Das 3D-Druckverfahren erlaubt die Fertigung von Gussformdesigns mit einem Grad der Komplexität, die traditionelle Methoden des Formenbaus wie die CNC-Bearbeitung nicht erreichen können. Ingenieure und industrielle Produktentwickler verwenden 3D-gedruckte Gussformen für verschiedene Gussverfahren, inklusive Sandguss und dem Feinguss, was es ihnen erlaubt, mit einer breiten Palette an Materialien wie Metallen, Kunststoffen, Silikonen und selbst Beton zu arbeiten.

Durch die Verwendung von 3D-gedruckten Mustern wird der Gießprozess schneller und effizienter, was den Anspruch seitens des zeit- und kostenaufwändigen Formenbaus, insbesondere für die Prototypenfertigung und Kleinserienfertigung, verringert.

Gussform 3D-Druck vs. Traditioneller Formenbau für den Guss

Bei der Gegenüberstellung der additiven Fertigung im Vergleich zu traditionellen Formenbaumethoden, überzeugt der 3D-Druck biem Rapid Prototyping, komplexen Geometrien und der Kleinserienfertigung, während die traditionellen Methoden besser für die hochvolumige Fertigung mit überlegener Haltbarkeit des Materials und besserer Oberflächengüte geeignet sind. 3D-gedruckte Formen bieten eine höhere Präzision, schnellere Produktionszeiten und eine bessere Kosteneffizienz für kleinere Chargen, was sie zusammen mit der leichten Individualisierung und verbesserten Materialkompatibilität ideal für den Guss von Metallen und Silikonen macht.

Die folgende Tabelle umreißt die Hauptunterschiede zwischen den beiden Ansätzen, und hebt ihre Eignung für verschiedene Gussanwendungen hervor.

3D-Druckverfahren für Gussformen im Vergleich

3D-gedruckte Gussformen, sind genauso wie konventionelle Formen, Hohlformen deren innere Oberflächen die Form der äußeren Oberfläche eines verflüssigten Materials, wie eines Metalls oder Kunststoffes, bestimmt. Das zu gießende Material wird in die Gussform gegossen und kühlt dann zu einem Festkörper ab, der das Endprodukt darstellt, ab. Beide Arten von Gussformen werden dabei am Computer entworfen, und erzeugen ein virtuelles Abbild der Gussform.

Verschiedene 3D-Druckverfahren können für die Produktion von Gussformen verwendet werden. Die Wahl des Verfahrens hängt dabei oft von Faktoren wie dem zu gießenden Material, der Komplexität der Form und der gewünschten Oberflächengüte ab. Die fünf am meisten verwendeten 3D-Druckverfahren für die Herstellung von Formen bieten dabei ganz individuelle Vorteile im Hinblick auf Kosten, Auflösung und Eignung für verschiedene Materialien. 

• Für den Metallguss und Hochtemperaturmaterialien: DMLS ist hier die beste Option, da es in der Lage ist haltbare Metallgussformen zu erzeugen.
• Für den Guss von Harzen mit feinen Details: SLA oder Polyjet sind hier durch ihre hohe Auflösung und Oberflächengüte ideal geeignet.
• Für den Guss in Sandformen oder großformatige Gussformen: Binder Jetting (Freistrahl-Bindemittelauftrag) ist hier ideal, da es große Formen mit komplexen Designs erstellen kann.
• Für den Prototypenbau und einfache Formen: FDM ist kostengünstig und weit verbreitet, obwohl es eventuell mehr Nachbearbeitung benötigt um eine gute Oberflächengüte zu erreichen.

Die besten Materialien für Gussform 3D-Druck

Die Auswahl des Materials einer Form spielt eine kritische Rolle bei der Festlegung der Haltbarkeit, Genauigkeit und Kompatibilität mit bestimmten Gussverfahren. Hochtemperaturbeständige Polymere und Formen auf Sandbasis bieten je nach Gussanforderungen, wie z.B. Metall- oder Kunststoffteile, unterschiedliche Vorteile.

Die folgende Tabelle umreißt die am häufigsten verwendeten Materialien für 3D-gedruckte Gussformen, vergleicht ihre Stärken, Grenzen und idealen Verfahren, um präzise Ergebnisse in verschiedenen Gussanwendungen zu erreichen.

Verfahren wie SLS oder MJF bieten Vorteile im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften und die Fähigkeit, komplexe Geometrien zu erzeugen. In Verbindung mit Materialien wie glasgefülltem Nylon und kohlefaserverstärkten Polymerem sind diese Verfahren in der Lage, Gussformen mit verbesserter Festigkeit, Steifigkeit und einer moderaten Hitzebeständigkeit zu erzeugen. Diese Materialien sind jedoch mit höheren Kosten verbunden und müssen präzise gehandhabt werden. Eine Nachbearbeitung kann erforderlich sein, um die gewünschte Oberflächengüte zu erreichen und jegliche Porosität zu versiegeln.

Fused Deposition Modeling (FDM) mit Standardmaterialien ist in der Regel ungeeignet, um Formen für Hochtemperaturanwendungen zu erzeugen. Der Auftrag Schicht für Schicht führt oft zu porösen Strukturen, die dann beim Gießen auslaufen können. Darüber hinaus haben FDM-Materialien wie PLA oder ABS eine geringe Hitzebeständigkeit und können sich verformen oder schmelzen, wenn sie geschmolzenen Metallen oder Hochtemperaturharzen ausgesetzt werden.

Während diese Arten der additiven Fertigung vielleicht nicht für den Hochtemperatur-Metallguss geeignet sind, so können sie dennoch sehr effektiv bei Niedrigtemperaturanwendungen, wie dem Kunststoff oder Schaumguss, sein, oder für sehr kurze Produktionsabläufe, die entsprechend geplant und durchgeführt werden.

Design-Tipps für Gussformen im 3D-Druck

Für den 3D-Druck von Gussformen folgt eine Sammlung von Best Practices und Design-Tipps:

• Optimierung der Wandstärke: Prüfen Sie die Wandstärke Ihrer Gussform, um sicherzustellen, dass sie dem Gussmaterial ohne auszufallen widerstehen kann. Dünne Wände, in der Regel unter 0,8 mm, können fehleranfällig sein. Im Umkehrschluss verschwenden zu dicke Wände (in der Regel über 3 mm) unnötig Material und verlängern die Druckzeit. Für die meisten 3D-Druckverfahren wird deshalb eine maximale Wandstärke von 2 bis 3 mm empfohlen. Es ist dabei entscheidend, eine gleichmäßige Wandstärke im Design beizubehalten, um damit optimale Ergebnisse zu erzielen und die Festigkeit mit der Materialeffizienz und der Druckdauer in Einklang zu bringen.
• Ausführung für Hohl- oder Vollformen: Formen müssen, verständlicherweise, hohl sein, um Gießmaterial einfüllen zu können. Beim Entwurf der Form sollten Sie dennoch überdenken, ob es sich um ein einzelnes massives Gussstück handeln soll oder eine hohle Struktur mit inneren Stützelementen. Die hohlen Gussformen erfordern oft innere Stützstrukturen während des 3D-Drucks, um ein Zusammenfallen zu verhindern. Diese Stützen müssen dann ggf. später entfernt werden. Umgekehrt sind solide Formen einfacher, können jedoch bei komplexeren Entwürfen in mehrere Teile geteilt werden. Dieser Ansatz erlaubt eine einfachere Modifikation und Handhabung, erfordert aber auch eine sorgfältige Montage der Gussform.
• Nutzen Sie Angusskanäle und Lüftungsöffnungen: Sie können Angusskanäle und Lüftungssysteme direct in die Gussform einarbeiten. Diese Art der Integration erlaubt eine präzisere Kontrolle über das Design und gewährleistet einen optimalen Materialfluss und Luftaustritt aus der Form. Es ist zudem wichtig bereits beim Entwurf für den 3D-Druck auf Faktoren wie die Schrumpfung des Materials und die Auflösung des Druckers zu achten, um sicherzustellen, dass die Kanäle auch effektiv funktionieren können.
• Ziehen Sie die Teilung der Form in Erwägung: Für komplexere Formendesigns sollten Sie sehr sorgfältig auf die Zerteilung der Gussform achtgeben, damit das Teil dann einfach entfernt werden kann. Brechen Sie bei Bedarf die Gussform in mehrere Abschnitte auf und vermeiden Sie es, die Trennungslinien in Bereichen zu platzieren, die das Gussteil beschädigen könnten oder den Zusammenbau der Form verkomplizieren könnten. Integrieren Sie z. B. Ausrichtungsstifte, um eine genaue Ausrichtung der Formenteile zu gewährleisten. Bei diesem Ansatz können Sie zudem Kerne einsetzen, um innenliegende Merkmale im Hohlraum zu erzeugen. Diese können die Funktionalität und auch Qualität des endgültigen Gussstückes verbessern.
• Nachbearbeitung: Legen Sie die Nachbearbeitung fest, die die Gussform benötigt, z.B. Reinigung, Schleifen oder Versiegeln. Obwohl 3D-gedruckte Gussformen eine gute Form- und Maßgenauigkeit aufweisen, braucht die Oberflächengüte oft weitere Beachtung, um der gewünschten Oberflächengüte des endgültigen Gusses zu entsprechen.

3D-gedruckte Formen für den effizienten und präzisen Guss

3d-gedruckte Formen haben zu einer Verbesserung der Gussverfahren geführt indem sie eine verbesserte Präzision, schnellere Produktionszeiten (der Formen) und kostengünstigere Lösungen für kleine und große Projekte ermöglichten. Durch die Auswahl der richtigen Materialien, Designansätze und 3D-Druckverfahren können die Hersteller komplexe Formen erzeugen, die vorher schwierig oder sogar unmöglich mit konventionellen Methoden zu fertigen waren.

Haben Sie schon den 3D-Druck zum Formenbau verwendet? Teilen Sie Ihre Erfahrungen mit uns in den Kommentaren.

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