3D-Druck für Formen und Matrizen, Teil 1

Aug 08, 2023

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Mit der zunehmenden Verbreitung des 3D-Drucks im größeren Bereich der industriellen Fertigung wird der Wert der Technologie als mehr als nur ein Tool für die schnelle Prototypenerstellung immer offensichtlicher. Selbst wenn die additive Fertigung (AM) nicht zur Herstellung von Endteilen eingesetzt wird, lernen Unternehmen, dass sie zur Herstellung von Werkzeugen für ihre traditionellen Produktionsprozesse eingesetzt werden kann. Insbesondere 3D-Druckformen und -werkzeuge für Spritzguss und Druckguss bergen aufgrund der vielfältigen Vorteile, die AM im Hinblick auf die Herstellung kundenspezifischer, bedarfsorientierter und komplexer Teile bietet, großes Potenzial.

Beim Spritzgießen, dem für die Massenfertigung von Kunststoffteilen am häufigsten verwendeten Verfahren, wird flüssiger Kunststoff unter hohem Druck in eine Form eingespritzt. Durch das Füllen aller Hohlräume der Form härtet der Kunststoff aus und das fertige Teil wird entnommen. Bei den verwendeten Polymeren handelt es sich meist um Thermoplaste, die bei hohen Temperaturen geschmolzen werden und beim Eintritt in die Form abkühlen.

Die vier Stufen des Schneckenspritzgießens.

Typischerweise werden Formen präzisionsgefertigt aus Aluminium oder Stahl gefertigt, was Tausende bis Hunderttausende Dollar kosten kann. Daher ist das Spritzgießen bei großen Stückzahlen bei der Herstellung von Zehntausenden bis Millionen Teilen am kostengünstigsten. Für das Spritzgießen kleiner Stückzahlen von 50 bis 100 Teilen kann der 3D-Druck eine kostengünstigere Option sein.

Weitere Gründe, warum sich der 3D-Druck für die Formenherstellung entscheiden könnte, sind die kurzen Durchlaufzeiten. Eine gedruckte Form kann in nur wenigen Tagen oder Wochen hergestellt werden, verglichen mit einer Vorlaufzeit von fünf bis sieben Wochen für Formen, die mit einer CNC-Maschine hergestellt werden.

Abhängig von den genauen Anforderungen der Teile muss die gewählte AM-Technologie nicht unbedingt aus Metall bestehen. Stattdessen können Materialstrahlen und SLA verwendet werden, um Formen mit hoher Genauigkeit und guter Oberflächengüte herzustellen. Dies gilt insbesondere für kleinere Teile mit einer Größe von weniger als 150 mm.

Eine 3D-gedruckte Form mit Aluminiumrahmen. Bild mit freundlicher Genehmigung von Formlabs.

Wie 3D Hubs in einem besonders nützlichen Designleitfaden für 3D-Druck-Spritzgussformen erklärt, werden Aluminiumrahmen häufig verwendet, um 3D-gedruckte Kunststoff-Formeinsätze gegen den Druck und die Hitze des Spritzgussvorgangs abzustützen. Ohne einen solchen Rahmen ist es wahrscheinlicher, dass sich Formen bei fortgesetzter Verwendung verziehen, aber konforme Kühlkanäle können einfacher in die Kunststoffform integriert werden. Wenn Sie jedoch zunächst eine Form aus Metall in 3D drucken, müssen Sie sich darüber keine Sorgen machen.

Druckguss ist ein Verfahren, das dem Spritzgießen sehr ähnlich ist, außer dass geschmolzener Kunststoff durch geschmolzenes Metall ersetzt wird. Das flüssige Metall wird mit hohem Druck in eine Metallform (in diesem Fall eine Form) eingespritzt, die die Hohlräume der Form füllt und zu einem Metallteil aushärtet. Druckguss wird üblicherweise für große Mengen kleiner bis mittelgroßer Teile eingesetzt. Druckguss wird beispielsweise für Gürtelschnallen und Automotoren verwendet.

Ein Druckgusseinsatz mit integrierten Kühlkanälen, 3D-gedruckt von Exco Engineering. Bild mit freundlicher Genehmigung von Exco Engineering.

Der 3D-Druck von Formen bietet viele der gleichen Vorteile wie die Herstellung von Spritzgussformen mit AM: schnelle Durchlaufzeiten und die Möglichkeit, komplexe Geometrien herzustellen. Der 3D-Druck kann viel kostengünstiger sein, wenn die Matrize für die Kleinserienproduktion verwendet wird.

Im Allgemeinen müssen Gussformen aus Metall bestehen, um der hohen Hitze und dem hohen Druck des Druckgussverfahrens standzuhalten, was bei einigen Feingusstechniken nicht unbedingt der Fall ist. Unternehmen, die sich auf Matrizen und Einsätze für den 3D-Druck (zur Modifizierung von Matrizen und Formen) spezialisiert haben, berichten, dass sie Schwierigkeiten bei der Auswahl der richtigen Materialien haben. Das kanadische Unternehmen Exco Engineering hat bei 3D-gedruckten Formen aus H13 aufgrund der hohen Porosität und Rissbildung manchmal Maraging-Stahl gegenüber H13-Werkzeugstahl (der normalerweise eher für den herkömmlichen Druckguss verwendet wird) gewählt. Wie wir jedoch in einem zukünftigen Beitrag besprechen werden, gibt es Technologien, die die Möglichkeit eröffnen, mehrere Metalle zu verwenden, um bestimmte Ergebnisse für 3D-gedruckte Formen zu erzielen.

In den folgenden Artikeln dieser Serie werden wir einige der Vorteile von 3D-gedruckten Formen und Matrizen für Spritzguss und Druckguss sowie einige der spezifischen verwendeten AM-Prozesse und einige spezifische Anwendungen beleuchten.

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