger Produktionseffizienz hergestellt. Der Hauptgrund: Eine mit herkömmlicher CNC-Technik gefertigte Schröpfglasform kann nur vertikale Kühlkanäle enthalten, die das Werkzeug nicht wirksam kühlen. Die mit dem EP-M250 SLM 3D-Drucker gefertigte Schröpfglas-Spritzgießform verfügt über ein Metallwerkzeug mit komplexen konturnahen Kühlkanälen, das mit dem Eplus3D EP-M250 SLM 3D-Drucker hergestellt wurde.

Das endgültige Schröpfen dauert nur 16,63 Sekunden, um die Spritztemperatur zu erreichen. Dies ist eine erhebliche Verbesserung im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugen, die 22,97 Sekunden benötigen, was zu einer Reduzierung um mehr als 6 Sekunden führt und die Einspritzleistung um etwa 26% erhöht.

Was sind die Technologien und Materialien für Metallformen?

Die Metallformtechnik umfasst im Wesentlichen

Selektives Laserschmelzen (SLM)

Ansatz bei der additiven Fertigung von Metallwerkstoffen. Trotz der Möglichkeit, mit diesem Verfahren komplizierte Details zu erzielen, ist die zusätzliche Bearbeitung nach wie vor weit verbreitet. Gegenwärtig ist es aufgrund von Kostenerwägungen und Verarbeitungsgeschwindigkeiten unwahrscheinlich, dass der 3D-Druck von Metallen die maschinelle Bearbeitung von Spritzgießwerkzeugen vollständig ersetzen wird. Stattdessen dient er als Ergänzung, die die Effizienz der Gesamtproduktion steigert.

Direkte Energieabscheidung (DED)

Der Laser erzeugt im Auftragsbereich ein Schmelzbad und bewegt sich mit hoher Geschwindigkeit. Das Material wird als Pulver oder Filament direkt in den Hochtemperatur-Schmelzbereich eingebracht und nach dem Schmelzen Schicht für Schicht aufgetragen. Mit diesem Verfahren lassen sich Metallformen aus einer Vielzahl von Metallwerkstoffen herstellen. Beispielsweise kann eine Deckschicht aus Edelstahl auf ein Substrat aus reinem Kupfer aufgebracht werden, um eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit Verschleißfestigkeit zu kombinieren – Eigenschaften, die bei Spritzgusswerkzeugen erforderlich sind.

Zu den Materialien für Metallformen gehören vor allem

Nach der Art des Materials lassen sich die Metallwerkstoffe für den 3D-Druck in Eisenbasislegierungen, Titan und Titanbasislegierungen, Nickelbasislegierungen, Kobalt-Chrom-Legierungen, Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen und Edelmetalle unterteilen.

Eisenbasislegierung

Legierungen auf Eisenbasis sind eine Art von Legierung, die im Bereich der Metallmaterialien für den 3D-Druck früher und eingehender untersucht wurde. Zu den am häufigsten verwendeten Eisenlegierungen gehören Werkzeugstahl, rostfreier Stahl 316L, Schnellarbeitsstahl M2, Formenstahl H13 und martensitaushärtender Stahl 15-5PH usw.. Eisenbasislegierungen sind kostengünstig, haben eine hohe Härte, eine gute Zähigkeit und eine gute Bearbeitbarkeit und eignen sich daher besonders für den Formenbau.

Der 3D-Druck von Formen für konforme Wasserkanäle ist eine wichtige Anwendung von Eisenbasislegierungen. Speziell geformte Wasserkanäle sind mit herkömmlichen Verfahren nur schwer zu bearbeiten. Mit dem 3D-Druck kann die Anordnung der Kühlkanäle jedoch so gesteuert werden, dass sie im Wesentlichen mit der Geometrie der Kavität übereinstimmt, was die Gleichmäßigkeit des Temperaturfeldes verbessert, Produktfehler wirksam reduziert und die Lebensdauer der Form erhöht.

Titan und Titanlegierungen

Titan und Titanlegierungen sind aufgrund ihrer bemerkenswert hohen spezifischen Festigkeit, ihrer guten Hitzebeständigkeit, ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihrer guten Biokompatibilität zu idealen Werkstoffen in den Bereichen medizinische Geräte, chemische Ausrüstung, Luft- und Raumfahrt und Sportgeräte geworden. Allerdings sind Titanlegierungen in der Regel schwer zu bearbeitende Werkstoffe.

Sie leiden unter hohen Belastungen, hohen Temperaturen und starkem Werkzeugverschleiß während der Verarbeitung, was die breite Anwendung von Titanlegierungen einschränkt. Die 3D-Drucktechnologie ist für die Herstellung von Titan und Titanlegierungen besonders geeignet. Erstens findet der 3D-Druck in einer Schutzatmosphäre statt. Titan reagiert nicht leicht mit Elementen wie Sauerstoff und Stickstoff. Die schnelle Erwärmung und Abkühlung von Mikrobereichen begrenzt auch die Verflüchtigung von Legierungselementen;

Zweitens können komplexe Formen ohne spanabhebende Bearbeitung hergestellt werden, und die Materialausnutzung auf der Grundlage von Pulver- oder Drahtmaterialien ist hoch, was keine Verschwendung von Rohstoffen verursacht und die Herstellungskosten erheblich senkt. Zu den derzeitigen Arten von 3D-gedrucktem Titan und Titanlegierungen gehören reines Ti, Ti6A14V (TC4) und Ti6A17Nb, die in der Luft- und Raumfahrt (Abbildung 3) und für künstliche Implantate (wie Knochen, Zähne usw.) weit verbreitet sind.

Vorteile und Nachteile des 3D-Drucks von Kunststoffformen

Wie druckt man 3D-Kunststoffformen?

Die Verwendung haltbarer und hitzebeständiger Materialien in Verbindung mit einem 3D-Drucker für Kunststoffe (oder Polymere) ermöglicht es Unternehmen, ihre Spritzgussformen intern herzustellen oder sie schnell von einem Dienstleister zu beziehen.

Was sind die Vorteile des 3D-Drucks von Kunststoffformen?

Optimieren Sie Ihre Werkzeuge, um sie ergonomischer zu gestalten und die Mindestleistung zu verbessern

Der 3D-Druck senkt die Hürden für die Validierung neuer Werkzeuge, die noch nicht erfüllte Fertigungsanforderungen erfüllen, und ermöglicht die Integration von mehr beweglichen und festen Vorrichtungen in die Produktionsprozesse. Konventionell wurden Werkzeuge und zugehörige Ausrüstungen auf maximale Haltbarkeit ausgelegt, um die erheblichen Kosten und den Arbeitsaufwand zu vermeiden, die mit der Neuentwicklung und Produktion verbunden sind. Dank der 3D-Drucktechnologie können Unternehmen nun jedes beliebige Werkzeug zu jedem beliebigen Zeitpunkt überarbeiten, und zwar nicht nur solche, die ausrangiert und als ungeeignet erachtet wurden.

Niedrige Kosten

Herkömmliche Methoden zur Herstellung von Spritzgussformen sind in der Regel teuer und zeitaufwändig, da sie Präzisionsmaschinen und Fachwissen des Formenbauers erfordern. Auf der anderen Seite bietet der 3D-Druck eine kostengünstigere Alternative für die Formenherstellung.

Der direkte Druck von Formen aus einem 3D-Drucker eignet sich für Teile mit geringen Stückzahlen (je nach Material von 100 bis zu 10.000+) und kann bis zu 90% weniger kosten als Metallformen. Der 3D-Kunststoffdruck erweist sich als bevorzugte Methode zur Herstellung von Formen, wenn kurze Vorlaufzeiten und niedrige Kosten im Vordergrund stehen.

Berichten zufolge lassen sich mit 3D-gedruckten Formen gegenüber herkömmlichen Technologien bis zu 80 % der Kosten einsparen. Ihre Herstellung ist wesentlich schneller und günstiger als die konventioneller Metallformen. Mehrere Formversionen können gleichzeitig gedruckt werden, was mehr Anwendungsmöglichkeiten bietet und sie für Auftragsfertiger attraktiv macht. Diese interne Lösung verhindert Datenlecks und schützt geistiges Eigentum, während die Spritzgussteile dieselbe Qualität behalten.

Der 3D-Druck erfordert weniger Arbeitsschritte als die maschinelle Bearbeitung. Im Durchschnitt werden nur sechs Arbeitstage benötigt, um die Form und das Teil fertigzustellen. Der Formenbau kann sogar in nur wenigen Stunden abgeschlossen werden, was den Prozess schnell und effizient macht.

Komplexe Spritzgussformen können jetzt mit Hilfe von auflösbaren Harzen, 3D-Druckern für Kunststoffe (oder Polymere) und haltbaren, temperaturbeständigen Materialien in 3D gedruckt werden. Dank dieses Fortschritts können Unternehmen ihre eigenen Gussformen im Haus herstellen oder sie problemlos von Dienstleistern beziehen.

Was sind die Nachteile des 3D-Drucks von Kunststoffformen?

Kunststoffformen weisen in der Regel eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als Metallformen, was zu längeren Abkühlzeiten für Spritzgussteile führt. Außerdem neigen sie dazu, sich schneller zu zersetzen als ihre Gegenstücke aus Metall, so dass oft Nachbearbeitungsprozesse erforderlich sind, um eine präzise Genauigkeit zu erreichen. Darüber hinaus sind Kunststoffformen durch begrenzte Größenoptionen eingeschränkt.

Was sind einige typische Beispiele für Kunststoffformen aus dem 3D-Druck?

Zetar-Schimmel

Zetar Mold ist ein in ShangHai, China, ansässiges Spritzgussunternehmen, das die schnelle Erstellung von Formen und die Herstellung von Kleinserien im Spritzgussverfahren anbietet. Als Reaktion auf die steigende Nachfrage nach Kleinserien hat sich Zetar Mold die 3D-Drucktechnologie zu eigen gemacht, um kostengünstige Kunststoffformen für eine schnellere Produktion kleinerer Aufträge zu erstellen. Bei ihren Untersuchungen entdeckten sie, dass der SLA-3D-Drucker von Formlabs in Verbindung mit dem glasgefüllten Harzmaterial Rigid 10K Resin des Unternehmens die ideale Ergänzung für ihre industrielle Spritzgießmaschine Babyplast war.

Mit Formlabs kann Zetar Mold 3D-gedruckte Spritzgussformen schnell herstellen. Nach der Konstruktion kann Zetar Mold die Form innerhalb eines Tages drucken und nachbearbeiten. Durch die Kombination des gedruckten Einsatzes mit dem vorhandenen Metallrahmen der Form dauert die Montage nur dreißig Minuten, sodass der Spritzgießprozess sofort beginnen kann. Jede Form ist üblicherweise auf etwa 100 Einsätze begrenzt; für größere Bestellmengen kann Zetar Mold jedoch mehrere Formen gleichzeitig drucken.

Markforged 3D-Drucker zur Herstellung von Duroplast-Formen. Das Unternehmen benötigte eine dauerhafte Duroplastform als Ersatz für das kostspielige, ausgelagerte Silikonverfahren, die bei Temperaturen von bis zu 150 °C erheblichen Schließkräften standhalten kann.

Markforged hat mit dem X7 3D-Drucker und den Onyx-Materialien innerhalb von etwa 60 Stunden eine Gussform hergestellt, und zwar zu Kosten von etwa $240 pro Form. Im Vergleich dazu benötigten maschinell hergestellte Silikonformen 144 Stunden für die Herstellung und verursachten Kosten von etwa $1.000 pro Form.

Addifab

Die Herstellung von Prototypen mit demselben Design und denselben Materialien wie das Endprodukt kann den Prototypentestprozess erheblich verbessern und beschleunigen. Addifab, ein Startup-Unternehmen mit Sitz in Belgien, hat sich auf die Herstellung von 3D-gedruckten Formen für das Spritzgießen spezialisiert.

Addifab bietet ein proprietäres Harzmaterial für 3D-Druckformen an, das einem Injektionsdruck von bis zu 2.500 bar und einer Schmelztemperatur von 450°C standhält. Anschließend löst sich die Form innerhalb von 12 bis 48 Stunden vollständig in einer wässrigen alkalischen Lösung auf. Addifab verwendet dieses lösliche Harz für den 3D-Druck von Spritzgussformen.

Wilson Sporting Goods hat kürzlich Addifab-Harz auf seinem Großformatdrucker Nexa3D NXE 400 eingesetzt, um effizient mehrere Versionen von Spritzgussformen für neue Baseballschlägergriffe herzustellen.

Was sind die Materialien für Kunststoffformen?

Polyamid

Materialeigenschaften: Nylon hat eine hohe Temperaturbeständigkeit, gute Zähigkeit und hohe Festigkeit. Im Vergleich zu anderen Materialien hat Nylon hervorragende Eigenschaften wie hohe Fließfähigkeit, geringe statische Elektrizität, geringe Wasseraufnahme, mäßiger Schmelzpunkt und hohe Maßhaltigkeit der Produkte.

Seine Ermüdungsbeständigkeit und Zähigkeit erfüllen auch die Anforderungen von Werkstücken mit höheren mechanischen Anforderungen. Es ist ein technischer Kunststoff. Ein ideales Material für den 3D-Druck. Typische Anwendungen: Gehäuse und Einhausungen, Sportartikel für Verbraucher, komplexe Kunststoff-Prototypenteile sowie Form-, Montage- oder Funktionsprototypen.

Hochleistungsnylon

Wesentliche Eigenschaften: Formbares, flexibles Material mit hoher Haltbarkeit, Leistungsfähigkeit und Schlagfestigkeit Typische Anwendungen: Schlagfeste Prototypen, Lehren, Vorrichtungen, dünnwandige Rohre und Gehäuse, Schnappverbindungen, Clips und Scharniere.

Importiertes lichtempfindliches Harz

Materialeigenschaften: Lichtempfindliche Harzmaterialien werden wegen ihrer hohen Glätte und Haltbarkeit häufig verwendet. Mit diesem Material bedruckte Teile können nachbearbeitet werden, z. B. durch Schleifen, Polieren, Lackieren, Sprühen, Galvanisieren und Siebdruck. Seine Leistung ist ähnlich wie die des technischen Kunststoffs ABS. Mit seiner hohen Präzision und empfindlichen Oberfläche kann es nicht nur für optische Teile, sondern auch für Struktur-, Montage- und Funktionsprüfungen verwendet werden.

Gängige Anwendungen: Haushaltsgeräte, Rapid Manufacturing, Prototypmodelle, elektronische Produkte, Bildung und wissenschaftliche Forschung, Architekturmodelle, Kunstmodelle, Automobilbau und andere Bereiche.

Schlussfolgerung

Die schnell wachsende und hart umkämpfte Spritzgussindustrie, die Hunderte von Milliarden Dollar wert ist, hat die Hersteller dazu veranlasst, nach effizienteren und kostengünstigeren Möglichkeiten zu suchen, um der Zeit voraus zu sein.

Der 3D-Druck, auch bekannt als additive Fertigung, ermöglicht es diesen Unternehmen, hochwertige Spritzgießformen und Werkzeuge schneller und kostengünstiger herzustellen als mit herkömmlichen Verfahren. Man könnte sagen, dass 3D-Druckformen die Formenbauindustrie revolutionieren.

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