PRÄZISIONS-PROTOTYPING DIE ROLLE VON 3D-GEDRUCKTEN FORMEN IN DER SPRITZGUSSBRANCHE

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1 PRÄZISIONS-PROTOTYPING DIE ROLLE VON 3D-GEDRUCKTEN FORMEN IN DER SPRITZGUSSBRANCHE von lior Zonder & nadav Sella einführung Beim 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 der Werkzeugformen für dieses Verfahren ist jedoch zu aufwendig sowie sehr kosten- und zeitintensiv. Die allgemeine werkzeugbasierte Fertigung kann unterteilt werden in Hard- und Soft-Tooling. Die Hard Tooling- Wekzeuge werden in der Regel aus Werkzeugstahl durch CNC-Verfahren oder Funkenerodierung hergestellt. In der Serienproduktion können diese Formen Millionen von Zyklen aushalten. Allerdings kosten Sie mehrere hunderttausend Dollar. Außerdem müssen für ihre Herstellung nicht Tage oder Wochen, sondern mehrere Monate eingeplant werden. Wenn Spritzgussteile im fünfstelligen Bereich hergestellt werden müssen, kann Soft-Tooling verwendet werden. Dieses Werkzeug wird aus Aluminium gefertigt und kann kostengünstiger (rund bis Euro) und schneller (2 bis 6 Wochen) produziert werden. Die Herstellung von Werkzeugformen wird jedoch öfters durch mögliche Entwicklungsfehler erschwert, so dass eine Korrektur der Form erforderlich ist oder dass durch Konstruktionsänderungen mehrere Formen gefertigt werden müssen bis die fi nale Konstruktion und Qualität erreicht sind. Aus diesem Grund nutzen immer mehr Hersteller 3D-gedruckte Werkzeugformen für funktionale Spritzguss-Prototypen. FOR A 3D W ORLD TM White Paper

2 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 Präzisionsprototypen können Hersteller realitätsgetreue Leistungswerte sammeln, die denen des Endprodukts entsprechen. PolyJet-Spritzgussformen sind nicht dafür ausgelegt, Soft-Tooling oder Hard-Tooling bei mittleren und großen Produktionsmengen zu ersetzen. Sie bilden die Brücke zwischen Soft-Tooling Werkzeugen und 3D-gedruckten Prototypen. In der folgenden Tabelle (Abbildung 1) wird die Nische in der Prototypenentwicklung verdeutlicht, die von der PolyJet-Technologie ausgefüllt wird. Herstellungsverfahren für Prototypen Optimale Stückzahl Material des Prototypen Durchschnittskosten pro Werkzeug Durchschnittskosten pro Bauteil Durchschnittliche Herstellungszeit pro Bauteil 3D-Druck* 1-10 FDM oder ka Hoch Hoch PolyJet- Kunststoffe Fräsen Thermoplaste ka Hoch Mittel Silikongießen Duroplast Gering Mittel Hoch Spritzguss mit 3D-gedrucktem PolyJet-Werkzeug Thermoplaste Gering Mittel Mittel Spritzguss mit Soft-Tooling ,000+ Thermoplaste Hoch Gering Sehr gering Abbildung 1: Die Eigenschaften des PolyJet-Drucks im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren *Zwar werden im FDM- und Lasersinterverfahren zur Prototypenherstellung thermoplastische Kunststoffe verwendet, doch die mechanischen Eigenschaften entsprechen nicht den Eigenschaften eines Bauteils, das im Spritzgussverfahren gefertigt wurde. Grund hierfür ist erstens die beiden unterschiedlichen Herstellungsverfahren und zweitens werden für FDM- oder Lasersinter-Prototypen andere Materialien als für die mittels Spritzgussverfahren hergestellten Endprodukte verwendet. 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 Varianten der Form hausintern kostengünstig gefertigt werden. Berücksichtigt man noch die Geschwindigkeit des PolyJet 3D-Druckverfahrens, so sind Designern und Konstrukteuren keine Grenzen gesetzt. 2

3 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 CAD-Konstruktion 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. 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 Verfahrenstemp`eraturen (< 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 der Verarbeitungstemperatur verkürzen die Lebensdauer der Form. In einigen Fällen mindern diese sogar die Qualität des fertigen Bauteils. A= Polyethylen (PE) Polypropylen (PP) Polystyren (PS) Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) Thermoplastische Elastomere (TPE) B= Glasfaserverstärktes Polypropylen oder Harz (PP+G) Polyamid (PA) Acetal (Polyoxymethylen [POM]) Polycarbonat-ABS-Mischung (PC+ABS) C= Glasfaserverstärktes Polyamid (PA+G) Polycarbonat (PC) Glasfaserverstärktes Acetal (POM+G) D= 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. In der Grafik auf der rechten Seite (Abbildung 2) wird die relative Stückzahl aufgeführt, die mithilfe verschiedener Verfahren hergestellt werden kann. 3

4 Außerdem ermöglicht die folgende Kosten-Nutzen-Analyse einen aufschlussreichen Vergleich von Spritzgussverfahren mit PolyJet-Werkzeugformen gegenüber Aluminiumformen. Aluminium Digital ABS Kosten Lieferzeit Kosten Lieferzeit Komponenten $1,670 7 Tage $960 1 Tag Objet500 Connex 810 g RGD g RGD g Stützmaterial Lüfterrotor aus POM $1, Tage $785 7 Stunden Objet260 Connex 400 g RGD g RGD g Stützmaterial Sechs Eislöffel aus PP $1,900 4 Tage $ Stunden Objet350 Connex 500 g RGD g RGD g Stützmaterial Deckel mit Gewinde aus verschiedenen Materialien Abbildung 3: Kosten-Nutzen-Analyse zu Herstellungszeit und -kosten (im Vergleich zu Aluminiumformen) Wie aus den oben aufgeführten Beispielen hervorgeht, können beachtliche Zeiteinsparungen von einigen Tagen bis hin zu mehreren Wochen realisiert werden. Zudem sind die Herstellungskosten für die Werkzeugformen in der Regel zwischen 40 und 70% niedriger. 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 Verzahnte Komponenten Schaltklinken Verriegelungen Im Rahmen dieser Tests wurden ABS-Mustermodelle mithilfe einer einzigen PolyJet-Form aus Digital ABS hergestellt. Dabei wurden Parameter wie Maximaldruck, Ausgleichsmengen sowie die Temperatur des Kern und in den Hohlräumen gemessen. 4

5 In der folgenden Tabelle sind die Parameter des Spritzgussverfahrens aufgeführt, mit denen die ersten 25 Einspritzvorgänge nach Optimierung der Form durchgeführt wurden. F/H-Temp. ( C) ABS Prozessparameter, 12. JUNI 13 M/H-Temp. ( C) Einspritzdruck (Bar) Einspritzvorgang Ausgleichsmenge (mm) Abbildung 5: Von Nypro gefertigte Komponente zum Testen von Spritzgussbauteilen aus einer PolyJet-Form Abbildung 6: Fertiges Mustermodell Abbildung 4: ABS-Testdaten für Spritzgussteile von Nypro 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. Darüberhinaus 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. 5

6 EMPFOHLENE VORGEHENSWEISEN Die Konstruktion von Spritzgussformen ist eine Wissenschaft für sich. Jahrelange Erfahrung und ein umfassendes Verständnis des Spritzgussverfahrens 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 Unterschiede zu beachten. Werkzeugkonstrukteure müssen bei der Herstellung einer PolyJet-Werkzeugform folgendes beachten: 1. Entwurf der Werkzeugform Berechnen Sie die Winkel der Entformungsschräge 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 einen direkten oder seitlichen Anguss. Abbildung 7: PolyJet-Spritzgussform aus Digital ABS mit einem Bauteil aus 20-prozentigem GF-Nylon 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. Abbildung 8: PolyJet-Formeinsätze an der Spritzgussmaschine. Links der Kern, rechts der Hohlraum. Abbildung 10: Richten Sie das Bauteil in der Objet Studio-Software aus, um möglichst glatte Oberflächen zu erhalten. Links: Wenn die Form in der Y-Achse ausgerichtet ist, werden die Gewindegänge durch Stützmaterial konfiguriert. Rechts: Wenn die Form in der Z-Achse ausgerichtet ist, werden die Gewindegänge automatisch ohne Stützmaterial konfiguriert. Abbildung 9: Entformungssystem, an 3D-gedruckte Öffnung angebracht 6

7 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 sind nach der Fertigung nur geringe oder keine Nachbearbeitung nötig. Folgende Umstände können allerdings Nachbearbeitungen erfordern: Die Form soll an einem Entformungssystem angebracht werden. Sie erzielen eine präzise Passung zwischen den Auswerferstiften und den zugehörigen Öffnungen, wenn Sie die Position der Löcher in der STL-Datei vorsehen, den Durchmesser jedoch um 0,2 bis 0,3 mm verringern. Nach Aushärten der Form werden die Löcher auf die genaue Größe aufgebohrt. Abbildung 11: Nachbearbeitung einer Formkomponente An einer Basis müssen Einsätze angebracht werden. Oberflächen müssen nachgeglättet werden. 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. Abbildung 12: Eigenständige Form mit doppelseitigem Klebeband an den Tragscheiben der Maschine befestigt 4. Montage Eigenständige Formen (die nicht auf einem Gestell befestigt werden) können mithilfe von Schrauben oder doppelseitigem Klebeband direkt auf Standard- oder Maschinenstahl-Tragscheiben montiert 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 13: Formeinsätze mit Maschinenschrauben an einer Standardstahlbasis 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. Abbildung 14: An der Form montierte Abkühlvorrichtung. Mit Öffnen der Form wird für eine bestimmte Zeit Druckluft gegen die Oberfläche geblasen. Verwenden Sie als Anfangswert den normal berechneten Schließkraftwert (Einspritzdruck x geplanter Bauteilbereich). 7

8 PolyJet-Formen besitzen nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit, 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 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. FAZit Dank 3D-gedrucktem PolyJet-Werkzeug 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 erstklassige Leistungsdaten sammeln und Zertifizierungsprozesse optimieren. PolyJet-Formen sind einzigartig, da sie die gleiche 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. optimale verwendung Unter folgenden Bedingungen sind PolyJet- Formen optimal für eine Anwendung geeignet: Thermoplaste: Moderate Einspritztemperaturen von < 300 C Gutes Fließverhalten Kunststoffe: - 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 Anzahl: Geringe Mengen (zwischen 5 und 100 Stück) Größe: Mittelgroße Bauteile < 165 cm 3 Spritzgießmaschinen zwischen 50 und 80 t Verwendung manueller Handpressen möglich Design: Designänderungen sind schnell umsetzbar. Tests: Es sind Funktionalitätstests erforderlich. Es sind Compliance-Tests (z. B. UL oder CE) erforderlich. Stratasys info@stratasys.com 7665 Commerce Way Eden Prairie, MN (gebührenfrei innerhalb der USA) (Intern.) (Fax) 2 Holtzman St., Science Park, PO Box 2496 Rehovot 76124, Israel (Fax) ISO 9001:2008-zertifiziert 2013 Stratasys Inc. Alle Rechte vorbehalten. Stratasys, Fortus, Dimension, uprint und FDM sind eingetragene Marken und Fused Deposition Modeling und FDM Technology sind Marken der Stratasys Inc. in den USA und anderen Ländern. Alle anderen Marken sind das Eigentum der jeweiligen Inhaber. Bei technischen Produktdaten sind Änderungen vorbehalten. Gedruckt in den USA. SSYS-WP-IM Weitere Informationen zu Stratasys Systemen, Materialien und Anwendungen erhalten Sie telefonisch unter oder auf unserer Website