Von der additiven Fertigung zum Spritzguss

Die Präzision und Wiederholbarkeit des 3D-Drucks in Industriestandard hat die additive Fertigung als effektives und präzises Verfahren für das funktionale Prototyping etabliert. Gleichzeitig ist das Kunststoffspritzgießen seit langem ein zuverlässiges sowie kosten- und zeiteffizientes Verfahren zur Herstellung von Teilen für größere Produktionsserien von Zehntausenden und mehr.

Daher haben Ingenieure, Designer und Produktentwickler festgestellt, dass diese beiden Verfahren im Lebenszyklus eines Produkts gut zusammenarbeiten. Sie beginnen mit der Risikominderung beim 3D-Drucken von Prototypen und wechseln dann zur Fertigungsmethode des Spritzgießens, um höhere Stückzahlen zu erreichen. Für Millionen von Bauteilentwürfen hat sich diese Kombination im Laufe der Jahre als ideal erwiesen.

Bei Protolabs gibt es viele Beispiele aus verschiedenen Branchen, darunter Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und Medizintechnik.

Es sei darauf hingewiesen, dass es mehrere 3D-Druckverfahren gibt, mit denen voll funktionsfähige Produktionsteile hergestellt werden können. Beim direkten Metall-Lasersintern zum Beispiel wird eine Reihe von Metallen zur Herstellung von Endteilen verwendet. Mit dem selektiven Lasersintern, bei dem Materialien auf Nylonbasis verwendet werden, lassen sich äußerst haltbare Endgebrauchsteile herstellen. Multi Jet Fusion wird ebenfalls zur Herstellung von Nylonteilen für den Endverbrauch eingesetzt.

Dennoch ist der Wechsel von 3D-gedruckten Prototypen zum Spritzgießen der endgültigen Teile nach wie vor eine häufig genutzte Option, vor allem, wie bereits erwähnt, weil das Spritzgießen eine kosten- und zeiteffizientere Methode ist, um Teile in größeren Stückzahlen herzustellen.

Wenn Sie sich für diese Option entscheiden, müssen Sie eine Reihe von einzigartigen Designüberlegungen berücksichtigen. In diesem Beitrag finden Sie Ratschläge, wie Sie diese Umstellung bewältigen können:

Definition eines Bauteils vor der Konstruktion
Einsatz mehrerer Prototypen
Manövrieren durch Spritzguss
Materialauswahl
Eingrenzung von Kosten und Fristen

Durch den 3D-Druck von Prototypen vor der Umstellung auf den Spritzguss können Produktentwicklungsteams das Designrisiko verringern und schneller iterieren

Design-Risiko-Minderung: Ein Teil definieren, bevor man ein Teil konstruiert

Beim Prototyping mit 3D-Druck oder additiver Fertigung geht es vor allem um die Minderung von Designrisiken: Es geht darum, das Design eines Teils zu verbessern, zu prüfen, welche potenziellen Risiken für Form, Passform und Funktion eines Teils bestehen könnten, eine Vielzahl von Designkonzepten auszuprobieren und zu prüfen und darauf zu achten, dass man sich nicht selbst in die Enge treibt, indem man die Herstellbarkeit des Teils nicht berücksichtigt. In der Tat gibt es beim 3D-Druck nur wenige Regeln oder Einschränkungen, die Ihnen bei der Erstellung eines Teils Probleme bereiten könnten. Aber ein Spritzgussteil zu entwerfen, das ist eine andere Geschichte. Bei jeder Art von Teil beeinflusst die Funktion die Form, aber bei Kunststoffteilen im Besonderen auch das Finish und sogar die Konstruktion des Werkzeugs, mit der sie hergestellt werden.

Das ist der Punkt, an dem unsere automatisierte digitale Angebotsplattform ins Spiel kommt. Diese Analyse ist besonders wichtig, wenn Sie davon ausgehen, dass das Teil gegossen oder zumindest in etwas größeren Mengen als nur in der Prototyping-Phase produziert werden soll. Für 3D-gedruckte Teile erhalten Sie sofort ein Angebot mit interaktiven Preisen auf der Grundlage von Material, Auflösung und Ausführung. Außerdem können Sie jederzeit ein Design-Feedback von einem unserer Ingenieure für additive Fertigung erhalten. Für Spritzgussteile erhalten Sie innerhalb weniger Stunden ein interaktives Online-Angebot sowie eine DFM-Analyse und Echtzeit-Preise auf der Grundlage von Menge, Ausführung und Vorlaufzeit.

Aber kommen wir zurück zu einigen Beispielen für die Risikominimierung. In der Automobilindustrie muss ein Bauteil, das als Komponente in den Motor eines Geländewagens passt, wahrscheinlich großer Hitze und Feuchtigkeit standhalten. Dies ist ausschlaggebend für die Wahl des Materials und der Produktionsmethode. Möglicherweise muss das selektive Lasersintern (SLS) eingesetzt werden, ein 3D-Druckverfahren, mit dem funktionale Serienteile hergestellt werden können, oder es sind Spritzguss oder CNC-bearbeitete Teile erforderlich. Oder nehmen wir an, ein Medizintechnikunternehmen entwickelt einen Prototyp für ein neues handgehaltenes chirurgisches Werkzeug. In diesem Fall wäre ein 3D-gedruckter Prototyp ein Werkzeug, das in einer Arztpraxis oder Klinik für Verkaufsvorführungen und Gebrauchstests gut funktionieren würde.

In dieser frühen Front-End-Phase ist es am ratsamsten, gute, solide Designprinzipien zu verwenden, um ein Teil zu definieren, bevor ein Bauteil entworfen wird. Das führt zum nächsten Abschnitt: die Rolle von iterativen oder mehrfachen Prototypen.

Das Ingenieurteam, das den Indago-Quadcopter entwickelt hat, hat den Prototyp im 3D-Druckverfahren hergestellt und ist dann zur Produktion zum Spritzguss übergegangen.

Multi-Prototyping hilft bei der Festlegung eines Produktionsverfahrens

Wie bereits erwähnt, gibt es nur wenige Regeln oder Beschränkungen für die Herstellung eines Teils mit additiver Fertigung. Das ist ein Segen und ein Fluch. Es ist vor allem dann eine Herausforderung, wenn Konstrukteure einen gedruckten Prototyp in ein Spritzgussteil oder ein anderes Produktionsverfahren umwandeln wollen. Und warum? Nun, im Falle des Gießens "mag" es keine dicken Querschnitte, Überhänge, Fließen um einen Kern und Stricken, komplexe Geometrien, interne Kanäle oder Kammern, organische Geometrien und so weiter. Mit anderen Worten: Nur weil etwas in 3D gedruckt werden kann, heißt das nicht unbedingt, dass es auch spritzgegossen werden kann.

Folglich kann das Cross-Quoting, also der Vergleich mehrerer Verfahren, zusammen mit dem iterativen Prototyping ein hilfreicher Prüfprozess für ein Teiledesign sein. Durch diese parallele Vorgehensweise lässt sich feststellen, ob das Teil überhaupt funktionsfähig ist und wie es dann erfolgreich in den nächsten Schritt überführt werden kann, d. h. in ein Verfahren, das eine Produktion in größeren Stückzahlen ermöglicht, sei es durch Formen, Gießen, maschinelle Bearbeitung, Blechbearbeitung oder ein anderes Verfahren. Dieses Multi-Prototyping wird Ihnen wahrscheinlich auch helfen, Preis- und Zeitüberlegungen anzustellen.

Beim Spritzgießen gibt es mehr Einschränkungen, was gegossen werden kann und was nicht, denn wenn das Werkzeug nicht hergestellt werden kann, kann auch das Teil nicht produziert werden. Für das Spritzgießen müssen viele Formtechniken und Elemente verwendet oder hinzugefügt werden (siehe nächster Abschnitt über das Manövrieren durch durch das Spritzgießen).

Ein Beispiel aus der Luft- und Raumfahrtindustrie für diesen Multi-Quotierungsprozess ist die Quadrocopter-Drohne von Lockheed Martin. Der Projektdesigner Miguel Perez, ein Ingenieur von Lockheed Martin, arbeitete mit dem automatischen Quotierungssystem für DFM-Analysen von Protolabs, das ihn durch verschiedene Teileiterationen führte und ihn schließlich dazu veranlasste, vom Prototyping mit 3D-Druck auf das Prototyping und die Kleinserienfertigung mit Spritzguss umzusteigen.

Er übermittelte ein unverändertes Modell an das Angebotssystem und erhielt dann Rückmeldungen, z. B. darüber, wie die Formhälften funktionieren könnten, über vorgeschlagene Seitenschieber und über Merkmale, die nicht geformt werden konnten. Perez nutzte diese Informationen, um aus dem 3D-gedruckten Teil mehrere formbare Schnittstellenteile zu machen, die die Designvorgaben erfüllen. Dann schickte er die geänderten Teile erneut ein und erhielt vom Angebotssystem noch mehr Rückmeldungen darüber, wie das Werkzeug hergestellt werden könnte, indem ihm beispielsweise gezeigt wurde, wo er die erforderliche Formschrägen übersehen hatte.

Ein Beispiel aus der Medizinbranche sind die Verifizierungstests, die der 3D-Druck für ein Teil wie einen Luer-Lock ermöglicht, der auf das Ende einer Spritze geschraubt wird und darauf passt. Es gibt bestimmte Möglichkeiten, diese Verschlüsse zu formen, um Kosten zu sparen, aber die Entwürfe können zunächst mit dem 3D-Druck validiert werden, um sicherzustellen, dass sie ausreichend fest sitzen, um beispielsweise eine Dichtung zu bilden, bevor sie als ausreichend funktionstüchtig erachtet werden, um in den Spritzguss überzugehen.

Je nach dem zu entwerfenden Teil können Tests und die Verwendung mehrerer Prototypen dabei helfen, zu überprüfen, ob etwas funktioniert, und mehr Vertrauen in einen Prototyp zu gewinnen, bevor man den Sprung zum Spritzgießen wagt.

Die Herstellung von Prototypen von Komponenten, die zueinander passen, wie z. B. ein Luer-Lock, der auf eine Spritze geschraubt wird, ist eine gute Möglichkeit, Passform und Funktion zu überprüfen, bevor in Produktionswerkzeuge investiert wird.

Manövrieren durch Spritzguss

Um den Übergang von gedruckten Prototypen zu spritzgegossenen Teilen zu schaffen, sollte eine Reihe von Methoden zum Spritzguss in Betracht gezogen und gegebenenfalls angewendet werden. Die beiden wichtigsten dieser Techniken sind die gleichmäßige Wandstärke und die Verformung, aber es gibt auch noch einige andere. Hier ist eine kurze Zusammenfassung:

Gleichmäßige Wandstärke. Die Beibehaltung einer gleichmäßigen Wandstärke ist wahrscheinlich die wichtigste Designanforderung für gute Spritzgussteile. Eine gleichmäßige Wandstärke ermöglicht es dem geschmolzenen Kunststoff, die Form gleichmäßig auszufüllen, so dass kein Teil mit Verzug, Einfallstellen, dünnen Trennlinien oder anderen Mängeln entsteht.

Formschräge. Eine zusätzliche Formschräge oder eine Neigung an den vertikalen Wänden eines Teils erleichtert das Auswerfen oder Entnehmen des Teils aus dem Werkzeug. Die Hauptregel lautet: 1 Grad Formschräge pro Zoll Tiefe der Kavität.

Radien. Verwenden Sie Radien oder abgerundete Ecken, um das Fließen des Kunststoffs in die Form und die Integrität des Teils zu verbessern. Scharfe Ecken erhöhen die Spannung auf Ihr Teil und behindern das Fließen des geschmolzenen Kunststoffs (Harz).

Rippen, Winkel, Schrägen. Der Einbau von Rippen und stützenden Winkeln kann die Festigkeit von Bauteilen erhöhen und dazu beitragen, Verformungen, Einfallstellen und Hohlräume zu vermeiden. Die Rippen sollten 40 bis 60 % der Dicke der angrenzenden Wand betragen. Schrägen anstelle von scharfen Stufen können die Spannungen bei Verschiebungen zwischen dickeren und dünneren Wandteilen verringern.

Naben. Eine dünnere Wand an einem Vorsprung oder einem Befestigungselement, das eine Schraube aufnehmen soll, verhindert Einfallstellen und Hohlräume.

Einzelheiten zu den Konstruktionsrichtlinien für das Spritzgießen, einschließlich der Empfehlungen für Teilegröße und Material, finden Sie in unseren Konstruktionsrichtlinien für das Kunststoffspritzgießen, die auch die maximalen Abmessungen, Listen der häufig verwendeten Kunststoffe und Oberflächenbehandlungen sowie Nachbearbeitungsoptionen, Konstruktionsrichtlinien für den Spritzguss mit Flüssigsilikon und das Umspritzen von Einlegern umfasst.

Materialüberlegungen für das Spritzgießen

Die beiden großen Kategorien von Kunststoffen sind Thermoplaste und Duroplaste (z. B. LSR). Bei der Auswahl eines Werkstoffs spielen eine Reihe von Überlegungen eine Rolle. Wichtig sind die mechanischen, physikalischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften des Materials. Die Herstellbarkeit ist von entscheidender Bedeutung, wie z. B. die Eigenschaften der Harze (Kunststoffe in ihrer Rohform), einschließlich der Frage, wie widerstandsfähig sie gegen Verformung beim Abkühlen sind und wie gut sie kleine Merkmale einer Form ausfüllen. Je nach Funktion des Teils kann auch das kosmetische Erscheinungsbild von Bedeutung sein. Die Materialkosten sind ein weiterer Aspekt. Möglicherweise gibt es auch andere spezielle Überlegungen, wie z. B. die Notwendigkeit von FDA- oder UL-Zulassungen.

Eingrenzung von Kosten und Fristen

Natürlich spielen auch die Gesamtkosten und Budgets sowie die Zeitpläne und Fristen eine wichtige Rolle. Und in manchen Fällen hat man das Gefühl, dass vor allem die Kosten den größten Einfluss auf die Entwicklung von Teilen oder Produkten haben. Durch den Einsatz kostengünstigerer Produktionsmethoden wie dem Spritzguss können die Kosten jedoch eingedämmt werden.

In diesem Sinne kann sich auch eine drohende Frist als ein wichtiger Einflussfaktor erweisen. Dank digitaler Fertigungsmethoden, die die Produktentwicklung beschleunigen können, lassen sich Prototyping und Produktion von Teilen und Produkten jedoch drastisch verkürzen.

Getaggt: prototyping, 3D Druck, Spritzguss