Design Tipp August 2015



Wie Sie bei der Herstellung von Kunststoffteilen zwischen 3D-Druck und CNC-Bearbeitung wechseln


Vor nicht allzu langer Zeit war die Herstellung von Prototypen und Kleinserienteilen noch ein recht kosten- und zeitintensiver Prozess. Man schickte eine Papierzeichnung an die Maschinenwerkstatt seiner Wahl, besprach mit dem Besitzer oder dem Werkstattleiter kurz den Liefertermin und den Preis und wartete ab. Musste es schnell gehen, zahlte man die Überstunden, um die Teile früher zu bekommen, dennoch war die Prototypenherstellung eine Geduldsprobe. Man erhielt zwar echte Teile, jedoch auf Kosten von wertvoller Produktionszeit und Geld.


Dann kamen die Dienstleistungsunternehmen mit ihren 3D-Druckern. Kunststoffprototypen konnten jetzt schnell und weitaus günstiger bestellt werden als in der lokalen Werkstatt, die zuerst eine Maschine einrichten musste. Das einzige Problem war das Material – diese frühen Stereolithographie (SL)-Systeme beschränkten sich auf ein oder zwei Typen von flüssigen Photopolymeren, die sich nur für Anschauungsobjekte oder als Muster für das Druck- und Spritzgießen eigneten.


Die additive Fertigung steckte noch in den Kinderschuhen. Schon bald wurden weitere Methoden mit verwirrenden Abkürzungen verfügbar. Eine davon ist das selektive Lasersintern (SLS), die anstelle von Kunststoffschmelze ein Pulverbett aus einem Polyamid-basierten Werkstoff verwendet. Stützkonstruktionen wie bei der SL sind hierbei nicht erforderlich, wodurch die Nachbearbeitungen geringer ausfallen und somit Zeit und Geld gespart werden.


Die Stereolithographie hat sich in der Zwischenzeit nicht auf ihren Lorbeeren ausgeruht. SL-Teile werden heute aus einer Reihe von Kunststoffen gefertigt, die einige der Eigenschaften technischer Kunststoffe besitzen. Diese stehen in verschiedenen Farben und Festigkeiten zur Verfügung, wodurch sie sich nicht allein zu Präsentationszwecken eignen.


Auch die maschinelle Bearbeitung hat sich im Laufe der Jahre weiterentwickelt. So ist z. B. der CNC-Bearbeitungsservice von Proto Labs in der Lage, bearbeitete Teile aus Kunststoff und Metall in kürzerer Zeit zu liefern als herkömmlichen Maschinenwerkstätten zur Angebotserstellung benötigen. Laden Sie eine CAD-Datei hoch, wählen Sie den Werkstoff und die Stückzahl aus und teilen Sie uns mit, wann Sie die Teile benötigen. Die Chancen stehen gut, dass Sie die Teile bis zum nächsten Tag erhalten können, und das zu Kosten, die mit 3D-Drucken vergleichbar sind und bei bestimmten Geometrien sogar noch niedriger ausfallen.


Wie beim Kauf eines Smartphones liegt das Problem heute in der großen Auswahl. Woher weiß ein Produktdesigner oder Ingenieur, welches Verfahren sich am besten für sein Teiledesign eignet? Beginnen wir bei der maschinellen Bearbeitung, die schon mindestens ein Jahrhundert länger als die additive Fertigung existiert.


Werkstoffauswahl


In der Regel ist Kunststoff sehr einfach zu schneiden. Zugegeben, glasfaserverstärkte Werkstoffe sind für Schaftfräsen etwas schwer zu schneiden, und Acrylate können brechen. Teflon ist glatter als ein Politiker. Doch im Wesentlichen ist die Bearbeitung von Kunststoff so einfach wie es den Anschein hat.


Proto Labs ist in der Lage, mehr als drei Dutzend Typen von technischen Thermoplasten zu bearbeiten. Einige davon sind auch bei den additiven Verfahren von Proto Labs erhältlich, doch in Bezug auf Materialauswahl und Qualität gewinnt ganz klar die maschinelle Bearbeitung. Acryl, Acetal, ABS, Nylon, PC, PP, PEI und PEEK – diese und eine Reihe weiterer Kunststoffe decken die Bedürfnisse von nahezu jedem vorstellbaren Teiledesign ab. Endbearbeitete Kunststoffteile können für Tests der Form und Passgenauigkeit und in vielen Fällen sogar als funktionsfähige Teile verwendet werden.

Viele Frästeile aus Kunststoff kommen in funktionalen Endanwendungen zum Einsatz.

Viele Frästeile aus Kunststoff kommen in funktionalen Endanwendungen zum Einsatz.



Bei den additiven Verfahren mit Kunststoff sind die Materialoptionen begrenzter. SL-Teile werden aus Photopolymeren gebaut, die einige der Eigenschaften von Kunststoffen, wie ABS, PC und PP besitzen. Sie eignen sich gut für Prototypen zur Überprüfung von Form und Passform, bei funktionsfähigen Teilen jedoch sollte die maschinelle Bearbeitung gewählt werden, wenn das Design dies zulässt. Etwas anders verhält es sich mit dem SLS, das für den Teilebau echte thermoplastische Polyamide verwendet. Dieses Verfahren verleiht 3D-gedruckten Teilen in der Regel eine höhere Haltbarkeit und Steifigkeit, doch die Farboptionen beschränken sich buchstäblich auf Schwarz und Weiß und die Oberflächenqualitäten sind nicht annähernd so hochwertig wie bei bearbeiteten Teilen.


Geometrie


Bei der Teilegeometrie kommt das Bearbeitungsverfahren manchmal schlecht weg. Proto Labs verwendet 3-Achsen-CNC-Bearbeitungszentren. Diese produzieren größtenteils orthogonale Teile: ein Motorlager, ein Kameragehäuse, die Grundplatte für ein Thermostat oder sogar das Thermostatgehäuse selbst – diese sind durchweg bestens geeignet für die Bearbeitung.


Scharfe Innenkanten an vertikalen Wänden stellen eine Herausforderung dar, ebenso wie Hinterschneidungen, die mehr als ein paar Zoll tief sind. Fast alles andere ist jedoch ein leichtes Spiel. Proto Labs plant im Verlauf des Jahres 2015 die Einführung eines CNC-Drehservice für Kunststoffe als Gegenstück zu unserem aktuellen CNC-Drehverfahren für Metalle. Zylindrische Kunststoffteile – eine Antriebswelle für einen Motorschlitten oder eine Anhängerkupplung – können bis dahin weiterhin durch maschinelle Bearbeitung (oder 3D-Druck) hergestellt werden.


Und dann gibt es Teiledesigns, bei denen die maschinelle Bearbeitung versagt. Hier treten die additiven Verfahren auf den Plan. Es wäre beispielsweise unmöglich, einen Lochball zu bearbeiten – ein leichtes Spiel hingegen für SL und SLS. Die Bearbeitung der internen Kühlkanäle eines Wärmetauschers wäre ebenfalls eine Herausforderung, mit der additiven Fertigung jedoch durchaus möglich.


Eine SL-Maschine erzeugt ein fertiges ABS-ähnliches Teil mit Stützstrukturen.

Eine SL-Maschine erzeugt ein fertiges ABS-ähnliches Teil mit Stützstrukturen.



Bei anderen Teilen ist das Ergebnis völlig offen. Ein Siegelring kann maschinell bearbeitet oder gedruckt werden, es wäre jedoch verschwenderisch und zeitaufwendig, das Material aus dem Ring herauszufräsen. Das gleiche gilt für einen Bilderrahmen oder ein Serviettenhalter-Set. Das additive Verfahren hat hier die Nase vorn, da es in der Lage ist, nur das tatsächlich benötigte Material zu drucken.


Eine weitere wichtige Überlegung, die bei der Geometrie berücksichtigt werden sollte ist die Frage, ob das Teil am Ende in einem Fertigungsprozess, z.B. dem Spritzgießen, auch in größeren Mengen hergestellt werden kann. In der Regel kann ein bearbeitetes Teil aus zwei Gründen einfacher im Spritzgussverfahren hergestellt werden als ein additives Teil: Das bei der Bearbeitung verwendete Material kann im Spritzgussverfahren einfacher vervielfältigt werden und 3D-gedruckte Teile mit hochkomplizierten Geometrien müssen mit hoher Wahrscheinlichkeit geändert werden, damit sie effektiv spritzgegossen werden können.


Toleranzen und Oberflächenqualität


Neben der Werkstoffauswahl gibt es weitere wichtige Unterschiede zwischen der maschinellen Kunststoffbearbeitung und additiven Verfahren. Im Hinblick auf die Genauigkeit und die Oberflächenqualität ist die Bearbeitung tendenziell genauer und besitzt eine bessere langfristige Maßhaltigkeit als SL-Teile, während die Oberflächenqualitäten zwischen den beiden Verfahren in etwa vergleichbar sind. SLS-Teile besitzen rauere Oberflächenfinishs als SL- oder bearbeitete Teile, sind stabiler als SL-Teile und etwa genauso formstabil wie bearbeitete Nylonteile.


Prototypenherstellung mit dem Spritzgussverfahren


Das Schnellspritzgießen fällt beim Vergleich von additiven Verfahren und Kunststoffbearbeitung aus dem Rahmen. Obwohl das Spritzgussverfahren bei Proto Labs oft für die Kleinserienproduktion eingesetzt wird, nutzen die meisten Kunden den Service auch für die Herstellung kleiner Mengen an Prototypen und Produktionsteilen bei ähnlichen Bearbeitungszeiten wie mit additiven Verfahren und der maschinellen Bearbeitung. Ist dies der Fall, spielen verschiedene Designüberlegungen z.B. in den genannten Bereichen Materialauswahl, Geometrie und Toleranzen eine Rolle. Das ist jedoch vielleicht ein Thema für einen künftigen Designtipp.


Bei kleinen Stückzahlen von Kunststoffteilen gibt es viel zu berücksichtigen. Wenn Sie ein Design vorliegen haben, laden Sie es am besten unter protolabs.de hoch und fordern Sie ein interaktives Angebot für die verschiedenen Fertigungsoptionen an, um diese in Bezug auf Preis, Bearbeitungsdauer und Materialauswahl zu vergleichen. Sollten noch Fragen offen sein, beachten Sie unser vollständiges Materialangebot, oder rufen Sie einfach die Mitarbeiter unseres technischen Kundendienstes unter der Nummer +49 (0) 6261 6436 947 an.