Nachstehend der aus dem Englischen übersetzte Artikel:

DMLS or Polyjet? A Hands-On Comparison to Produce Prototype Mold Inserts

von Barbara Schulz, Gardner Business Media

Quelle: https://www.additivemanufacturing.media/articles/dmls-or-polyjet-a-hands-on-comparison-to-produce-prototype-mold-inserts 

 

Die Entwicklungsphase der Herstellung von Spritzgussteilen und Einlegeteilen erfordert oft die Herstellung von Prototypen in kleinen Stückzahlen. Dieser Formenbauer verglich zwei verschiedene AM-Technologien zur Herstellung von Prototyp-Formeinsätzen aus Werkzeugstahl und Polypropylen-Photopolymer.  

Bei der Herstellung von Prototyp-Werkzeugen weiß Lüttgens, dass das Hauptanliegen des Kunden darin besteht, schnell ein Qualitätsteil in die Hand zu bekommen. Das in Deutschland ansässige Unternehmen fertigt Spritzgussteile und thermoplastische Komponenten, einschließlich des Formenbaus und der Konzeptentwicklung.

Wenn Kunden in der Vergangenheit Prototypenwerkzeuge oder Prototyp-Spritzgussteile benötigten, benötigte das Unternehmen etwa vier bis sechs Wochen für die Entwicklung, Bearbeitung und Herstellung des Prototyp-Werkzeugs zur Herstellung des Teils. Daraufhin begann Lüttgens mit der Untersuchung verschiedener Additive Manufacturing (AM)-Techniken für Rapid Tooling, um die Vorlaufzeiten für komplette Prototyp-Formen auf eine Woche zu reduzieren. 

Drehfalle (PDF)

Lüttgens fertigte Rapid-Prototypen-Formeinsätze für diesen spritzgegossenen Drehverschluss, der in der Automobilindustrie eingesetzt wird. Der Riegel besteht aus einem thermoplastischen Copolyester-Elastomer (Hytrel 5526) mit einer Mindestwandstärke von 0,8 mm.

Das Unternehmen entschied sich, die Metallpulverbettverschmelzung mit der Polyjet-Technologie zu vergleichen, die auch als Feinschichttechnik bezeichnet wird, bei der Schichten aus flüssigem Photopolymer von einem Druckkopf aufgetragen werden und das Material mit UV-Licht aushärtet. Bei dem Testteil handelte es sich um einen Formeinsatz für eine Drehverriegelung, die in der Automobilindustrie verwendet wird (Bild oben). Die Originalform besteht aus gehärtetem Stahl mit einem Schussgewicht von 4,5 g. Das Material ist ein thermoplastisches Copolyester-Elastomer (Hytrel 5526) mit einer Mindestwandstärke von 0,8 mm.

 

Metall-Pulverbettschweißung

Die Metall-Prototypeneinsätze wurden aus 1.2709 Werkzeugstahl auf einer EOS M280 Direktes Metall-Laser-Sintern (DMLS) Maschine hergestellt. Da das Verfahren in Bezug auf Bauzeit und Rohmaterial recht teuer ist, setzt Lüttgens auf eine Hybridbauweise und druckt die erforderlichen Wendeplattengeometrien nur in 3D aus. Die Formplatte wird konventionell bearbeitet, einschließlich Kühlkanälen und Senkbohrung für Auswerferstifte und zusätzliche Schrauben.

Die AM-Bauteilkonstruktion beinhaltet Versätze von 0,2 mm im Ausrichtbereich sowie in den Bohrungen der Auswerferstifte zur Nachbearbeitung der 3D-Druckfläche. Der Bauprozess dauert 9 Stunden und das gesinterte Teil ist bereit für die weitere Bearbeitung. Der Ausrichtbereich und die Bohrungen werden gefräst oder können optional erodiert werden, um die erforderliche Oberflächenqualität und Toleranz von ±0,1 mm zu erhalten.

AM-Prototypenform hergestellt mit DMLS (PDF)

Die Metall-Prototypeneinsätze wurden aus 1.2709 Werkzeugstahl auf einer EOS M280 Direktes Metall-Laser-Sintern (DMLS) Maschine hergestellt.

Zur Inspektion hat Lüttgens das Teil mit einem optischen Messsystem von GOM vermessen, und das erzeugte 3D-Modell wurde zum Vergleich von Soll- und Ist-Werten verwendet. Mit einer Best-Fit-Funktion werden das 3D-Modell und die CAD-Datensätze an beliebigen Positionen im freien Raum überlagert, um Abweichungen zu berechnen. Laut Lüttgens sind die Abmessungen der gedruckten Form entsprechend der vorgegebenen Toleranz von ±0,05 mm genau. Die vertikalen Flächen weisen aufgrund der feinen Schichten (zwischen 20 und 50 Mikrometer) eine gute Oberflächengüte auf.

Zu den Vorteilen von DMLS zählen für Lüttgens der minimale Verschleiß, die hohe Werkzeugstandzeit, die gute Werkzeugtemperierung durch integrierte Kühlkanäle und die Möglichkeit, das Material zu schweißen und zu härten. Nachteile sind höhere Kosten und eine schlechte Oberflächengüte, die die Entformbarkeitseigenschaften verringert.

 

Polyjet

Die Polyjet-Prototypeneinsätze wurden aus Rigur-Kunststoff (RGD450) auf einer Objet30Pro-Maschine von Stratasys hergestellt. Rigur ist ein fortschrittliches simuliertes Polypropylen und bietet Haltbarkeit und eine glatte Oberfläche. Das Material wird zum 3D-Druck von Präzisionsprototypen verwendet, die wie Polypropylen aussehen und sich wie dieses verhalten. Die Schichtdicken sind mit 14 oder 27 Mikrometern extrem fein. Dadurch können Komponenten mit einer hohen Maßgenauigkeit von ±0,1 % hergestellt werden. Der Druckvorgang für diese Form dauert 9 Stunden, genau wie beim direkten Metall-Lasersintern.

Formeinsätze aus Rigur (PDF) 

Formeinsätze aus Rigur halten aufgrund der hohen Verschleißeigenschaften des Materials nur etwa 10 Schuss. Lüttgens integrierte Stahlbuchsen in den Spritzbolzenbohrungen und im Kern, aber die zusätzliche Integration von Stahlteilen ist teuer und macht die Vorteile von AM überflüssig.

Das Teiledesign ähnelt dem des DMLS-Einsatzes; die Versätze sind im Ausrichtbereich und in den Auswerferstiftbohrungen für die Nachbearbeitung (Fräsen) gleich, und alle Konturen und Formen sind integriert, jedoch ohne Kühlkanäle. Aufgrund dieser Konstruktionsänderung und der Materialeigenschaften (geringe Wärmeleitfähigkeit von 0,2 W/m²K) ist die Temperaturkontrolle beim Spritzgießen schwierig, sagt Lüttgens. Die Wärme lässt sich nicht leicht ableiten, so dass die Abkühlung des Spritzgussmaterials sehr lange dauert und die Werkzeugöffnungszeiten länger sein müssen. Die Kühlung kann durch Eisspray unterstützt werden; ein kontinuierlicher Produktionsprozess ist jedoch nicht realisierbar.

Außerdem stellte Lüttgens fest, dass die aus Rigur hergestellten Einlegeteile aufgrund der geringeren Verschleißfestigkeit des Materials nur etwa 10 Schuss halten. Laut Lüttgens ist es möglich, Stahlbuchsen in die Bohrungen der Einspritzstifte oder in den Kern zu integrieren, aber die zusätzliche Integration von Stahlteilen ist teuer und macht die Vorteile von AM überflüssig.

Hinsichtlich der Genauigkeit erreicht Polyjet eine präzisere Wiedergabe der Werkzeugoberfläche als DMLS, fand Lüttgens. Es gibt glatte Übergänge in den vertikalen und horizontalen Flächen, und der Druck mit flüssigem Material vermeidet Stufenbildung. Die Materialkosten sind gering, aber es besitzt eine plastische Duktilität mit dem Risiko der Hinterschneidungsbildung.

 

Ergebnisse

Beide 3D-Drucktechnologien, Polyjet und DMLS, erwiesen sich als geeignet, um innerhalb einer Woche schnelle Formen zu bauen, einschließlich CAD-Design (10 Stunden) und Arbeitsstunden (10 Stunden). Die Materialkosten für das direkte Metall-Laserschmelzen sind jedoch doppelt so hoch wie die für den Polyjet-Druck verwendeten RGD450, und die für den Bau der Formen erforderlichen Standardteile sowie die Druckerkosten sind bei DMLS etwa viermal so hoch. Dennoch bevorzugt Lüttgens den Bau seiner schnellen Formen mittels DMLS, da die Werkzeugstandzeit bei mehr als 500 Schuss im Vergleich zu 5 bis 10 Schuss beim Polyjet-Druck aufgrund der Verschleißeigenschaften des Materials wesentlich höher ist.