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Weerg Staff Aug 4, 2021 1:50:05 PM 22 min read

Spritzgießen und MJF-Druck: welche für das Rapid Prototyping wählen?

Einführung

 

Seit seiner Erfindung am Ende des 19. Jahrhunderts und seiner anschließenden Anwendung in der Massenproduktion seit Mitte der 1940er Jahre ist das Spritzgießen eine der am häufigsten verwendeten Technologien für die Massenproduktion von Teilen.

Die wichtigsten Vorteile sind: reproduzierbare Teile, schnelle Produktionszeiten und bei sehr großen Auflagen niedrige Kosten pro Exemplar.

Seit den späten 1980er Jahren ist der 3D-Druck mit dem Selective Laser Sintering (SLS) ein fruchtbarer Boden für eine Alternative zum Spritzgießen, für die Lösung komplexer Formen und Design Beschränkungen.

Aber erst mit ihrer Weiterentwicklung, dem Multi Jet Fusion Printing (MJF-Druck), das HP in den letzten Jahren perfektioniert hat, erreicht diese Technologie ihr volles Potenzial und kann Preise und Lieferzeiten senken.

Welche Technologie sollte heute eingesetzt werden, um Prototypen oder kleine oder mittlere Serien eines Projekts herzustellen? 



 

Wie funktioniert das Spritzgieẞen?

Das Spritzgießen ist ein Produktionsverfahren, bei dem geschmolzenes Kunststoffmaterial in eine geschlossene Form gespritzt wird; nachdem es erstarrt ist, wird die Form zur Entnahme der Teile geöffnet.

Die Spritzgießmaschine besteht aus zwei Teilen: der Spritzeinheit und der Schließeinheit.

Die Spritzeinheit ist dafür zuständig, das Kunststoffmaterial nach dem Erhitzen in die Form zu drücken, um es vom festen in den flüssigen Zustand zu bringen.

Die Schließeinheit wiederum hat die Aufgabe, die Form dicht zu halten, indem sie dem hohen Druck entgegenwirkt, den die Spritzeinheit beim Gießen ausübt.

Die Gussform ist für jedes herzustellende Teil anders und wegen der hohen Belastung, der sie ausgesetzt ist, ist ihre Herstellung sehr teuer und kostet mehrere zehntausend (manchmal hunderttausend) Dollar.

Diese Kosten lassen sich natürlich bei hohen Produktionsmengen leicht auffangen, wodurch der Preis pro Exemplar sinkt.

Sehen wir uns nun den Betriebszyklus des Spritzgießens an.

 

Was ist das Spritzgießverfahren?

Der Arbeitsprozess des Spritzgießens besteht aus 4 Phasen:

  • Dosierung und Verflüssigung des zu  spritzenden Kunststoffs;
  • Schließen der Form und Einspritzung des Kunststoffmaterials;
  • Abkühlung der Form und des Kunststoffs in der Form;
  • Öffnen der Form und Entnahme des Formteils.

Die so entstandenen Teile erfordern manchmal zusätzliche Arbeitsschritte wie das Entfernen von Material aus den Spritzgieß Vorsätzen, Entgraten, Bohren usw.

 

INjection Molding Process

 

Wie wird eine Spritzgussform gemacht?

Die Form, die für die Massenproduktion der Teile verwendet wird, besteht in der Regel aus Aluminium oder Stahl: Sie muss einem enormen Druck standhalten, der über mehrere Zyklen hinweg immer wieder auftritt.

Aus diesem Grund sind die Kosten für die Herstellung der Gussform (ein "Negativ" des zu fertigenden Teils) sehr hoch: Sie betragen in der Regel mehrere zehntausend Euro, können aber bei komplexen Teilen auch Hunderttausende von Euro erreichen. Natürlich werden diese Kosten bei der Massenproduktion von Tausenden identischer Stücke leicht aufgefangen.

 

Mold of a chair for Injection molding.ì

 

Wozu wird das Spritzgießen verwendet?

Wegen der hohen Anfangskosten wird das Spritzgießen für bereits ausgereifte Entwürfe und für große Produktionsserien verwendet: Die Bequemlichkeit variiert je nach Preiskomplexität, aber das Spritzgießen wird in der Regel für Serien von mehr als 10.000 Exemplaren bevorzugt.

Für das Prototyping oder kleine bis mittlere Auflagen werden Technologien ohne Anlaufkosten wie der MJF-3D-Druck favorisiert.

 

Wie lange sind die Bearbeitungszeiten für Prototypen im Spritzgussverfahren?

Die Vorlaufzeiten für Prototypen im Spritzgussverfahren sind sehr lang und werden in zwei Phasen geteilt:

  • die Herstellung der Form;
  • die Herstellung des Prototyps.

In der Regel empfiehlt es sich gerade wegen der hohen Anlaufkosten nicht, die Prototypenfertigung mit dem Spritzgießen zu beginnen; vielmehr ist diese Technologie besser für die Großserienfertigung geeignet.

 

Was sind die Vorteile des Spritzgießens?

Das Spritzgießen hat viele Vorteile und ist oft die beste Technologie für die Herstellung von Teilen, wenn es um große Serien geht. Wie wir oben gesehen haben, sind die Anfangskosten des Spritzgießens, insbesondere für die Herstellung der Form, sehr hoch und können sich bei der Herstellung von Prototypen oder kleinen oder mittleren Serien kaum amortisieren.

Wenn es um Serien mit Zehntausenden von Exemplaren geht, sind die Vorteile des Spritzgießens unbestreitbar:

  • Produktionsgeschwindigkeit;
  • niedrige Kosten pro Exemplar.

Das Spritzgießen hat jedoch auch eine Reihe von Nachteilen, die mit dieser Technologie verbunden sind.



Was sind die Nachteile des Spritzgießens?

  • Das Spritzgießen hat auch einige Nachteile, die der Technologie innewohnen.

    Die ersten Nachteile sind die Anfangskosten des Projekts, die durch den Aufbau der Form entstehen.

    Diese Erwartung hat einen großen Einfluss auf das Design, unabhängig von der Anzahl der herzustellenden Kopien, weshalb es in der Regel empfohlen wird, bei Auflagen von mehr als 10.000 Kopien auf das Spritzgießen zu vertrauen.

    Der zweite große Nachteil (der oft übersehen wird) betrifft das Design des Projekts. Das Spritzgießen erfordert nämlich, dass das Teil über spezielle Eigenschaften für diese Technologie verfügt, und ohne diese ist die Entnahme des Teils unmöglich.

    Als Beispiel wollen wir uns einige dieser Gestaltungsmerkmale ansehen:

    • die Fülle der Teile: Das Spritzgießen erfordert, dass die Formteile keine Bereiche mit übermäßiger "Füllung" mit Kunststoffmaterial aufweisen. Dies ist auf die hohe Temperatur zurückzuführen, bei der der Kunststoff geschmolzen wird: Beim Abkühlen zieht es sich zusammen. Bei dünnen, gepressten Teilen in der Form hat diese Einschränkung keinen Einfluss auf die Toleranz. Bei dicken oder gefüllten Teilen kommt es jedoch während der Abkühlphase zu einer Quellung. Dies erfordert eine spezielle Konstruktion, die alle Materialeigenschaften berücksichtigt.
    • Probleme im Zusammenhang mit dem Auswerfen: Nach dem Erstarren muss das Teil aus der Form entnommen werden, weshalb der Konstrukteur dies bereits in der Entwurfsphase vorsehen muss.Das Spritzgießen erfordert runde und nicht scharfe Ecken oder konische und nicht zylindrische Strukturen: Die Nichtbeachtung dieser Regeln würde die Entnahme schwierig machen. Um die Realisierung des Projekts zu vereinfachen, ist es manchmal besser, das Teil in mehrere Teile aufzuteilen, die später zusammengefügt werden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Anzahl der herzustellenden Formen und die damit verbundenen Anfangskosten steigen.

 

Wie viel kostet das Spritzgießen?

Einfach, die Kosten sind unterschiedlich! Die Kosten des Spritzgießens hängen von 2 Faktoren ab: 

  • die Komplexität des Teils;
  • die Menge der zu erstellenden Kopien.

Wie wir oben gesehen haben, fallen bei der Herstellung der Gussform erhebliche Anlaufkosten an: Diese Kosten amortisieren sich durch die Herstellung von mehr als 10.000 Exemplaren desselben Objekts; nach dieser Schwelle wird das Spritzgießen rentabel.

 

Was ist MJF-Druck und wie funktioniert das?

Der von HP erfundene MJF-Druck (Multi Jet Fusion) ist eine Entwicklung des 3D-Lasersintern Drucks (SLS), der seit den späten 1980er Jahren existiert.

In den letzten zehn Jahren hat sich der MJF-Druck so stark weiterentwickelt und verbessert, dass er in Bezug auf die Produktionszeit und die Fähigkeit, komplexe Teile ohne Stützen zu bearbeiten, vorteilhaft geworden ist.

Der Multi Jet Fusion Druck basiert sich auf Pulvern, aber ohne die Benutzung des Lasers. 

Das Multi Jet Fusion Printing basiert auf Pulvern, aber ohne den Gebrauch eines Lasers. Jede Ebene besteht aus einem Pulverbett, das gleichmäßig erwärmt wird; darauf wird eine Schmelzflüssigkeit aufgetragen, in der die Pulver verschmolzen werden, und auf die Konturen wird eine Nachbearbeitung Flüssigkeit aufgetragen, um die Auflösung zu verbessern. Schließlich schmelzen UV-Lampen das Pulver an der Stelle, an der die Schmelzflüssigkeit aufgetragen wurde.

 

hp MJF muli jet fusion 5200 3D Printer

 

Was ist der Unterschied zwischen MJF- und SLS-Druck?

Der MJF-Druck unterscheidet sich vom SLS-Druck dadurch, dass kein Laser verwendet wird. Der SLS-Druck basiert auf einem leistungsstarken Laser, der die Materialpulver beim Durchgang schmilzt, sie kristallisiert und das endgültige Objekt erzeugt. Dies führt zu einer längeren oder kürzeren Bearbeitungszeit, abhängig von der Größe des herzustellenden Teils, aufgrund des punktförmigen Durchgangs des Lasers.

Der MJF-Druck basiert dagegen auf einem flüssigen Reagenz, das gleichzeitig über die gesamte Ebene, unabhängig von ihrer Größe, geleitet wird. Dies impliziert Standard Bearbeitungszeiten, die nicht von der Morphologie des Designs abhängen, sondern von der Bearbeitungsgeschwindigkeit der Maschine. Aus diesem Grund konnte MJF Printing die Kosten im Vergleich zu SLS erheblich senken.

 

Wie viel kostet die Herstellung eines Prototyps mit MJF-Druck?

Die Kosten für die Herstellung eines Prototyps mit MJF Printing sind natürlich unterschiedlich! Im Gegensatz zu anderen Technologien hängen diese Kosten jedoch von einem einzigen Faktor ab: das Volumen des Teils.

Die Revolution des MJF-Drucks im Vergleich zu anderen Technologien wie dem SLS-Druck oder dem Spritzguss liegt in der Standard Bearbeitungszeit des Jobs, was die Kalkulation der Endproduktionskosten erleichtert.

Es gibt natürlich auch billigere Technologien: der FDM-Druck zum Beispiel hat eine viel rauere ästhetische und mechanische Leistung; oder die SLA-Drucktechnologie, die eine sehr gute ästhetische Leistung hat, aber nicht mit der gleichen mechanischen Leistung mithalten kann.

Das Spritzgießen hingegen eignet sich aufgrund der hohen Anfangskosten für die Herstellung der Form nicht für das Prototyping.

Im Moment ist MJF eine sehr gute Wahl, denn das Verhältnis von Qualität (ästhetisch und mechanisch), Preis und Vorlaufzeit (3 Tage) stimmt. Wenn Sie einen Preisvergleich zwischen den verschiedenen Technologien mit Ihrer Datei durchführen möchten, können Sie dies hier machen.

 

Prototipo funzionale automotive realizzato con Stampa 3D MJF

 

Was sind die Vorteile von MJF Printing?

Das MJF-Drucken hat, wie oben dargestellt, unbestreitbare Vorteile: Der erste, vom SLS-Drucken übernommene, ist das Fehlen von Trägern, was es hervorragend (und einzigartig) für die Herstellung von beweglichen und voneinander abhängigen Teilen, integrierten Scharnieren und allen hochkomplexen Designs mit 80-Mikrometer-Präzisionsschichten macht.

Hinzu kommt der Vorteil, dass man im Vergleich zu anderen 3D-Druckverfahren wie dem FDM-Druck ein isotropes Produkt mit identischen mechanischen Eigenschaften in allen drei Achsen erhält, was Spritzgussteilen entspricht.

Und schließlich eignet sich diese Technologie aufgrund der hohen Produktionsgeschwindigkeit hervorragend für schnelle Reaktionen und Markteinführungen, da selbst mittelgroße Serien in nur drei Tagen produziert werden können.

 

Was sind die Nachteile des MJF-Drucks?

Der größte Nachteil des MJF-Drucks ist das ästhetische Ergebnis. Das Basisstück hat aufgrund der ursprünglichen Pulverisierung eine raue Oberfläche erhalten. Auch bei der natürlichen Farbgebung gibt es nicht viele Möglichkeiten: grau und schwarz.

Beide Eigenschaften lassen sich durch eine weitere Verarbeitung in Form eines Verarbeitungs- oder Lackierverfahrens lösen.

 

Ist 3D-Druck billiger als Spritzgießen?

Nicht immer: Wie wir oben gesehen haben, ist das Spritzgießen mit sehr hohen Anfangskosten verbunden, die es für Serien von weniger als 10.000 Exemplaren unmöglich machen. Für das Rapid Prototyping ist es aus Kosten- und Zeitgründen sicher nicht geeignet.

Für die Herstellung von Prototypen oder kleinen/mittleren Serien setzt man heute lieber auf den MJF-Druck, der dem Designer Gestaltungsfreiheit gibt und keine Zwänge auferlegt. Außerdem können Prototypen innerhalb von 3 Tagen hergestellt werden, und die mechanischen Eigenschaften entsprechen denen des Spritzgießens.

 

Ist Spritzgießen besser als 3D-Druck?

Bei Serien von mehr als 10.000 Stück ist das Spritzgießen im Allgemeinen besser als der 3D-Druck, weil es niedrige Produktionskosten und hervorragende mechanische Eigenschaften garantiert.

Geht es jedoch um Prototypen oder Mittel- und Kleinserien, so ist die einzige Alternative, die derzeit mit dem Endprodukt konkurrieren kann, der MJF-Druck, mit dem hochkomplexe Teile schnell und zu einem hervorragenden Preis hergestellt werden können.

 

Schlussfolgerung

Oben haben wir gesehen, dass das Spritzgießen immer noch eine gute Alternative auf dem Markt ist, vor allem wenn sich die hohen Anfangskosten über Zehntausende von Teilen amortisieren lassen.

Wenn Sie sich jedoch noch in der Design- oder Markt Testphase befinden oder für kundenspezifische Projekte, ist der MJF-Druck eine exzellente Alternative, mit der Sie hochkomplexe Teile schnell und zu einem optimalen Preis-Leistungs-Verhältnis herstellen können.

Wenn Sie die Kosten für ein einzelnes oder mehrere Teile mit MJF-Druck oder anderen 3D-Drucktechnologien vergleichen möchten, können Sie hier Ihre eigene Datei hochladen