Was kann der 3D-Druck dem Formenbau bringen?

Traditionell wurden die am weitesten verbreiteten Produktionsprozesse in der Industrie in zwei Hauptgruppen eingeteilt: subtraktive Fertigung, hauptsächlich vertreten durch CNC-Bearbeitung, und formgebende oder formgebende Fertigung, vertreten durch Spritzgießen und Feinguss. Beide Gruppen haben bis heute nebeneinander existiert, und die Wahl zwischen einer oder der anderen hängt hauptsächlich von der Komplexität des Teils, dem gewählten Material oder dem Fertigungsvolumen ab.

In letzter Zeit hat sich in der Industrie eine dritte Gruppe einen Platz erobert, bis sie neben den beiden vorherigen existiert: additive Fertigung oder 3D-Druck. Mit Ausnahme sehr spezifischer Fälle oder sehr spezifischer Anwendungen unterstützen derzeit sowohl subtraktive als auch additive Fertigung eine große Anzahl gemeinsamer Materialien und sind in der Lage, sehr komplexe Teile herzustellen. Daher basiert die Auswahl zwischen beiden oft hauptsächlich auf den Produktionskosten.

Bild 1: Einheitskostenkurven basierend auf Produktionsvolumen. Quelle: 3Dhubs.com

In geringen oder mittleren Produktionsvolumen kann Spritzgießen nicht mit additiver Fertigung und CNC-Bearbeitung konkurrieren, hauptsächlich aufgrund hoher Abschreibungskosten für die Ausrüstung und der Notwendigkeit teurer Formen. Bei Massenproduktion ist das Spritzgießen jedoch der unbestrittene König.

Die Formgebung durch Spritzgießen erfordert die Herstellung von Formen für das Spritzgießen, und opferhafte Wachsnegative im Falle des verlorenen Wachsgusses, die wiederum auch Formen oder CNC-Methoden für ihre Herstellung erfordern. Und deshalb ist CNC-Bearbeitung auch bei Formgebungsprozessen durch Spritzgießen immer noch erforderlich, da sie traditionell die häufigste Methode bei der Herstellung von wiederverwendbaren Formen war.

Bild 2: Spritzgießform. Quelle: https://commons.wikimedia.org/

Bild 3: Wachsmuster für verlorenen Wachsguss. Quelle: https://commons.wikimedia.org/

Aber was kann 3D-Druck dem Formen bringen?

Investment Casting

Der verlorene Wachsguss besteht darin, eine Keramikbeschichtung auf ein opferhaftes Wachsmuster aufzutragen und es zu kalzinieren, um die Form auf diese Weise zu erhalten. Es handelt sich um ein Verfahren, das häufig bei der Herstellung von Gusseisen-Mechanikteilen aufgrund seiner hohen Präzision und der Möglichkeit, sehr komplexe Formen herzustellen, verwendet wird.

Der Hauptnachteil dieses Prozesses ist, dass die Form beim Entfernen des Teils zerstört wird, sodass für jedes Teil ein Wachsmuster und eine Form erstellt werden müssen.

Video 1: Investmentgussprozess. Quelle: Niagara Investment Castings

Zur Herstellung der Wachsmuster ist eine permanente Form erforderlich, die normalerweise aus Aluminium hergestellt und mit CNC bearbeitet wird. Dies bedeutet, dass die Kosten für geringe Produktionsvolumen in die Höhe schießen werden. Eine andere Alternative besteht darin, für Prototypen oder die Herstellung weniger Einheiten das CNC-Bearbeitung zu verwenden, aber obwohl die Kosten reduziert werden, erfordert es teure Ausrüstung und hat bestimmte Einschränkungen in Bezug auf komplexe Teile.

Dies ist der Bereich, in dem 3D-Druck einen Paradigmenwechsel bedeuten kann. Einerseits ermöglicht die Entwicklung neuer gießbarer Materialien sowohl für SLA- als auch für FDM-Drucke, traditionelle Wachsmuster durch 3D-gedruckte polymerische Modelle zu ersetzen. Dies bietet nicht nur Vorteile auf der Ebene der Produktionskosten der Modelle, sondern auch beim Einsparen von Zeit und Agilität bei der Einführung neuer Produkte oder der Korrektur von Fehlern. Darüber hinaus haben die von 3D-Druck hergestellten Modelle eine viel höhere Widerstandsfähigkeit gegen Wachs, was das Risiko ihres Bruchs oder das Auftreten von Fehlern beim Handling minimiert.

Heute haben praktisch alle Harzhersteller hochwertige gießbare Materialien wie Formlabs Gießharz oder Uniz ZWax. Dies hat dazu geführt, dass der 3D-SLA-Druck in einigen Sektoren wie der Schmuckindustrie, wo der Einsatz von Druckern wie Form 3 üblich ist, weitgehend den Einsatz von Wachs ersetzt hat.

Bild 3: 3D-gedruckte Schmuckmodelle für den Einsatz beim Investmentguss. Quelle: Formlabs

Trotzdem sind in anderen Bereichen wie der Industrie Wachsmuster immer noch üblich, vielleicht aufgrund der Notwendigkeit großer Modelle. Heute haben das Auftreten von Hochvolumen-3D-SLA-Druckern wie dem Form 3L oder UniZ zSLTV, sowie die Entwicklung von gießbaren Filamenten wie PolyCast, die Größenbeschränkung immer weniger relevant machen und dass die Industrie von den Vorteilen des Austauschs von 3D-Modellen gegen Wachsmuster profitieren kann.

Video 2: Verwendung des Polycast-Filaments. Quelle: Polymaker.

Die Herstellung von Wachsmustern unterliegt jedoch auch dem Diagramm in Abbildung 1 und erreicht einen Punkt, an dem die Kosten für die Herstellung von Wachsmustern mit einer Form rentabler sind als die Herstellung der Muster durch 3D-Druck. Und selbst hier hat der 3D-Druck viel zu bieten. Die niedrige Schmelztemperatur des Wachses bedeutet, dass traditionelle Aluminium- oder Stahlformen durch 3D-gedruckte Formen ersetzt werden können, was signifikante Einsparungen bei den wirtschaftlichen und zeitlichen Kosten bedeutet.

Bild 4: Form 3L. Quelle: Formlabs

Spritzgießen

Spritzgießen ist ein formgebender Fertigungsprozess, bei dem Spritzgusskunststoff in eine abnehmbare Form gespritzt und darin abgekühlt und verfestigt wird.

Traditionell galt der Einsatz von 3D-Druck beim Bau von Spritzgussformen als undurchführbar. Dies lag hauptsächlich an zwei Gründen: der geringen thermischen Beständigkeit der in 3D-Druck verwendeten Polymere und der Oberflächenrauheit, die dem Metall-SLS-3D-Druck innewohnt.

Heute kann 3D-Druck CNC-bearbeitete Formen für das Spritzgießen nicht vollständig ersetzen, jedoch hat die Entwicklung von SLA-3D-Druckmaterialien mit hoher thermischer und mechanischer Beständigkeit die Tür für den Einsatz von 3D-gedruckten Formen geöffnet.

Ein Beispiel hierfür ist Formlabs High Temp Resin, das Temperaturen von fast 300 °C bei einem Druck von 0,45 MPa standhalten kann. Seine hohen thermo-mechanischen Eigenschaften zusammen mit der hohen Auflösung und dem ausgezeichneten Oberflächenfinish der SLA-Technologie machen es zu einem idealen Material für die Herstellung von Formen.

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

Aus diesem Grund kann 3D-Druck eine ausgezeichnete Ergänzung bei der Herstellung von Spritzgussformen sein. Einerseits ermöglicht es die Produktion wirtschaftlicher Formen für Kurzserien, und andererseits hilft es, das Design der Metallformen vor ihrer Bearbeitung zu überprüfen. Letzteres ist von großer Bedeutung, da die Korrektur eines Defekts in einer bearbeiteten Form Schleifprozesse und sogar die komplette Bearbeitung einer neuen Form erfordert, was zu erheblichen Kostensteigerungen und Verzögerungen bei der Produktion führt.

Silikon- und Thermoformformen

Silikon- und Thermoformformen sind einteilige Formen, die in Backwaren, Kochen, Schmuck oder Kosmetika weit verbreitet sind.

Es handelt sich um sehr wirtschaftliche Formen und um sehr einfache Herstellung. Sie sind flexibel oder halbflexibel, um das Entformen zu erleichtern, hauptsächlich verwendet mit nicht schmelzenden oder niedrigschmelzenden Materialien wie Schokolade, Harzen, Zementen usw.

Bild 6: Silikonformen. Quelle: Wikipedia

Sie sind vielleicht die häufigste Art von Form, die wir alle schon einmal verwendet haben, zum Beispiel zur Herstellung von Eiswürfeln, Schokoladen oder Muffins.

Bild 7: Thermoformform. Quelle: Mayku

Ihr Einsatz beschränkt sich jedoch nicht auf hausgemachte Backwaren, sondern sie werden weit verbreitet in der Schmuckherstellung verwendet, um Harzschmuckkomponenten herzustellen, oder in Kunst und Dekoration, um Elemente aus Zement und Gips herzustellen.

Auch wenn ihre Herstellung sehr einfach ist, ist der einzige Weg, die Formen herzustellen, ein Originalmodell zu haben, das als Vorlage verwendet werden kann, und hier wird der 3D-Druck nützlich.

3D-Druck bietet die Möglichkeit, individuelle Modelle schnell und kostengünstig zu erhalten, die als Vorlage bei der Herstellung von Silikon- und Thermoformformen verwendet werden können. Dies zusammen mit der Verfügbarkeit von preiswerten Thermoformgeräten wie dem Mayku Formbox, macht es kleinen Konditoreien, Juwelieren und Kunsthandwerkern möglich, ihre eigenen individuellen Formen einfach und kostengünstig herzustellen, was ihren Produkten einen Mehrwert verleiht.

Video 3: Thermoformen mit Mayku Formbox. Quelle: Mayku.

3D-Druck ist nicht nur ein nützliches Mittel, um die Kosten in geringen Produktionsvolumina zu senken, sondern auch in großen Produktionen, wo der Einsatz von Formen unerlässlich ist, hat sich der 3D-Druck als sehr nützliche Technologie erwiesen, die bei ihrer Herstellung helfen oder in einigen Fällen sie sogar ersetzen kann.