3D-Druck - Hightech Zentrum Aargau

3D-Druck
Chancen für die Spritzgussindustrie
MEDTECH-Anwendungen
und Potenziale
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3D-Druck: Was bisher geschah
Vom Rapid Prototyping zu additiver Fertigung:
Rapid Prototyping
1970-1979
1980-1989
Additive Fertigung
1990-1999
2000-2009
2010-heute
Selective Laser Melting (Metall)
Fused Deposition Modelling (Kunststoff)
Stereolithographie (Kunststoff)
Selective Laser Sintern (Kunststoff)
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3D-Druck: Warum ist das Interesse derart stark?
Einige Vorteile, die für sich sprechen:
► Serien mit überschaubaren Stückzahlen lassen sich heute mittels 3D-Druck bereits
schneller und kostengünstiger Herstellen als mit herkömmlichen Fertigungstechnologien
► Das Verfahren bietet grosse, geometrische Designfreiheit und hat das Potential zur
Eliminierung von Fügestellen und arbeitsintensive Montagearbeit
► Produktion auf Bedarf und umweltschonende Supply Chain Lösungen entstehen
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3D-Druck: Hype oder industrielle Revolution?
Stand der Technik für Kunststoffe:
► immer mehr kostengünstige Drucker finden den Weg zum Endkonsumenten
► abseits medialer Aufmerksamkeit wurden industrielle Fertigungsanlagen entwickelt
► heute werden grosse Funktionsmuster im Massstab 1:1 bereits hergestellt
► das Verfahren ist besonders für Prototypen und Kleinserien geeignet
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Spritzgiessen
Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus thermoplastischen Kunststoffen:
► hohe Werkzeugkosten verunmöglichen eine ökonomische Fertigung von Kleinserien
► die Entformbarkeit aus dem Werkzeug setzt Grenzen der Bauteilkomplexität
► 3D-Druck bietet diese Industrie das grösste Potential im Bereich vom Formenbau
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Beispiel einer Kunststoff-Spritzgussform
Merkmale:
► Spritzgussformwerkstoff Digital ABS (Schichtdicke 16 Mikron)
► Einspritzwerkstoff PP (220°C, Druck 600 bar bzw. 200 bar Haltedruck)
► dünnwandige Konstruktion vom Spritzgussteil mit Filmscharnier und Schnappverschluss
► Standzeit ca. 80 Spritzvorgänge
Quelle: alphacam
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Stratasys Multi-Material Polyjet Technologie
Ein Multi-Material Verfahren, das analog Tintenstrahldrucker funktioniert:
► flüssige Polymere werden schichtweise aufgetragen und mit UV-Licht gehärtet
► Schichtstärke 16 Mikrometer und geometrische Genauigkeit bis zu 0.1 mm
► glatte Oberflächen und komplexe Details sind realisierbar
► starre und gummiartige Materialkombinationen sind realisierbar
► Eigenschaften lassen sich beliebig einstellen
(Hitzebeständigkeit, Shore-A-Härtegrad, Farben, etc.)
Quelle: Stratasys
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3D-gedruckten Prototypenformen aus Kunststoff
Vorteile im Überblick:
► es lassen sich Prototypenbauteile aus dem Zielwerkstoff herstellen
► Homogenität und Materialeigenschaften sind sehr nah an die von Serienteilen
► frühestmögliche Verifikation von Design, Funktion und Materialeigenschaften
► mehrere Produktiterationen führen zu besseren Endprodukten
► Erzielung von Einwicklungszeit- und Kosteneinsparungen
Quelle: Stratasys
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Produktbeispiel
Infusion- und Blutsammelsystem:
► Spritzgussformwerkstoff Digital ABS
► Einspritzwerkstoff PC (mit 210°C, 300 bar/100 bar)
► transparentes Spritzgussteil, das eine hohe Qualität der Formoberflächen voraussetzt
► Standzeit ca. 20 Spritzvorgänge
Quelle: Worrell
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Produktbeispiel
Stecker-Gehäuse mit folgenden Merkmalen:
► komplexe Geometrie mit vielen dünnwandigen, vertikalen Rippen
► 3D-Druck und Installation der Form innerhalb von nur 2 Tagen
► Formmaterial aus Digital ABS
► Spritzgussteil aus HDPE (185°C, 600/300 bar)
Quelle: Stratasys & Robert Seuffer GmbH & Co. KG
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Produktbeispiel
Ummantelte Stecker:
► metallische Inserts werden beim Spritzvorgang in POM (195°C, 200 bar) eingebettet
► Formwerkstoff auf Acrylat-Basis
Quelle: alphacam
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Geeignete Spritzguss-Polymere
Maximale Anzahl Spritzvorgänge in Abhängigkeit vom Formwerkstoff:
Werkzeuglebensdauer
PE, PP, PS, ABS, TPE
PA, POM
Spritzguss-Polymer
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PC
PPO, PPS
Quelle: Stratasys
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3D-Druck von metallischen Werkstoffen
Herstellung von Spritzguss-Serienwerkzeugen mittels Selective Laser Melting:
► Ausgangsmaterial ist Metallpulver (z.B. Stahl, AL, Ti)
► einzelne Partikel werden vollständig aufgeschmolzen
► Objekte werden nahezu frei von Lufteinschlüssen gebildet
► Massabweichungen durch Schrumpfung sind zu verhindern
► je nach Geometrie sind Stützstrukturen notwendig
Quelle: Ecoparts AG, NanoSteel
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3D-Druck von metallischen Spritzgusswerkzeugen
Gestaltung von Temperier-Kanälen:
► Standardlösung ist ein Kanalverlauf bestehend aus gradlinigen Bohrungen
► mittels additive Fertigung können komplexe Kanäle integral hergestellt werden
► alternativ werden traditionell bearbeitete Werkzeuge mehrschichtig aufgebaut
Quelle: Laser Zentrum Nord
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3D-Druck von metallischen Spritzgusswerkzeugen
Speziell bei Patritzen bieten sich interessante Möglichkeiten:
Quelle: HRSflow
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3D-Druck von metallischen Spritzgusswerkzeugen
Optimale Gestaltung von Temperier-Kanälen:
► Effizienzvergleich lineare Standardlösung/Lösung mit optimierter Kühlkanalgeometrie
► Beispiel-Bauteilabmessungen 162x115x45 mm, Wandstärke 3 mm
► Kühlzeit wurde um 10 Sekunden (33%) gesenkt (Gesamtzykluszeit um 20%)
Quelle: Moldex3D
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3D-Druck von metallischen Spritzgusswerkzeugen
Software-unterstütze Gestaltung von Temperier-Kanälen:
Quelle: Moldex3D
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3D-Druck von metallischen Spritzgusswerkzeugen
Ersatz von mechanischen Auswerfern durch ein Druckluftsystem:
► Druckluft wird durch kleine Kanäle an die Oberfläche geleitet
► Luft strömt aus durch feine Poren, in denen der Kunststoff nicht eindringen kann
► die leicht strukturierte Oberfläche kann optisch im Design integriert werden
► wartungsfreies System ohne mechanische Komponenten
► geringerer Bauraum und flexibel platzierbar
Quelle: Laser Zentrum Nord
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Weitere Formenbau-Möglichkeiten
Verfahren, wofür 3D-gedruckten Werkzeuge ebenfalls in Frage kommen sind z.B.:
► Harzgiessen (z.B. 2K-Urethan)
► Vakuum-Tiefziehen (bis zu 3000 Zyklen)
► Blasformen (z.B. HDPE-Flasche/PC-Form)
► Mess- und Montagevorrichtungen
Quelle: Javelin Technologies, Stratasys
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Wir sind für Sie da!
► Hightech Zentrum Aargau AG
Badenerstrasse 13
CH - 5200 Brugg
Tel. +41 56 560 50 50
E-Mail [email protected]
Web www.hightechzentrum.ch
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