Einleitung: Das Spritzgießen ist ein weit verbreitetes Herstellungsverfahren für die Produktion von Großserienteilen mit gleichbleibender Qualität. Bei dieser Technologie wird geschmolzener Kunststoff in eine Metallform gespritzt, um die endgültige Form des Produkts zu bestimmen.

Die herkömmlichen Methoden zur Herstellung dieser Formen können jedoch sowohl zeitaufwändig als auch kostspielig sein, insbesondere bei kleinen oder kundenspezifischen Produktionsserien. Hier kommt der 3D-Druck ins Spiel, eine kosteneffiziente Lösung, die es den Herstellern ermöglicht, schnell Formen mit komplizierten Geometrien und feinen Details herzustellen, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren bisher nicht zu erreichen waren.

In diesem Artikel befassen wir uns mit der Herstellung von 3D-gedruckten Gussformen für Spritzgießen.

Zu beachtende Punkte vor der Auswahl einer 3D-Druck-Spritzgussform

Der Erfolg des Spritzgießverfahrens hängt in hohem Maße von der Qualität der 3D-gedruckten Form ab. Faktoren wie die Druckmenge und der Entformungswinkel spielen eine entscheidende Rolle für das Ergebnis, wie im Folgenden erläutert wird:

Druckauflagen: Es ist wichtig zu wissen, dass 3D-gedruckte Spritzgussformen zwar kostengünstig und effizient für die Kleinserienproduktion sind, aber im Vergleich zu Metallformen eine geringere strukturelle Integrität aufweisen. In der Regel sind diese Formen für 30 bis 100 Serien geeignet, was sie ideal für Rapid-Prototyping-Zwecke macht. Für größere Produktionsmengen sind herkömmliche Aluminium- oder Stahlformen möglicherweise besser geeignet.

Entwurfswinkel: Die Berücksichtigung des richtigen Entformungswinkels bei der Konstruktion des Werkzeugs ist entscheidend für die nahtlose Entformung des Spritzgussteils nach der Produktion. Ein empfohlener Entformungswinkel von 20 Grad erleichtert die Demontage von Formteilen und gewährleistet einen reibungslosen Fertigungsprozess.

Größe und Form: Verstehen der Dimensionen der gewünschten Spritzgussteil ist entscheidend für die Auswahl der geeigneten Größe und Form der Form. Insbesondere unterscheiden sich 3D-gedruckte Formen von CNC-gefrästen Formen in Bezug auf die Größe, da sie in der Regel kleiner sind. Dieser Größenunterschied wirkt sich auf die Bandbreite der Spritzgussteile aus, die mit 3D-gedruckten Formen im Vergleich zu CNC-gefrästen Gegenstücken hergestellt werden können.

Einwandfrei abgeschlossen: Die Oberflächenintegrität von 3D-gedruckten Formen ist gelegentlich schlechter als die von Metall-Spritzgussformen, da sich hohe Spritzgießtemperaturen nachteilig auf die Formleistung auswirken. Folglich sind diese Formen nicht die optimale Wahl für Projekte, die ein feines Finish erfordern. Die Wahl einer Spritzgussform aus Aluminium oder Stahl ist eine bessere Alternative.

Alternativ kann eine abschirmende Beschichtung aus Materialien wie Keramik auf der gedruckten Form die thermische Degradation abmildern und zu einer polierten Oberfläche führen.

Eine CAD-Konstruktion erstellen

Der erste Schritt bei der Erstellung einer 3D-gedruckten Form für das Spritzgießen besteht darin, die Form mithilfe einer CAD-Software zu entwerfen. Zu den Faktoren, die während des Entwurfsprozesses berücksichtigt werden sollten, gehören die Teilegeometrie, das Formmaterial, die Anschnittposition und die Kühlkanäle.

Um die Designprobleme bei der Erstellung einer 3D-Druckform zu verringern, können mehrere Tipps hilfreich sein. Erstens ist die Auswahl des geeigneten Formmaterials entscheidend. Es muss unbedingt sichergestellt werden, dass das gewählte Material robust und steif genug ist, um dem während des Spritzgussverfahrens erzeugten Druck standzuhalten. Außerdem sollte der Schmelzpunkt der Form über dem Schmelzpunkt des Spritzgussmaterials liegen.

Zweitens ist eine sorgfältige Formgestaltung für eine erfolgreiche Formherstellung unabdingbar. Die Innenfläche der Form sollte so positioniert werden, dass ein Kontakt mit dem Druckträger vermieden wird. Die Integration von Entlüftungsöffnungen in die Formkonstruktion kann dazu beitragen, dass Lufteinschlüsse während des Spritzgießprozesses beseitigt werden, wodurch Defekte wie poröse Teile reduziert werden. Außerdem kann durch die Integration von Kühlkanälen in das Werkzeugdesign die Kühlzeit verkürzt werden.

Berücksichtigen Sie bei der Konstruktion Ihres Teils auch einen Entformungswinkel. Die Sicherstellung einer gleichmäßigen Wandstärke bei geformten Teilen und die Vermeidung von scharfen Ecken sind entscheidende Faktoren, die Sie berücksichtigen müssen. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist der Spritzgießgrat, der entsteht, wenn zusätzliches Material aus der Trennfuge des Extrusionswerkzeugs austritt. Um Grate zu vermeiden, empfiehlt es sich, ein Angusssystem in die Werkzeugkonstruktion einzubeziehen. Darüber hinaus können nachträgliche Anpassungen vorgenommen werden, wie z. B. die Erhöhung der Schließkraft und/oder die Reduzierung des Einspritzdrucks.

Entwurf Form

Material-Optionen: Bei der Herstellung einer Form im 3D-Druckverfahren müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden, darunter Materialien, Komponenten, Fehler beim Spritzgießen und vieles mehr.

Für die Herstellung von Spritzgussformen für den 3D-Druck können zahlreiche Materialien verwendet werden, darunter PETG, ABS, Nylon, PP und Acetal. Bei der Auswahl des Materials für Ihre 3D-Druck-Kunststoffform sollten Sie unbedingt die folgenden zwei Aspekte berücksichtigen:

Stärke und Steifheit: Kunststoffpolymere, die für 3D-Druck-Spritzgussformen geeignet sind, müssen nach dem Druck eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweisen. Diese Eigenschaften sind entscheidend dafür, dass die Form den während des Spritzgussverfahrens auftretenden Belastungen standhalten kann.

Temperaturbeständigkeit: Da das Spritzgießen bei erhöhten Temperaturen erfolgt, um ein optimales Fließen des geschmolzenen Kunststoffs zu ermöglichen, ist es zwingend erforderlich, dass das für die Herstellung der Form gewählte Kunststoffmaterial einen höheren Schmelzpunkt hat als der des Spritzgießen Material.

Formenbau: Bemühen Sie sich, die Maßgenauigkeit zu verbessern, indem Sie Bearbeitungszugaben an der Form für die spätere Nachbearbeitung und Größenanpassung einbeziehen. Erstellen Sie eine Reihe von Formen, um Maßabweichungen zu bewerten und diese Abweichungen in das CAD-Modell der Formen zu integrieren.

Erhöhen Sie die Langlebigkeit der Form, indem Sie den Anschnitt öffnen, um den Druck im Formhohlraum zu verringern. Stellen Sie sicher, dass eine Seite der Etagenform flach ist, während Sie die andere Seite zur Aufnahme von Designkomponenten verwenden. Diese Strategie hilft, eine Fehlausrichtung des Formblocks und die Möglichkeit eines Überlaufs zu vermeiden.

Für eine effiziente Entlüftung ist eine große Entlüftungsöffnung von der Kante des Formhohlraums zur Kante der Form vorgesehen. Dies fördert den Materialfluss in die Form, verringert den Druck und verhindert eine Überflutung des Anschnittbereichs, wodurch die Zykluszeiten verkürzt werden. Vermeiden Sie zu dünne Querschnitte, da Oberflächen mit einer Dicke von weniger als 1-2 mm anfällig für Verformungen durch Hitze sind.

Verfeinern Sie Ihren Druckprozess, indem Sie die Formrückseite anpassen, um den Materialverbrauch zu reduzieren. Verringern Sie die Querschnittsgröße der Bereiche, die keine Formhohlräume unterstützen, um die Harzkosten zu senken und die Wahrscheinlichkeit von Druckfehlern oder Verformungen zu verringern. Die Einführung einer Fase kann das Entfernen des Werkstücks von der Bauplattform erleichtern. Verwenden Sie Zentrierstifte an den Ecken, um die beiden Drucke effektiv auszurichten.

Orientierung des inneren Gesichts: Positionieren Sie die innere Formfläche so, dass sie keinen Kontakt mit Stützen hat, was die Qualität der Druckoberfläche durch Minimierung oder Beseitigung von Stützmarken verbessert. Diese Ausrichtung reduziert auch die Notwendigkeit der Nachbearbeitung.

Flache Lüftungsöffnungen: Die Integration von Entlüftungsöffnungen in die Formkonstruktion erleichtert das Entfernen von Lufteinschlüssen während des Spritzgießprozesses. Die empfohlenen flachen Entlüftungsöffnungen mit einer Größe von etwa 0,05 mm tragen dazu bei, die Wahrscheinlichkeit von Defekten wie z. B. Einspritzgrat zu verringern.

Kanäle nutzen: Integrieren Sie Kanäle in das Werkzeugdesign für Werkzeuge, die für 20 oder mehr Durchgänge vorgesehen sind. Dies ermöglicht die Einbeziehung von Metallstäben und -rohren und reduziert effektiv Spritzgießfehler wie Verzug. Außerdem trägt die Verwendung von Kanälen zu einer Verkürzung der Abkühlzeit bei.

Schichthöhe: Die Entscheidung für eine geringere Schichthöhe verbessert die Glätte der gedruckten Form und minimiert die Sichtbarkeit von Drucklinien.

Teile Design: Die Qualität des Spritzgießprozesses hängt wesentlich von der verwendeten 3D-Druckform ab. Daher müssen in der Phase des Teiledesigns verschiedene Faktoren berücksichtigt werden, um den Erfolg und die Effizienz des gedruckten Produkts zu gewährleisten, darunter auch die Einbeziehung eines Entformungswinkels. Ein empfohlener Entformungswinkel von 20 vereinfacht die Entnahme des Spritzgussteils aus der gedruckten Spritzgussform.

Auswahl der Materialien: Die Wahl des Materials für die 3D-gedruckte Form ist entscheidend. Es sollte in der Lage sein, den hohen Temperaturen und dem Druck beim Spritzgussverfahren standzuhalten, ohne sich zu verformen oder zu schmelzen. Materialien wie Nylon, ABS und Polycarbonat werden häufig für 3D-Druck-Spritzgussformen verwendet.

Gleichmäßige Wanddicke: Spritzgegossene Teile erfordern eine gleichmäßige Wandstärke, um Defekte wie Verformungen während und nach dem Spritzguss zu minimieren. In Fällen, in denen dünne Wände erforderlich sind, können dünne Rippen und Zwickel die Wandstärke erhöhen.

Vermeiden Sie scharfe Ecken: Ich habe die Kanten der Form mit einem Radius versehen, um scharfe Ecken zu vermeiden. Diese Anpassung erleichtert den reibungslosen Fluss des geschmolzenen Kunststoffs und verringert das Auftreten von Spritzgießfehlern.

Blitzlicht verhindern: Flash ist ein häufiges Problem beim Spritzgießen, bei dem überschüssiger geschmolzener Kunststoff aus der Form entweicht und sich während des Spritzvorgangs verfestigt. Dieser Fehler kann durch eine schlechte Passung zwischen den Werkzeughälften, übermäßigen Einspritzdruck oder eine Überfüllung der Form entstehen.

Gratbildung bei 3D-gedruckten Formen kann durch die Integration von Angusssystemen in die Formkonstruktion und die Gewährleistung von Toleranzen bei den Teillinien vermieden werden. Wenn diese Methoden jedoch nicht funktionieren, können Sie versuchen, nach der Konstruktion Anpassungen vorzunehmen, z. B. die Schließkraft zu erhöhen und/oder den Einspritzdruck zu verringern.

Verwenden Sie Trennmittel zum Entfernen von Teilen: Während des Entformungsvorgangs wird ein Trennmittel eingebracht, um eine reibungslose Entnahme des spritzgegossenen Teils zu ermöglichen. Ohne ein Trennmittel können die Teile in der Form stecken bleiben. Dies erfordert eine übermäßige Kraftanstrengung, um das Teil zu entfernen, was zu einer Beschädigung des Teils und/oder der Form führen kann.

Prüfung und Verifizierung: Bevor eine 3D-gedruckte Form für das Spritzgießen verwendet wird, muss ihre Leistung getestet und überprüft werden. Durch die Tests können Probleme mit der Formkonstruktion oder der Materialauswahl erkannt und notwendige Anpassungen vorgenommen werden, bevor die Teileproduktion beginnt.

CAD-Konstruktionsdateien exportieren

Nach der Erstellung des CAD-Modells der Form wird der Entwurf als STL-Datei exportiert. STL ist ein häufig verwendetes Dateiformat für den 3D-Druck. Die STL-Datei enthält ein 3D-Modell der Form, das in eine 3D-Drucksoftware importiert werden kann, um es zu drucken. Weitere mit 3D-Druckern kompatible Dateiformate sind FBX, OBJ, 3MF, PLY, G-Code, X3G und AMF.

3D-Druck-Spritzgussform

Sobald die STL-Datei erstellt ist, kann ein 3D-Drucker für die Herstellung der Spritzgussform verwendet werden. Formen können mit verschiedenen 3D-Druckverfahren hergestellt werden, z. B. Fused Deposition Modeling (FDM), Stereolithografie (SLA), selektives Lasersintern (SLS) und Digital Light Processing (DLP). Die Auswahl des 3D-Druckers und der Druckmaterialien hängt von Faktoren wie der Komplexität der Form und der Langlebigkeit der Form ab.

FDM stellt in der Regel die kostengünstigste 3D-Drucklösung für Kunststoffformen und -werkzeuge dar. Dennoch kann die fertige Form sichtbare Schichtlinien aufweisen, die durch Schleifen oder chemische Nachbearbeitung entfernt werden müssen.

Harzbasierte 3D-Drucktechnologien wie SLA und DLP sind eine beliebte Wahl, da sie Formen mit glatteren Oberflächen hervorbringen, wodurch sich die Notwendigkeit einer umfangreichen Nachbearbeitung verringert. Mit Material Jetting, einem weiteren harzbasierten 3D-Druckverfahren, können Formen mit hervorragenden Oberflächen aus verschiedenen Materialien und Farben hergestellt werden. Beim SLS-Verfahren wird verstärktes Nylon für die Formenherstellung verwendet, das eine robuste Festigkeit und eine hohe Oberflächenqualität bietet.

Standard-Konfiguration

3D-Druckformen für das Spritzgießen haben hauptsächlich die folgenden zwei Standardkonfigurationen.

Möblierte 3D-Druckform
Bei diesem Aufbau sind keine Stützrahmen aus Aluminium erforderlich, da sie vollständig gedruckt werden. Infolgedessen benötigt die Form mehr Druckmaterial, was sowohl die Druckkosten als auch die Druckdauer in die Höhe treibt. Ohne Rahmen sind sie jedoch anfällig für Defekte wie Verformungen nach intensiver Nutzung.

Befestigen Sie die Form am Metallrahmen

Sobald die 3D-gedruckte Form fertiggestellt ist, muss sie in einen Metallrahmen (Formbasis) eingebaut werden, damit sie während des Spritzgussverfahrens in Position bleibt. Der Formsockel enthält die Angussbuchse, in die das geschmolzene Material in die Form gegossen wird.

Die Konfiguration der Form bestimmt, wie sie am Rahmen befestigt wird. Es gibt zwei Standardkonfigurationen von Spritzgussformen für den 3D-Druck. Bei der ersten Konfiguration wird die gedruckte Form in einen Aluminiumrahmen eingesetzt, der der Form Stabilität, Genauigkeit und Halt bietet. Diese Konfiguration ist besser geeignet für die Herstellung präziser SpritzgussteileSie trägt dazu bei, Gussfehler wie Verformungen zu vermeiden, die Integrität der Form aufrechtzuerhalten und eine gleichmäßige Druckverteilung während des Spritzgießprozesses zu gewährleisten.

Die zweite Konfiguration besteht aus einer vollständig 3D-gedruckten Form ohne Aluminiumrahmen. Damit entfällt zwar die Notwendigkeit eines Rahmens, aber es wird mehr Druckmaterial benötigt, was zu höheren Druckkosten und -zeiten führt. Formen, die mit dieser Konfiguration erstellt werden, sind auch anfälliger für Defekte wie Verformungen, da die Unterstützung fehlt.

Starten Sie den Spritzgießprozess

Sobald die Form auf dem Metallrahmen montiert ist, kann das Spritzgießverfahren beginnen. Dabei wird die Form geschlossen und das geschmolzene Material durch den Angusskanal in die Form gespritzt. Das geschmolzene Material füllt den Formhohlraum aus und passt sich der Form des vorgesehenen Teils an. Nach dem Abkühlen und Erstarren des Materials wird die Form geöffnet, und das fertige Teil wird entnommen.

Nachbearbeitung

Nach dem Druck muss die Form möglicherweise noch nachbearbeitet werden. Dazu kann das Schleifen zum Entfernen von Schichtlinien, das Zusammenfügen mehrerer Drucke und das Auftragen eines Trennmittels auf die Oberfläche der Kavität gehören, um das fertige Teil nach dem Spritzgießen zu entformen.

Schleifen: Das Schleifen kann helfen, Schichtlinien auf der Oberfläche des 3D-Druckmodells zu beseitigen. Beginnen Sie mit gröberem Schleifpapier und wechseln Sie nach und nach zu feineren Körnungen. Vermeiden Sie es, zu lange an der gleichen Stelle zu schleifen, um übermäßige Reibung und Hitze zu vermeiden, die die Oberfläche schmelzen könnten. Achten Sie darauf, nicht zu viel Material abzuschleifen, insbesondere an den Nähten, wenn der Druck später verklebt werden soll.

Bindung: Beim Verkleben empfiehlt es sich, den Kleber in kleinen Punkten aufzutragen, um einen engeren Kontakt zwischen den beiden Oberflächen zu gewährleisten, so als würde man sie mit einem Gummiband verbinden. Bei rauen oder klaffenden Nähten kann Bondo-Kleber oder Spachtelmasse verwendet werden, um eine glattere Oberfläche zu erzielen.

Färbung: Versuchen Sie, diesen Schritt in einem gut belüfteten und staubfreien Raum durchzuführen, um sicherzustellen, dass die Färbung auf allen Oberflächen gleichmäßig ist. Hängen Sie die Zielscheibe beim Sprühen mit einer Armlänge Abstand auf. Nach dem Bemalen des 3D-Druckmodells mit weichem Klebstoff muss es 1-2 Tage trocknen, bevor es poliert werden kann.

Einbau von Schraubenschlitzen: Die Anbringung von Schraubenschlitzen kann die Lebensdauer der 3D-gedruckten Schale verlängern. Um einen festen Sitz zu gewährleisten, sollten die Löcher am Modell etwas kleiner sein als die Schraubenschlitze. Sichern Sie das Modell aus Stabilitätsgründen und vermeiden Sie schnelle oder gewaltsame Eingriffe, um eine Verformung der Löcher zu vermeiden.

Silikonformen umklappen: Für dieses Verfahren werden ein 3D-Druckformkasten, Silikon, Harz, ein Messbecher und andere Materialien benötigt. Um das Volumen der Form zu berechnen, füllen Sie zuerst den 3D-Druckformkasten mit Wasser und gießen Sie das Wasser dann in den Messbecher.

Schlussfolgerung

3D-gedruckte Formen bieten einen deutlichen Vorteil gegenüber herkömmlich konstruierten Formen und eignen sich daher ideal für verschiedene Branchen, die eine Kleinserienfertigung sowohl einfacher als auch komplizierter Produktdesigns benötigen.

Der Prozess der Erstellung von 3D-gedruckten Formen für das Spritzgießen folgt im Wesentlichen einem strukturierten Ansatz. Er beginnt mit dem Entwurf der Form mithilfe von CAD-Software und geht weiter mit der Feinabstimmung der Druckereinstellungen, um qualitativ hochwertige Drucke zu erzielen. Nachfolgende Nachbearbeitungsschritte, wie Schleifen und Polieren, können erforderlich sein, um die Oberfläche der Form zu verbessern.

Die Integration wesentlicher Komponenten, wie z. B. Plug-ins, und die Durchführung umfassender Tests gewährleisten Funktionalität und Präzision. Nach der Validierung ist die Form bereit für Spritzgießen Produktion, die das Rapid Prototyping und die Herstellung von Kunststoffteilen mit kompliziertem Design erleichtert.