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THE 3D PRINTING SOLUTIONS COMPANY

Von Lior Zonder, Applications Team Leader und Nadav Sella, Solutions Sales Manager, Global Field Operations

EINFÜHRUNGBeim Spritzgussverfahren wird Kunststoff in eine Form eingespritzt, in der dieser abkühlt und beim Aushärten die entsprechende Form annimmt. Dieses Verfahren eignet sich hervorragend für die Herstellung hochpräziser, meist komplexer dreidimensionaler Bauteile und Endprodukte in großen Stückzahlen. Die Entwicklung und Fertigung der Werkzeugformen für dieses Verfahren ist jedoch aufwendig sowie sehr kosten- und zeitintensiv. Die allgemeine werkzeugbasierte Fertigung kann unterteilt werden in Hard- und Soft-Tooling. Die Hard Tooling-Werkzeuge werden in der Regel durch Fräsen oder Erodieren aus Werkzeugstahl hergestellt. In der Serienproduktion können diese Formen Millionen von Zyklen aushalten. Allerdings kosten sie oft zwischen zehntausend und mehreren hunderttausend Euro. Außerdem müssen für ihre Herstellung nicht Tage oder Wochen, sondern bis zu mehreren Monate eingeplant werden.

Präzisionsprototyping: D I E B E D E U T U N G V O N 3 D - G E D R U C K T E N F O R M E N F Ü R D I E S P R I T Z G U S S B R A N C H E

Wenn Spritzgussteile in fünfstelliger Stückzahl

hergestellt werden müssen, kann Soft-Tooling

verwendet werden. Das Werkzeug wird in

diesem Fall aus Aluminium gefertigt und kann

kostengünstiger (rund 2.500 bis 25.000 Dollar) und

schneller (2 bis 6 Wochen) produziert werden.

Die Herstellung von Werkzeugformen wird jedoch

oft durch mögliche Entwicklungsfehler erschwert,

so dass eine Korrektur der Form erforderlich ist

oder durch Konstruktionsänderungen mehrere

Formen gefertigt werden müssen, bis die finale

Konstruktion und Qualität erreicht sind. Aus

diesem Grund nutzen immer mehr Hersteller

3D-gedruckte Werkzeugformen für funktionale

Spritzguss-Prototypen.

MIT POLYJET 3D-GEDRUCKTE

FORMEN: DIE ALTERNATIVE

DER ZUKUNFT

Die PolyJet-Technologie ist ein exklusives

3D-Druckverfahren, das durch Objet™ 3D-

Drucker von Stratasys® ermöglicht wird. Dank

dieses Verfahrens können Unternehmen schnell

und einfach Spritzgussformen hausintern

herstellen. Mit der PolyJet-Technologie werden

dreidimensionale Objekte erstellt, indem flüssiges

Photopolymer in der gewünschten Anordnung

schichtweise aufgetragen wird. Anschließend wird

der Kunststoff mithilfe von UV-Licht ausgehärtet.

Nach der vollständigen Aushärtung können

die Formen sofort für das Spritzgussverfahren

verwendet werden, um Prototypen aus

dem gleichen Material wie das Endprodukt

herzustellen. Mithilfe dieser hochgenauen

Prototypen können Hersteller realitätsgetreue

Leistungswerte sammeln, die denen des

Endprodukts entsprechen.

PolyJet-Spritzgussformen sind nicht dafür aus-

gelegt, Soft-Tooling oder Hard-Tooling bei

mittleren und großen Produktionsmengen zu

ersetzen. Sie bilden die Brücke zwischen Soft-

Tooling Werkzeugen und 3D-gedruckten Proto-

typen. In der folgenden Tabelle (Abbildung 1) wird

die Nische in der Prototypentwicklung verdeut-

licht, die von der PolyJet-Technologie ausgefüllt

wird.

Präzisionsprototyping: DIE BEDEUTUNG VON 3D-GEDRUCKTEN FORMEN FÜR DIE SPRITZGUSSBRANCHE

PRÄZISIONSPROTOTYPING / 2

Wichtige Merkmale für PolyJet-Werkzeug:

• Die Vorkosten für die Herstellung einer PolyJet-Werkzeugform sind relativ gering. Allerdings eignen sich PolyJet-Formen, je nach verwendetem thermoplastischen Kunststoff und Komplexität der Form, am besten für Serien bis zu 100 Teilen. Daher liegen die Stückkosten im mittleren Bereich.

• Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, bei denen die Herstellung von Formen Tage oder Wochen in Anspruch nimmt, können PolyJet-Formen relativ schnell innerhalb von Stunden produziert werden.

• Im Fall von Designänderungen können neue Varian- ten der Form hausintern kostengünstig gefertigt wer-den. Berücksichtigt man zudem die Geschwindigkeit des PolyJet 3D-Druckverfahrens, so sind Designern und Konstrukteuren keine Grenzen gesetzt.

• Spritzgussformen aus dem Material Digital ABS können in Schichten mit einer Stärke von 30 Mikron und einer Genauigkeit von bis zu 0,1 mm gefertigt werden.

• Komplexe Geometrien, dünne Wände und aufwändige Details können in der Formkonstruktion problemlos programmiert werden. Und: Diese komplexen Formen sind in der Herstellung nicht teurer als einfachere Formen.

• Für die Fertigung von PolyJet-Formen ist kein Vorprogrammieren erforderlich. Nachdem die CADKonstruktion in die 3D-Druckersoftware geladen ist, kann der Druckvorgang ohne manuelle Eingriffe ausgeführt werden.

• Die Fertigungszeit für ein Bauteil mithilfe einer PolyJet- Form ist relativ kurz, wenn auch nicht so kurz wie beim herkömmlichen Spritzgussverfahren.

Mit der PolyJet-Technologie werden drei-dimensionale Objekte erstellt, indem flüssiges Photopolymer in der gewünschten Anordnung schichtweise aufgetragen wird.

HERSTELLUNGSVERFAHRENFÜR PROTOTYPEN

OptimaleStückzahl

Material desPrototypen

Durchschnittskosten pro Werkzeug

Durch-schnittskosten

pro Bauteil

3D-Druck* 1-10 FDM- oder Poly-Jet-Kunststoffe

kA Hoch

Fräsen 1 – 100 Thermoplaste kA Hoch

Silikongießen 5 – 100 Duroplast Gering Mittel

Spritzguss mit 3D-gedrucktem PolyJet- Werkzeug

10 – 100 Thermoplaste Gering Mittel

Spritzguss mit Soft-Tooling 100 – 20,000+ Thermoplaste Hoch Gering

Abbildung 1: Die Eigenschaften des PolyJet-Drucks im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren

* Im FDM- und Lasersinterverfahren zur Prototypenherstellung werden thermoplastische Kunststoffe verwendet. Ihre mechanischen Eigenschaften entsprechen allerdings nicht den Eigenschaften eines Bauteils, das im Spritzgussverfahren gefertigt wurde. Das liegt zum einen an den verschiedenen Herstellungsverfahren, zum anderen daran, dass für FDM- oder Lasersinter-Prototypen andere Materialien verwendet werden als für die mittels Spritzgussverfahren hergestellten Endprodukte.



MATERIALAUSWAHL

Entscheidend für den Erfolg beim

Spritzgussverfahren mit PolyJet-Formen ist die

Auswahl des richtigen Materials.

Für das Drucken von Spritzgussformen ist

Digital ABS die erste Wahl. Das Material

vereint Stabilität und Belastbarkeit mit hoher

Temperaturbeständigkeit. Auch andere feste

PolyJet- Materialien wie z. B. FullCure®720

und die Vero-Familie eignen sich gut für

Spritzgussformen. Wenn allerdings Bauteile mit

komplexen Geometrien gefertigt werden sollen,

haben Formen aus diesen Materialien eine kürzere

Lebensdauer als Formen aus Digital ABS.

Für die Herstellung von Spritzgussteilen sind am

besten Materialien geeignet, die für entsprechende

Verfahrenstemperaturen (< 300°C) ausgelegt sind

und gute Fließeigenschaften aufweisen. Optimale

Kunststoffe sind:

• Polyethylen (PE)

• Polypropylen (PP)

• Polystyren (PS)

• Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)

• Thermoplastische Elastomere (TPE)

• Polyamid (PA)

• Polyoxymethylen oder Acetal (POM)

• Polycarbonat-ABS-Mischung (PC-ABS)

• Glasfaserverstärktes Polypropylen oder Harz (G)

Kunststoffe mit hohen Verarbeitungstemperaturen

ab 250°C oder mit hoher Viskosität bei Ver-

arbeitungstemperatur verkürzen die Lebensdauer

der Form. In einigen Fällen mindern diese sogar

die Qualität des fertigen Bauteils.

• Polyethylen (PE)• Polypropylen (PP)• Polystyren (PS)• Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)• Thermoplastische Elastomere (TPE)

• Glasfaserverstärktes Polypropylen oder Harz (PP+G)• Polyamid (PA)• Acetal (Polyoxymethylen [POM])• Polycarbonat-ABS-Mischung (PC+ABS

• Glasfaserverstärktes Polyamid (PA+G)• Polycarbonat (PC)• Glasfaserverstärktes Acetal (POM+G)

• Glasfaserverstärktes Polycarbonat (PC+G)• Polyphenylenoxid (PPO)• Polyphenylensulfid (PPS)

Abbildung 2: Prognostizierte Stückzahl nach Materialklasse* *Die Zahlen sind abhängig von den Geometrien und Größen der Spritzgussbauteile.

A =

B =

C =

D =



In der Abbildung 2 unten wird die relative Stück-

zahl aufgeführt, die mithilfe verschiedener

Verfahren hergestellt werden kann. Außerdem

ermöglicht die folgende Kosten-Nutzen-

Analyse einen aufschlussreichen Vergleich von

Spritzgussverfahren mit PolyJet-Werkzeugformen

gegenüber Aluminiumformen.

Wie aus der Tabelle unten (Abbildung 3) hervor-

geht, können beachtliche Zeiteinsparungen von

einigen Tagen bis hin zu mehreren Wochen

realisiert werden. Zudem sind die Herstellungs-

kosten für die Werkzeugformen in der Regel

zwischen 40 und 75 % niedriger.

Abbildung 3: Kosten-Nutzen-Analyse zu Herstellungszeit und -kosten (im Vergleich zu Aluminiumformen)

ALUMINUM DIGITAL ABS

KOSTEN LIEFERZEIT KOSTEN* LIEFERZEIT KOMPONENTEN

Digital ABS-Form mit dem spritzgegossenenPOM-Propellerteil

$1,670 7 Tage $1,000 24 Stunden • Objet500 Connex• 810 g RGD535• 1408 g RGD515• 100 g Stützmaterial

Sechs Eislöffel aus PP

$1,400 30 Tage $396 7 Stunden • Objet260 Connex• 400 g RGD535• 480 g RGD515• 100 g Stützmaterial

Digitale ABS-Form zur Herstellung eines Deck-els mit Gewinde

$1,900 4 Tage $614 13 Stunden • Objet350 Connex• 500 g RGD535 • 876 g RGD515 • 100 g Stützmaterial

* Die Druckkosten wurden auf folgende Weise berechnet: Materialkosten + Druckdauer x Druckkosten pro Stunde und verwendetem System. Die Druckkosten pro Stunde wurden auf Grundlage von durchschnittlich 17 Arbeitsstunden pro Tag berechnet.



PRAXISTESTS

Gemeinsam mit dem Unternehmen Nypro

Healthcare aus Bray, Irland, einem weltweit

agierenden Hersteller von Präzisionsprodukten

aus Kunststoff für das Gesundheitswesen und

die Verpackungsbranche, hat Stratasys eine

Reihe von Funktionstests von Kerngehäusen und

Formhohlräumen durchgeführt. Zu den wichtigen

Merkmalen der Prototypen gehören u. a.:

• Zahnräder

• Schaltklinken

• Verzahnte Komponenten

• Verriegelungen

Im Rahmen dieser Tests wurden ABS-Muster-

modelle mithilfe einer einzigen PolyJet-Form aus

Digital ABS hergestellt. Dabei wurden Parameter

wie Maximaldruck, Ausgleichsmengen sowie die

Temperatur des Kerns und in den Hohlräumen

gemessen.

In der folgenden Tabelle sind die Parameter des

Spritzgussverfahrens aufgeführt, mit denen die

ersten 25 Einspritzvorgänge nach Optimierung der

Form durchgeführt wurden. Abbildung 4: ABS-Testdaten für Spritzgussteile von Nypro

ABS – PROZESSPARAMETER, 12. JUNI 2013

EIN-SPRITZ-VOR-GANG #

TEMPERA- TUR DÜSEN- SEITE (°C)

TEMPERA-TUR AUSWER-FERSEITE (°C)

EINSPRITZ- DRUCK (BAR)

AUS- GLEICHS-MENGE (MM)

1 54,3 59 880 9,19

2 18,1 38,1 887 9,12

3 51,2 42 892 9,21

4 48,4 37,9 894 9,2

5 49,0 40,5 896 9,18

6 49,6 38,2 894 9,24

7 49,6 39,8 897 9,25

8 50,9 37,6 891 9,15

9 53,9 38,1 894 9,17

10 53,6 40,2 884 9,14

11 54,8 44,0 890 9,27

12 53,3 40,8 882 9,26

13 55,1 41,8 884 9,24

14 53,1 41,7 884 9,07

15 57,0 42,1 897 9,22

16 48,2 43,7 893 9,19

17 52,7 41,9 891 9,22

18 55,4 42,3 882 9,15

19 55,7 42,9 884 9,2

20 56,3 47,9 884 9,26

21 57,3 46,8 886 9,29

22 55,1 47,6 882 9,23

23 56,2 43,6 885 9,23

24 55,1 45,2 884 9,19

25 57.5 47.1 882 9.22



Die Tests haben die Stabilität der Form

nachgewiesen. Kriterien dafür sind der konstante

Einspritzdruck, die Ausgleichsmenge und eine

Temperatur, die bei Beachtung der empfohlenen

Formkühlungsmethode 58°C nicht übersteigt.

Darüber hinaus bewertete Nypro die Qualität der

Spritzgussprototypen als „gut“.

So bewertet Nypro die Tests: „Abschließend

lässt sich feststellen, dass die Versuchsreihe im

Spritzgussverfahren sehr erfolgreich verlief …

Das 3D-Druckverfahren für Kerngehäuse und

Formhohlräume bietet Vorteile hinsichtlich

Zeit, erster Funktionalitätsbewertungen und

Herstellungskosten.“

Abbildung 5: Von Nypro gefertigte Komponente zum Testen von Spritzgussbauteilen aus einer PolyJet-Form

Abbildung 6: Fertiges Mustermodell



EMPFOHLENE

VORGEHENSWEISEN

Die Konstruktion von Spritzgussformen ist eine

Wissenschaft für sich. Jahrelange Erfahrung

und ein umfassendes Verständnis des Spritz-

gussverfahrens sind dafür Voraussetzung. Auch

wenn die grundlegenden Entwurfsüberlegungen

für die Fertigung und Verwendung einer PolyJet-

Form denen für eine herkömmlich hergestellte

Form entsprechen, sind verschiedene Unter-

schiede zu beachten. Werkzeugkonstrukteure

müssen bei der Herstellung einer PolyJet-

Werkzeugform folgendes beachten:

1. ENTWURF DER WERKZEUGFORM

• Berechnen Sie die Winkel der Entformungsschrä-ge so groß, wie unter Berücksichtigung des Bauteildesigns möglich. Dadurch wird die Entformung vereinfacht und die dabei auftretende Belastung des Werkzeugs verringert.

• Vergrößern Sie die Einspritzöffnung, um die Schubbeanspruchung zu verringern.

• Die Einspritzöffnung sollte so positioniert sein, dass der Kunststoff beim Ausfüllen von Hohlräumen keine kleinen bzw. dünnen Komponenten der Form belastet.

• Vermeiden Sie Tunnel- und Punktangüsse. Verwenden Sie stattdessen direkten oder seitlichen Anguss.

Abbildung 7: PolyJet-Spritzgussform aus Digital ABS mit einem Bauteil aus 20-prozentigem GF-Nylon

Abbildung 8: PolyJet-Formeinsätze an der Spritzgussmaschine. Links die Auswerferseite, rechts die Düsenseite.



2. 3D-DRUCK DER FORM

Um die Vorteile des PolyJet 3D-Drucks optimal

zu nutzen, wird die Beachtung dieser Richtlinien

empfohlen:

• Führen Sie den Druck im Glanzmodus aus, um eine glatte Oberfläche zu gewährleisten.

• Richten Sie das Bauteil in der Objet Studio™-Software aus, um möglichst glatte Oberflächen zu erhalten.

• Richten Sie die Form so aus, dass die Fließrichtung des Polymers der Druckrichtung entspricht.

3. NACHBEARBEITUNG DER FORM

Ein bedeutender Vorteil von PolyJet-Formen

liegt darin, dass diese innerhalb von Stunden

entworfen, gefertigt und verwendet werden

können. Für die meisten Formen ist nach der

Fertigung nur geringe oder keine Nachbearbeitung

nötig. Folgende Umstände können allerdings

Nachbearbeitungen erfordern:

• Die Form soll an einem Entformungssystem angebracht werden.

• Um eine präzise Passung zwischen den Auswerferstiften und den zugehörigen Öffnungen zu gewährleisten, programmieren Sie die Öffnungen in der STL-Datei, aber reduzieren ihren Durchmesser um 0,2 - 0,3 mm. Wenn die Form ausgehärtet ist, werden die Öffnungen auf die genaue Größe aufgerieben.

• An einer Basis müssen Einsätze angebracht werden.

• Oberflächen müssen nachgeglättet werden.

Abbildung 9: Entformungssystem mit 3D-gedruckter Form

Abbildung 10: Richten Sie das Bauteil in der Objet Studio-Software aus, um möglichst glatte Oberflächen zu erhalten. OBEN: Wenn die Form in der Y-Achse ausgerichtet ist, werden die Gewindegänge durch Stützmaterial konfiguriert. UNTEN: Wenn die Form in der Z-Achse ausgerichtet ist, werden die Gewindegänge automatisch ohne Stützmaterial konfiguriert.



In manchen Fällen ist ein vorsichtiges Schleifen von

Oberflächen, die quer zur Formöffnung verlaufen,

zu empfehlen. Wenn z.B. eine Form mit großem

Kern verwendet wird, kann die Entformung des

Bauteils durch geringfügiges Glätten vereinfacht

werden.

4. MONTAGE

• Eigenständige Formen (die nicht auf einem Gestell befestigt werden) können direkt auf Standard- oder Maschinenstahl-Tragscheiben montiert werden. Wir empfehlen eindringlich die Verwendung von Stammformen, in die die gedruckten Einsätze eingelegt werden.

• Formeinsätze wie in Abbildung 8 werden mithilfe von Bolzen auf einer Grundform angebracht.

Unabhängig von der Montageoption muss ein

direkter Kontakt zwischen Düse und gedruckter

Form mithilfe einer Angussbuchse verhindert

werden. Alternativ kann der Einguss der Form an

dem Anguss auf einer herkömmlichen Stahlplatte

zentriert werden.

Abbildung 11: Nachbearbeitung einer Formkomponente

PolyJet-Formen sind einzigartig, da sie vergleichbare Leistung wie Metallformen erbringen, jedoch wesentlich kostengünstiger sind sowie schneller und einfacher hergestellt werden können.

Abbildung 12: Eigenständige Form, an den Tragscheiben der Maschine befestigt



5. SPRITZGUSSVERFAHREN

Bei der ersten Verwendung der PolyJet-Form wird

folgende Vorgehensweise empfohlen:

• Beginnen Sie mit einer geringen Füllmenge und einer niedrigen Einspritzgeschwindigkeit. Es ist kein Nachteil, wenn der Füllvorgang lange dauert, da der Kunststoff erst bei Einspritzung in die Form einfriert. Erhöhen Sie die Füllmenge, bis die Aussparung zu etwa 90 bis 95 % gefüllt ist.

• Verwenden Sie während des Nachdrückens 50 bis 80 % des Einspritzdrucks und passen Sie die Nachdruckzeit entsprechend an, um Einfallstellen zu vermeiden.

• Verwenden Sie als Anfangswert den normal berechneten Schließkraftwert ( Einspritzdruck x geplanter Bauteilbereich).

• PolyJet-Formen besitzen nur eine geringe Wärme-leitfähigkeit, sodass längere Abkühlzeiten nötig sind.

Planen Sie für kleine oder dünne Bauteile (mit einer Wandstärke von max. 1 mm) eine Abkühlzeit von 30 Sekunden ein, und passen Sie diese Zeit nach Bedarf an. Für große Bauteile (mit einer Wandstärke ab 2 mm) planen Sie eine Abkühlzeit von 90 Sekunden ein und passen diese Zeit nach Bedarf an. Die Abkühlzeit ist ebenso vom Typ des verwendeten Kunststoffharzes abhängig.

• Es wird empfohlen, so geringfügig wie möglich zu kühlen, um ein übermäßiges Schrumpfen des Bauteils im Bereich der gedruckten Kerne zu vermeiden. Übermäßiges Abkühlen kann die Form beim Entformen belasten und zu Fehlern führen.

• Es ist wichtig, nach jedem Spritzgusszyklus die Oberfläche der Form durch Druckluft zu kühlen. So werden die Bauteilqualität und die Lebensdauer der Form bewahrt. Wahlweise können auch automatisierte Abkühlvorrichtungen verwendet werden..

Abbildung 13: Formeinsätze, mit Maschinenschrauben an einer Standardstahlbasis befestigt

Abbildung 14: An der Form montierte Abkühlvorrichtung. Mit Öffnen der Form wird für eine bestimmte Zeit Druckluft gegen die Oberfläche geblasen.




FAZIT

Dank 3D-gedruckter PolyJet-Werkzeugformen

können Hersteller Produktprototypen mit dem

Spritzgussverfahren und aus den Materialien

fertigen, die auch für das Endprodukt

verwendet werden. So sind umfangreiche

und aussagekräftige Funktionstests möglich.

Unternehmen können mithilfe dieser

Technologie erste Leistungsdaten sammeln und

Zertifizierungsprozesse optimieren.

PolyJet-Formen sind einzigartig, da sie

vergleichbare Leistung wie Metallformen

erbringen, jedoch wesentlich kostengünstiger sind

sowie schneller und einfacher hergestellt werden

können. Die PolyJet-Technologie ermöglicht es

Herstellern, Prototypen wesentlich günstiger und

schneller zu fertigen als mit dem herkömmlichen

Verfahren. Dank 3D-Druck können Leistung,

Passgenauigkeit und Qualität des geplanten

Produkts vor Beginn der Serienproduktion einfach

geprüft werden.

Zertifiziert nach ISO 9001:2008©2015 Stratasys Ltd. Alle Rechte vorbehalten. Stratasys, Stratasys logo, Digital Materials, PolyJet sind Marken oder eingetragene Handelsmarken von Stratasys Ltd. und/oder seinen Tochtergesellschaften oder Partnern und können in bestimmten Jurisdiktionen eingetragen sein. Fused Deposition Modeling und FDM Technology sind Handelsmarken von Stratasys Inc. Technische Produktdaten können ohne vorherige Ankündigung geändert werden. SSYS-WP-InjectionMolding-A4-10-15-DE

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OPTIMALE VERWENDUNG

Unter folgenden Bedingungen sind PolyJet-Formen optimal für eine Anwendung geeignet:

Thermoplaste:• Moderate Einspritztemperaturen von < 300°C• Gutes Fließverhaltenr• Optionen:-- Polyethylen (PE)-- Polypropylen (PP)-- Polystyren (PS)-- Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)-- Thermoplastische Elastomere (TPE)-- Polyamid (PA)-- Polyoxymethylen oder Acetal (POM)-- Polycarbonat-ABS-Mischung (PC-ABS)-- Glasfaserverstärkte Harze

Menge:• Low quantities (5 to 100)

Größe:• Mittelgroße Bauteile < 165 cm3• Spritzgießmaschinen zwischen 50 und 80 t• Verwendung manueller Handpressen möglich

Design:• Es sind mehrere Designänderungen erforderlich.

Tests:• Es sind Funktionalitätstests erforderlich.• Es sind Compliance-Tests (z. B. UL oder CE) erforderlich.

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