3D-Druck im Spritzguss reduziert Kosten um bis zu 70 und Herstellzeit um bis zu 90 Prozent

Schneller zum Prototypen

Die Hans Geiger Spritzgiesstechnik reduzierte mit dem 3D-Druck Zeit und Kosten bei der Prototypenherstellung von Werkzeugen. Bild: Ippicture / pixabay.com
/

Die Hans Geiger Spritzgiesstechnik GmbH produziert Werkzeuge für den Prototypen-Spritzguss mit dem additiven Verfahren. Da sie für den Druck ein spezielles Kunstharz verwendet, reduzieren sich die Herstellungskosten um bis zu 70 Prozent. Durch das Entfallen des Fräsens und Härtens ist der Prototyp in nur wenigen Stunden, statt in mehreren Tagen testbereit – eine Zeitersparnis von bis zu 90 Prozent.

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 der Hans Geiger Spritzgiesstechnik GmbH durchgeführt: Das Ergebnis sind deutliche Vorteile für Hersteller und Kunden.

Tests mit serienähnlichen Mustern

Bisher nahm die Herstellung bei Geiger mehrere Tage in Anspruch. Mithilfe der additiven Fertigung konnte die Dauer auf sechs 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 Hans 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 attraktivere Preise ermöglicht: Es kann ohne immensen Zeit- und Kostenaufwand zügig aufgezeigt werden, wie bestimmte Anforderungen gelöst werden können. In der Ausschreibungsphase ist dies beispielsweise ein wesentlicher Vorteil.

Polyjet-Verfahren mit Kunstharz

Es gibt verschiedene Methoden, Werkzeuge im 3D-Druck herzustellen: So kann flüssiges Ausgangsmaterial Schicht für Schicht gehärtet oder Pulver punktuell geschmolzen werden. Beim Polyjet-Verfahren, wie es Geiger einsetzt, wird das Werkstück in Schichten aufgebaut. Zunächst werden winzige 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 Hans 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 1/10 mm. «Nicht jedes kleinste Detail kann immer genau abgebildet werden, gelegentlich muss ein Teil mechanisch nachbearbeitet werden», erklärt Hans 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.

Zügige Produktverbesserung

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 ccm gedruckt werden, die Spritzgiessmaschinen, die für 3D-Druck-Verfahren geeignet sind, bewegen sich zwischen 100 und 800 kN. «Gewisse Zugeständnisse an Entformungsschrägen, Radien oder Geometrien der Teile müssen unter Umständen gemacht werden», erklärt Hans 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. Die Teile werden nach CAD-Plänen, die vom Kunden eingereicht und in STL umgewandelt werden, gefertigt. So gewinnt der Kunde innerhalb von kürzester Zeit 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.