Der Hauptkostenträger bei der Herstellung von Kunststoffbauteilen im Spritzgussverfahren ist die Herstellung der Spritzgussform. Besonders bei komplexen Geometrien fallen hohe Kosten und Herstellzeiten für gefräste und erodierte Formen an. Aus diesem Grund können Investitionen in Spritzgussformen fast ausschliesslich mit hohen Stückzahlen begründet werden

Arnold, Sascha

Brändli, Christof

Jenal, Nicolai

Penner, Dirk

Preisig, Felix

Vetterli Hanimann, Bettina

Wick, René

ZHAW digitalcollection

2 15 – 6 / 2 0 2 2KUNSTSTOFF XTRA I N T E L L I G E N T E  F E R T I G U N GAbb. 2: Beispiele von mit wasserlöslichen Spritzgussformen hergestellten, gesinterten Al2O3 Bau-teilen (A, B), sowie keramischer Heizelemente im Grünzustand (C). Adaptiert aus Wick et al.Abb. 1: (A) Stahladapter mit beidseitigen Aussparungen für additiv gefertigte Werkzeuge. (B) Mittels DLP hergestellte Spritzgussformen. (C) Grünling eines keramischen Heizelements. (D) Gesintertes Heizelement während eines Glühtests mit einer angelegten Leistung von 100 W. Adaptiert aus Wick et al. Intelligente Fertigung von komplexen BauteilenModular und 3D-gedrucktDer Hauptkostenträger bei der Herstellung von Kunststoffbauteilen im Spritzgussverfahren ist die Herstellung der Spritzgussform. Besonders bei komplexen Geometrien fallen hohe Kosten und Herstellzeiten für gefräste und erodierte Formen an. Aus diesem Grund können Investitionen in Spritzgussformen fast ausschliesslich mit hohen Stückzahlen begründet werden. Sascha Arnold, Nicolai Jenal,  Felix Preisig, Bettina Vetterli, René Wick-Joliat, Dirk Penner, Christof Brändli ¹Rapid Prototyping wird bis anhin vor allem in den ersten Entwicklungsphasen ge-nutzt, welche die Bereiche Design und Vorserien abdecken. Dabei werden erste Versuche mit vereinfachten Modellen, wel-che Teilfunktionen des Endproduktes ab-decken, durchgeführt. Das Rapid Tooling geht über den Prototypenbau hinaus, in-dem Vor- und Kleinserien mit Werkzeugen aus 3D-Druck hergestellt werden. [1] Be-sonders in der Prototyping-Phase ist der Wunsch nach der schnellen und kosten-günstigen Verfügbarkeit von Spritzgusstei-len gross. Damit könnten verschiedene Konzepte und Geometrien schon früh aus-getestet und evaluiert werden. Durch die breite Verfügbarkeit und mittlerweile rela-tiv grosse Vielfalt an 3D-Druckern und Ma-terialien ist die additive Fertigung vermehrt in den Vordergrund gerückt. Die damit di-rekt hergestellten Teile sind oft weder me-chanisch noch in der Oberflächengüte mit Spritzgussteilen vergleichbar. Als Erweite-rung oder Alternative wurden in jüngster Zeit Konzepte zum Einsatz additiv gefertig-ter Spritzgussformen entwickelt.3D-Druck-VerfahrenEines der weitest verbreiteten additiven Fer-tigungsverfahren ist das Fused Layer Mode-ling (FLM), welches auch als Fused Deposi-tion Modelling (FDM) oder Fused Filament Fabrication (FFF) bezeichnet wird. Dabei wird das Kunststofffilament aufeinanderge-schichtet und zusammengeschweisst, um ein Bauteil zu erzeugen. Aufgrund der gerin-gen Anschaffungskosten und der einfachen Handhabung werden entsprechende Geräte sowohl im Prototypenbau wie auch bei pri-vater Endkundschaft verwendet. [2] In der Digital Light Processing-Technologie (DLP) und der Stereolithografie (SLA) wird mit ei-nem Laser oder einer 2D-Projektion von UV-Licht jeweils eine dünne Schicht eines Be-hälters mit flüssigem, photoreaktivem Polymer ausgehärtet. Nach dem Aushärten einer Schicht verschiebt sich das Druckbett (Bauplattenform mit Hubtisch) in negativer z-Richtung, Anschliessend wird die nächste Schicht ausgehärtet.Das Institut für Material- und Verfahrens-technik (IMPE) der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) be-fasst sich mit mehreren Konzepten zur Nutzung von additiver Fertigung im Spritz-gussprozess. Der vorliegende Beitrag zeigt einerseits, wie keramischer Pulverspritz-guss mit additiv gefertigten Formen für die Herstellung komplexer Bauteile eingesetzt werden kann. Andererseits wurden modu-lar aufgebaute Spritzgussformen für den variablen Einsatz ausgearbeitet.1 Sascha Arnold, Nicolai Jenal,  Felix Preisig, Bettina Vetterli, Dr. René Wick-Joliat, Prof. Dr. Dirk Penner,  Prof. Dr. Christof Brändli, alle Institut für Material- und Verfahrenstechnik (IMPE) der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW), Winterthur2 2 5 – 6 / 2 0 2 2KUNSTSTOFF XTRAI N T E L L I G E N T E  F E R T I G U N GAbb. 3: Durch DLP hergestellte Werkzeuge vor (A) und nach (B) dem Spritzguss, sowie die ge-sinterten Bauteile (C). Elektronenmikros kop-Aufnahmen zeigen die hohe Qualität des Bauteils an den feinen Strukturen des Gewindes (D). Adaptiert aus Wick et al.Abb. 4: Keramischer Tiegel mit integrierter Heizspirale. (A) CAD-Design; (B) spritzgegossenes Grünteil nach dem Auflösen der PVA Form; (C) Gesinterter Tiegel während eines Glühtests.KUMA Solution GmbH | Neuweg 31A | CH-4852 Rothrist | Tel +41 62 794 37 41 | info@kuma-solution.ch | www.kuma-solution.chIhr zuverlässiger Partner, wenn es um Peripherie in der Kunststoffverarbeitung geht! Wir planen Komplette Granulattransport- und Vakuumleitungssysteme.Wir berechnen Anhand der benötigten Förderleistungen die Leitungsquerschnitte.Wir installieren Die gesamten Systeme inklusive Halterungsbau.Wir erweitern  Bestehende Leitungssysteme und bauen bestehende System um.Mit unseren Partnern sind wir absolute Profis  im Rohrleitungsbau für die Granulatförderung!Ins Kuma.indd   1 17.08.21   07:37Pulverspritzguss mit additiv  gefertigten FormenNicht nur Kunststoffe können in additiv gefertigten Formen hergestellt werden. Auch Keramik- und Metallgrünkörper las-sen sich auf diese Weise verarbeiten. Der Prozess des Pulverspritzgusses basiert auf der Mischung einer thermoplastischen Binderrezeptur mit einem etwa gleich gros sen Volumenanteil an keramischem oder metallischem Pulver. Nach dem Formgebungsprozess des Spritzens muss der organische Binder vorsichtig und lang-sam entfernt werden. Dazu setzt man vorzugsweise eine zweischrittige Strategie ein. Im ersten Teil wird mit Hilfe eines Lö-sungsmittels vorentbindert, um mikrosko-pische Kanäle durch teilweise Lösung des Binderpolymers zu öffnen. Im zweiten Schritt wird der Rest des Binders ther-misch zersetzt. Danach wird das in die-sem Zustand fragile und empfindliche Bauteil noch nach keramik- oder metall-üblichen Programmen zur gewünschten Dichte gesintert. Schliesslich werden Bau-teile in hoher Qualität, geometrischer Komplexität und Dimensionsstabilität er-reicht. Auf Grund der hohen Kosten für die Formen, der Verwendung von grossen Mengen zu zersetzendem Binder und lan-gen Entbinderungszeiten wird das Verfah-ren jedoch nur wirtschaftlich dort einge-setzt, wo klassische pulverbasierte Ver-fahren ihre Grenzen erreichen.Das Themenfeld der Kosten für den For-menbau erhält jüngst durch die aufkom-menden Möglichkeiten der additiven Ferti-gung von Prototypen- und Kleinserienfor-men eine neue Facette. So lag es nahe, diese Technologie auch im Zusammenhang mit der Fertigung pulverbasierter Sinter-werkstoffe, namentlich Keramiken, zu er-proben. An der ZHAW wurden Spritzguss-werkzeuge mittels DLP oder FDM gedruckt und verwendet, um beispielsweise kerami-sche Heizelemente zu spritzen (Abb. 1). Die technische Machbarkeit spritzgegossener keramischer Heizelemente, bestehend aus einem MoSi2/Al2O3/Feldspat-Komposit, wurde in einer kürzlichen Studie demonst-riert. [3] Je nach verwendetem Material und Bauteilgeometrie können solche 3D-ge-druckten Werkzeuge für Serien von 10 bis 100 Teilen verwendet werden, bevor sich durch die hohen Druck- und Temperaturbe-lastungen Risse im Werkzeug bilden.Ein neuer innovativer Ansatz ist die Her-stellung von löslichen Formen. Die geome-trischen Restriktionen des klassischen Spritzgusses liegen unter anderem in der Vermeidung von Hinterschneidungen, Ka-nalstrukturen etc. Hier bietet die Verwen-dung von löslichen Formen eine interes-sante Erweiterung. Durch die Herstellung von löslichen verlorenen Formen und Ein-sätzen können so noch komplexere Geo-metrien realisiert werden.Hierfür werden die Spritzgussformen bei-spielsweise aus PVA gedruckt, welches dank der guten Wasserlöslichkeit gerne als Stütz-material im FDM-Druck verwendet wird. Nach dem Spritzguss wird die PVA Form im Wasserbad aufgelöst und gleichzeitig wird das Keramikbauteil vorentbindert. Nach dem für Keramiken üblichen thermischen Entbin-dern und Sintern können so Bauteile von hoher Sinterdichte mit komplexen Geomet-rien erhalten werden (Abb. 2).Eine weitere Möglichkeit ist die Verwen-dung UV-härtender, wasserlöslicher Harze im DLP- oder SLA-Verfahren. So gefertigte Spritzgusswerkzeuge weisen eine im Ver-gleich zu den oben erwähnten PVA-For-men höhere Auflösung auf und eignen sich daher besonders für Bauteile mit fei-nen Strukturen. Abbildung 3 zeigt den Herstellungsprozess keramischer Dental-implantate mittels DLP-gedruckter Spritz-gussformen und die hohe geometrische Auflösung, die durch das Verfahren er-reicht werden kann anhand einer Elektro-nenmikroskopaufnahme.Sogar die Machbarkeit des 2-Komponen-ten-Keramikspritzgusses konnte kürzlich gezeigt werden. [3] Hier wurde eine was-serlösliche Form im FDM-3D-Druck aus wasserlöslichem Standard-Stützmaterial gedruckt und anschliessend mittels Spritz-guss mit keramischer Masse unterschiedli-cher elektrischer Leitfähigkeit gefüllt. Das Resultat war ein direkt elektrisch beheizba-rer Schmelztiegel mit selektiven Heizzonen, wie in Abbildung 4 gezeigt.Modular aufgebaute  SpritzgussformenIn diesem Abschnitt wird ein Konzept dar-gestellt, wie mittels 3D-Druck kostengüns-2 35 – 6 / 2 0 2 2KUNSTSTOFF XTRA I N T E L L I G E N T E  F E R T I G U N GAbb. 5: (A) Halteform mit 2 Aussparungen, Rippe, Braue und Angusskanal; (B) Dichtungskontur um die Prüfkörperform zur Abdichtung; (C) zeigt eine Darstellung des Angussblockers in 2 Konfigurationen; (D) Positionierungskonzept mit Schlüssel-Schloss-Prinzip, Bohrung für Positio nierungszapfen und Fingeraussparungen.KUMA Solution GmbH | Neuweg 31A | CH-4852 Rothrist | Tel +41 62 794 37 41 | info@kuma-solution.ch | www.kuma-solution.chIhr zuverlässiger Partner, wenn es um Peripherie in der Kunststoffverarbeitung geht! 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Darin kön-nen additiv gefertigte Einlagen eingesetzt werden (siehe Abb. 1 A). Mit dem FLM-Verfahren wurden hauptsächlich PETG und PETG-20CFK verarbeitet. Im SLA-Verfahren wurden verschiedene tempera-turstabile und zähe Harze auf Basis von Acrylaten umgesetzt. Für die Prüfkörper wurden einerseits EBA, welches sich dank seiner tiefen Viskosität gut spritzgiessen lässt, verwendet. Andererseits wurde HDPE, bei welchem die Verarbeitungs-temperatur, der Einspritzdruck und der Nachdruck höher liegen und welches deshalb anspruchsvoller zu verarbeiten ist, ausgewählt.Die Ideenfindung wurde mittels eines morphologischen Kastens unterstützt, und es wurden verschiedene Optionen ausge-arbeitet (eine Anpassung des morphologi-schen Kastens wurde nach der 2. Genera-tion vorgenommen). [4]Das Konzept beinhaltet eine gedruckte Halteform, welche zwei Vertiefungen für unterschiedliche Prüflinge enthält. Die Aussparung 1 ist für die gesamte Gruppe 1 und Vertiefung 2 für die Platte des Wär-meleitprüfstandes (Gruppe 2). Die Aus-2 4 5 – 6 / 2 0 2 2KUNSTSTOFF XTRAI N T E L L I G E N T E  F E R T I G U N GAbb. 6: Finales modulares Konzept zur Herstellung von verschiedenen Prüfgeometrien. (A) Vorderseite der Halteform mit einer Prüfkörperform für den Zugstab; (B) Vorderseite der Halteform mit einer Prüfkörperform für die Wärmeleitplatte.Abb. 7: (A) PDMS-Form als Negativ für die Herstellung von Epoxidharz-Formen; (B) Unter-schiedliche Epoxidharz-Formen mit Kohlenstoff-Kurzschnittfasern verstärkt.sparung 1 besitzt einen Anzugswinkel von 20 °, um eine Selbsthemmung der Prüfkör-perform in der Halteform zu ermöglichen und trotzdem eine einfache Montage und Demontage zuzulassen. Es wurden Rippen an den Eck-Fasen zur Positionierung der Halteform in der Formhälfte angebracht. Die Halteform wurde über diese Rippen positioniert, die auch Toleranzen ausglei-chen konnte (Abb. 5 A).Eine dünne Dichtungskontur (Abb. 5 B) wurde implementiert, damit nach dem Schliessen des Werkzeugs ein definierter Dichtungsbereich vorhanden ist, welcher die Trennebene der Form abschliesst. Durch leichtes Zusammenpressen der Dichtkontur mittels der Schliesskraft kön-nen Unebenheiten der Formflächen wie auch Höhentoleranzen zwischen den For-men vernachlässigt werden. Diese treten im 3D-Druck von Kunststoffen oft auf und sind nicht zu vermeiden.Um die Schmelze in den richtigen Bereich der Form einzuleiten, können zwei unter-schiedliche Angussblocker (Abb. 5 C) ge-wählt werden. Ein Angussblocker lässt eine Befüllung der Wärmeleitplatte zu, während der andere Angussblocker das Befüllen der anderen Prüfkörperformen zulässt.Um die Prüfkörperform in der Halteform zu positionieren, können Positionierungs-geometrien auf der Unterseite (Schlüssel-Schloss-Prinzip) angebracht werden. Damit die Halteform in der Formhälfte in Position gehalten werden kann, sind Bohrungen für Stifte vorhanden (Abb. 5 D). Zudem sind Aussparungen auf der Unterseite vorhan-den, um Magnete einzulegen, damit die Prüfkörperformen in der Halteform gehal-ten werden.Nach mehreren Iterationen schälte sich das in Abbildung 6 dargestellte Konzept als op-timale Lösung heraus. Damit die Halteform fest in der Formhälfte sitzt, ist ein Exzenter verbaut, welcher bei der Montage gedreht wird und so die Halteform in der Formhälf-te verspannt. Dieses einfache Prinzip er-wies sich als sehr vorteilhaft.Es wurde temperaturbeständiges SLA-Harz für Bauteile verwendet, welche eine Dau-erfestigkeit aufweisen sollten. Bauteile, welche flexibel und abdichtend gegenüber angrenzenden Teilen wirken, wurden mit einem zähen SLA-Harz hergestellt. Um die Lebensdauer der Prüfkörperformen zu er-höhen, wurden Formen aus Epoxidharz gegossen. Dabei wurde ein Negativ aus PDMS mittels SLA hergestellt. Zusätzlich wurden Aluminiumpulver, Kohlenstoff-Kurzschnittfasern und weitere Kohlenstoff-fasern in das Epoxidharz eingearbeitet (Abb. 7).ZusammenfassungEs gibt weltweit viele Aktivitäten rund um die Kombination von additiver Fertigung mit dem Spritzgussprozess. Dieser Beitrag zeigt, wie komplexe funktionale Bauteile durch die Integration von additiv gefertig-ten Formen in den keramischen Pulver-spritzguss hergestellt werden können und wie ein modulares Konzept für die flexible Herstellung von unterschiedlichen Spritz-gussteilen realisiert werden kann.Literaturverzeichnis:[1] R. Lachmayer, K. Rettschlag, und S. Kai-erle, Konstruktion für die Additive Ferti-gung 2020. Springer, 2021.[2] R. Lachmayer und R. B. Lippert, «Einlei-tung», in Entwicklungsmethodik für die Ad-ditive Fertigung, R. Lachmayer und R. B. Lip-pert, Hrsg. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2020, S. 1–5. doi: 10.1007/978-3-662-59789-7_1.[3] R. Wick-Joliat, M. Tschamper, R. Kontic, und D. Penner, «Water-soluble sacrificial 3D printed molds for fast prototyping in ceramic injection molding», Addit. Manuf., Bd. 48, S. 102408, 2021.[4] F. Zwicky, «Entdecken, erfinden, for-schen im morphologischen Weltbild», Mu-enchen Droemer, 1966.KontaktZHAW – Zürcher Hochschule  für Angewandte WissenschaftenIMPE, Institut für Material-  und VerfahrenstechnikProf. Dr. Christof Brändli, Leiter Labor  für Klebstoffe und Polymere MaterialienCH-8401 Winterthurchristof.braendli@zhaw.chwww.zhaw.ch/impe n

Modular und 3D-gedruckt

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