3D-gedruckte Werkzeuge für den Bau von Prototypen

Bei Hans Geiger Spritzgießtechnik wurde der 3D-Druck für den Prototypenbau getestet: Durch den Einsatz von Kunstharz und das Entfallen von aufwendigem Fräsen und Härten erhält man erste Prototypen binnen sechs Stunden statt nach mehreren Tagen – eine Zeitersparnis von bis zu 90 Prozent. (Bildquelle: Ippicture/pixabay.com)

Spritzguss-Werkzeuge müssen enormen Belastungen standhalten. Aus diesem Grund werden bei der Produktion vor allem widerstandsfähige Metalle bevorzugt, was eine teure und zeitaufwendige Herstellung nötig macht. Für Großserien stellt dies kein Problem dar, mit tausenden von Einsätzen rechnen sich die Investitionskosten in kurzer Zeit. Doch vor allem für kleine Loszahlen oder Einzelstücke, die für die Erzeugung von Prototypen benötigt werden, stehen die Fixkosten in keinem Verhältnis – besonders, wenn der Prototyp nicht zur Auftragsgewinnung führt. Zudem spielt die Zeit eine immer größere Rolle. Eine Alternative bietet hier der 3D-Druck. Erste Versuche dazu wurden bereits bei Hans Geiger Spritzgießtechnik, Nürnberg, durchgeführt: Das Ergebnis sind deutliche Vorteile für Hersteller und Kunden.

Beschleunigung der Entwicklungs- und Testphase

Bisher nahm die Herstellung bei Geiger mehrere Tage in Anspruch. Mithilfe der additiven Fertigung konnte die Dauer auf lediglich 6 Stunden verkürzt werden: „Durch die hohe Zeitreduktion lässt sich viel früher testen, ob sich ein Objekt tatsächlich so spritzgießen lässt wie vorgesehen“, erklärt Hans Kolb, Prozessingenieur bei Geiger. Folglich können Werkzeughersteller so schnell testen, ob ein Prototyp voll funktionsfähig ist oder ob eventuelle Nachbesserungen notwendig sind. „Auch eine Funktionsprüfung, ein früher Testlauf mit serienähnlichen Mustern, ist durch den 3D-Druck schnell möglich“, ergänzt Kolb. Somit lassen sich Prototypen nicht nur auf ihre Funktionalität hin prüfen, auch eine frühe Design- und Materialauswahl kann somit getroffen werden. Mit der Beschleunigung geht eine Kostenminimierung von bis zu 70 Prozent einher, was das finanzielle Risiko bei der Prototypenherstellung stark reduziert und die attraktivere Preise ermöglicht: „Es kann zügig und einfach aufgezeigt werden, wie bestimmte Anforderungen gelöst werden können, ganz ohne immensen Zeit- und Kostenaufwand“, so Kolb. In der Ausschreibungsphase ist dies beispielsweise ein wesentlicher Vorteil.

Schnell und effizient: 3D-Druck mit Kunstharz

Durch die hohe Zeitreduktion bei der Herstellung kann viel früher getestet werden, ob sich ein Objekt tatsächlich so spritzgießen lässt wie vorgesehen. Auch eine Funktionsprüfung, ein früher Testlauf mit serienähnlichen Mustern, ist durch den 3D-Druck schnell möglich. (Bildquelle: shotput/pixabay.com)

Es gibt verschiedene Methoden, Werkzeuge im 3D-Druck herzustellen: So kann flüssiges Ausgangsmaterial Schicht für Schicht gehärtet oder Pulver punktuell geschmolzen werden. Beim Poly-Jet-Verfahren, wie es Geiger einsetzt, wird das Werkstück in Schichten aufgebaut. Zunächst werden kleine Tröpfchen auf eine Bauplattform gespritzt und mittels UV-Licht vernetzt. „Wir benutzen für den Druck Kunstharz. Die besten Ergebnisse haben wir mit Digital ABS erzielt, insbesondere bei komplexen Geometrien“, erläutert Kolb. Im Anschluss an die UV-Härtung wird das Stützmaterial in einem Wasserbad oder mit einem Wasserstrahl entfernt. Sofern notwendig, wird das gedruckte Werkstück von Hand nachbearbeitet.

Die Bauteile können direkt aus dem 3D-Drucker verwendet werden – ein Nachhärten ist nicht notwendig. Der Vorteil dabei ist, dass im Gegensatz zum Fräsen, Schneiden oder Gießen weniger Abfall anfällt, was die Materialkosten niedrig hält und die Entsorgung erleichtert. Die Präzision der Drucke liegt bei etwa 0,1 mm. „Nicht jedes kleinste Detail kann immer genau abgebildet werden, gelegentlich muss man ein Teil mechanisch nachbearbeiten“, erklärt Kolb. „Doch bei Prototypen liegt der Fokus nicht in erster Linie auf der Detailgenauigkeit, sondern vielmehr auf der Option, verschiedene Lösungsverfahren zu testen.“ Es besteht außerdem auch die Möglichkeit, fertige Teile direkt zur Ansicht zu drucken – in diesem Fall verwendet Geiger Polyamid mit Glasfaserverstärkung.

Für Thermoplast-Spritzgießwerkzeuge geeignet

Beim Poly-Jet-Verfahren wird das Werkstück in Schichten aufgebaut: Zunächst werden Kunstharz-Tröpfchen auf eine Bauplattform gespritzt und mittels UV-Licht vernetzt. Im Anschluss an die UV-Härtung wird das Stützmaterial in einem Wasserbad oder mit einem Wasserstrahl entfernt. Sofern notwendig, wird das gedruckte Werkstück von Hand nachbearbeitet. (Bildquelle: Hans Geiger Spritzgießtechnik)

Der 3D-Druck ist prinzipiell für alle Thermoplast-Spritzgießwerkzeuge geeignet, eventuell ist es jedoch ratsam, die Werkstücke teilweise mit Stahl oder Aluminium zu verstärken. Bei Geiger können Bauteile bis zu einer Größe von 165 cm³ gedruckt werden. Die so gedruckten Werkzeuge können in  Spritzgießmaschinen mit Schließkräften zwischen 100 und 800 kN verwendet werden. „Gewisse Zugeständnisse an Entformungsschrägen, Radien oder Geometrien der Teile müssen unter Umständen gemacht werden“, erklärt Kolb: „Es handelt sich hierbei schließlich um Prototypen, die für Testzwecke und mit Fokus auf einer kostengünstigen und schnellen Herstellung produziert werden, nicht um langlebige Werkzeuge.“ Je nach benutztem Material halten die Prototypen etwa 20 Zyklen lang. Die Teile werden nach CAD-Plänen, die vom Kunden eingereicht und in STL-Dateien umgewandelt werden, gefertigt. So gewinnt der Kunde sehr schnell eine Vorstellung davon, wie sein Werkstück aussieht und inwiefern es seine funktionale Bestimmung erfüllt. „Entspricht ein Werkzeug nicht den Vorstellungen des Herstellers, so hat dieser nicht hohe Summen an Geld und kostbare Zeit investiert, sondern kann sich mit diesem Wissen sofort an die Nachbesserung seines Produkts machen – und kurze Zeit später dank 3D-Druck erneut testen“, so der Prozessingenieur von Geiger abschließend. „Für unsere Kunden bedeutet das schnellere Prozesse bei vermindertem Risiko: Ein klares Urteil für die neue Technologie.“

Kontakt

Hans Geiger Spritzgießtechnik, Nürnberg

Tel.: 0911 9612970

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