Was kann der 3D-Druck dem Formenbau bringen?

Traditionell werden die in der Industrie am häufigsten verwendeten Produktionsverfahren in zwei Hauptgruppen eingeteilt: die subtraktive Fertigung, die hauptsächlich durch die CNC-Bearbeitung repräsentiert wird, und die formative Fertigung oder das Umformen durch Gießen, die durch das Spritzgießen und das Wachsausschmelzverfahren vertreten wird. Beide Gruppen haben bis heute koexistiert, und die Wahl der einen oder der anderen hing hauptsächlich von der Komplexität des Teils, dem gewählten Material oder dem Fertigungsvolumen ab.

In letzter Zeit hat eine dritte Gruppe eine Lücke in der Branche aufgetan, um neben den beiden vorherigen zu existieren: die additive Fertigung oder der 3D-Druck. Außer in sehr speziellen Fällen oder bei sehr spezifischen Anwendungen unterstützen heutzutage sowohl die subtraktive als auch die additive und die formative Fertigung eine große Anzahl gängiger Materialien und sind in der Lage, hochkomplexe Teile herzustellen. Deshalb ist oft das Kriterium für die Auswahl des einen oder des anderen hauptsächlich auf die Produktionskosten bezogen.

Bild 1: Stückkostenkurven in Abhängigkeit von der Produktionsmenge. Quelle: 3Dhubs.com

Bei niedrigen bis mittleren Produktionsvolumina kann die Formgebung nicht mit der additiven Fertigung und der CNC-Bearbeitung konkurrieren, vor allem wegen der hohen Amortisationskosten der Anlagen und der Notwendigkeit von teuren Formen. Wenn es jedoch um die Massenproduktion geht, ist das Formen der unangefochtene König.

Die Formgebung erfordert die Herstellung von Formen für das Spritzgießen und von Opferwachsnegativen beim Wachsausschmelzverfahren, die ihrerseits ebenfalls Formen oder CNC-Verfahren zu ihrer Herstellung benötigen. Und deshalb ist die CNC-Bearbeitung auch im Formenbau immer noch notwendig, denn sie ist traditionell die gängigste Methode bei der Herstellung von wiederverwendbaren Formen.

Bild 2: Form für Spritzguss. Quelle: https://commons.wikimedia.org/

Bild 3: Wachsmodell für Wachsausschmelzverfahren. Quelle: https://commons.wikimedia.org/

Doch was kann der 3D-Druck für den Formenbau leisten?

Wachsausschmelzverfahren

Beim Wachsausschmelzverfahren wird eine keramische Beschichtung auf ein Opferwachsmodell aufgetragen und kalziniert, um die Form zu erhalten. Es ist ein Verfahren, das aufgrund seiner hohen Präzision und der Tatsache, dass es die Herstellung hochkomplexer Formen ermöglicht, bei der Herstellung mechanischer Gießereikomponenten weit verbreitet ist.

Der Hauptnachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Form beim Herausnehmen des Teils zerstört wird, so dass für jedes Teil ein Wachsmodell und eine Form erstellt werden müssen.

Video 1: Wachsausschmelzverfahren. Quelle: Niagara Feinguss

Zur Herstellung der Wachsmodelle wird eine Dauerform benötigt, die in der Regel aus Aluminium CNC-gefräst wird. Das bedeutet, dass bei geringen Produktionsmengen die Kosten sehr hoch sind. Eine weitere Alternative ist die Verwendung von CNC-Bearbeitung zur Herstellung der Wachsmodelle im Falle von Prototypen oder der Produktion von wenigen Einheiten, aber obwohl die Kosten reduziert werden, erfordert dies teure Ausrüstung und hat gewisse Einschränkungen in Bezug auf komplexe Teile.

Hier kann der 3D-Druck einen Paradigmenwechsel darstellen. Einerseits ermöglicht die Entwicklung neuer kalzinierbarer Materialien sowohl für den SLA- als auch für den FDM-Druck, traditionelle Wachsmodelle durch 3D-gedruckte Polymermodelle zu ersetzen. Das bedeutet eine Reihe von Vorteilen, nicht nur in Bezug auf die Produktionskosten der Modelle, sondern auch in Bezug auf Zeitersparnis und Agilität bei der Einführung neuer Produkte oder der Korrektur von Fehlern. Darüber hinaus haben durch 3D-Druck hergestellte Modelle eine viel höhere Widerstandsfähigkeit als Wachsmodelle, wodurch die Möglichkeit, dass sie bei der Handhabung brechen oder Defekte verursachen, minimiert wird.

Heutzutage verfügen fast alle Harzhersteller über hochwertige gießbare Materialien wie das gießbare Harz von Formlabs oder das ZWax von Uniz. Dies hat dazu geführt, dass der SLA-3D-Druck die Verwendung von Wachs in einigen Bereichen wie der Schmuckherstellung, wo Drucker wie der Form 3 häufig eingesetzt werden, weitgehend ersetzt hat.

Bild 3: 3D-gedruckte Schmuckmodelle für die Verwendung im Wachsausschmelzverfahren. Quelle: Formlabs

Trotzdem sind in anderen Bereichen, wie z. B. der Industrie, Wachsmodelle immer noch üblich, vielleicht wegen des Bedarfs an großen Modellen. Heute bedeutet das Aufkommen von hochvolumigen SLA-3D-Druckern wie dem Form 3L oder dem UniZ zSLTV sowie die Entwicklung von kalzinierbaren Filamenten wie PolyCast, dass die Größenbeschränkung immer weniger wird und dass die Industrie von den Vorteilen des Ersetzens von Wachsmodellen durch 3D-gedruckte Modelle profitieren kann.

Video 2: Verwendung von Polycast-Filament. Quelle: Polymaker.

Die Herstellung von Wachsmodellen unterliegt jedoch auch dem Graphen in Abbildung 1, wobei ein Punkt erreicht wird, an dem die Kosten für die Herstellung von Wachsmodellen mit Hilfe einer Form kostengünstiger sind als die Herstellung der Modelle durch 3D-Druck. Und auch hier kann der 3D-Druck eine Menge beitragen. Die niedrige Schmelztemperatur von Wachs bedeutet, dass herkömmliche Aluminium- oder Stahlformen durch 3D-gedruckte Formen ersetzt werden können, mit den damit verbundenen erheblichen Einsparungen an wirtschaftlichen und zeitlichen Kosten.

Bild 4: Formular 3L. Quelle: Formlabs

Spritzgießen

Das Spritzgießen ist ein formgebendes Herstellungsverfahren, bei dem geschmolzener Kunststoff unter Druck in eine herausnehmbare Form gespritzt wird und darin abkühlen und erstarren kann.

Bisher galt der Einsatz von 3D-Druck bei der Herstellung von Spritzgussformen als nicht praktikabel. Dafür gibt es zwei Hauptgründe: die geringe thermische Beständigkeit der im 3D-Druck verwendeten Polymere und die inhärente Oberflächenrauhigkeit des Metall-SLS-3D-Drucks.

Bis heute kann der 3D-Druck CNC-gefräste Spritzgussformen nicht vollständig ersetzen, jedoch hat die Entwicklung von 3D-Druck-SLA-Materialien mit hoher thermischer und mechanischer Beständigkeit die Tür für den Einsatz von 3D-gedruckten Formen geöffnet.

Ein Beispiel ist das High-Temp-Harz von Formlabs, das Temperaturen von fast 300 °C bei einem Druck von 0,45 MPa standhält. Seine hohen thermomechanischen Eigenschaften, gepaart mit der hohen Auflösung und exzellenten Oberflächengüte der SLA-Technologie, machen es zu einem idealen Material für den Formenbau.

Bild 5: Mit SLA-3D-Druck hergestellte Spritzgussform. Quelle: 3Dhubs

Aus diesem Grund kann der 3D-Druck eine hervorragende Ergänzung bei der Herstellung von Spritzgussformen sein. Einerseits ermöglicht es die Herstellung von kostengünstigen Formen für kleine Serien, andererseits hilft es, das Design von Metallformen vor der Bearbeitung zu verifizieren. Letzteres ist von großer Bedeutung, da die Korrektur eines Fehlers in einer bearbeiteten Form Schleifvorgänge und sogar die komplette Bearbeitung einer neuen Form erfordert, was einen erheblichen Kostenanstieg und eine Verzögerung der Produktion nach sich zieht.

Silikon und tiefgezogene Formen

Silikon- und Tiefziehformen sind einteilige Formen, die häufig beim Backen, Kochen, Schmuck oder in der Kosmetik verwendet werden.

Sie sind sehr wirtschaftlich und einfach zu fertigen. Sie sind flexibel oder halbflexibel, um die Entformung zu erleichtern, und werden hauptsächlich bei nicht schmelzenden oder bei niedrigen Temperaturen schmelzenden Materialien wie Schokolade, Harzen, Zementen usw. verwendet.

Bild 6: Silikonformen. Quelle: wikipedia

Sie sind vielleicht die gebräuchlichste Form, die wir alle schon einmal benutzt haben, zum Beispiel zur Herstellung von Eiswürfeln, Pralinen oder Cupcakes.

Bild 7: Tiefgezogene Form. Quelle: Mayku

Ihre Verwendung ist jedoch nicht auf das Backen zu Hause beschränkt, sondern sie werden häufig in der Schmuckindustrie zur Herstellung von Schmuckteilen in Harz oder in der Kunst und Dekoration zur Herstellung von Elementen in Zement und Gips verwendet.

Obwohl ihre Herstellung sehr einfach ist, ist die einzige Möglichkeit, die Formen herzustellen, die Verwendung eines Originalmodells als Vorlage, und hier wird der 3D-Druck nützlich.

Der 3D-Druck bietet die Möglichkeit, schnell und kostengünstig kundenspezifische Modelle zu erhalten, die als Vorlage für die Herstellung von Silikon- und Tiefziehformen dienen. Dies, zusammen mit der Verfügbarkeit wirtschaftlicher Thermoformgeräte wie der Mayku Formbox, ermöglicht es kleinen Bäckereien, Juwelieren und Handwerkern, ihre eigenen maßgeschneiderten Formen auf einfache und wirtschaftliche Weise herzustellen und ihren Produkten einen Mehrwert zu verleihen.

Video 3: Tiefziehen mit Mayku Formbox Quelle: Mayku

Der 3D-Druck ist nicht nur eine nützliche Ressource zur Kostenreduzierung bei geringen Produktionsmengen, sondern auch bei großen Produktionen, bei denen der Einsatz von Formen unverzichtbar ist, hat sich der 3D-Druck als eine sehr nützliche Technologie erwiesen, die bei deren Herstellung helfen oder sie in einigen Fällen sogar ersetzen kann.