Vakuumgießen (Polyurethanguss) ist die perfekte Lösung für Rapid Prototyping und kostengünstige Kleinserienfertigung von Kunststoffteilen. Die Urform ist kostengünstig herzustellen und so fein verarbeitet, dass die resultierenden Kunststoffteile kaum oder gar keine Nachbearbeitung erfordern. Mit jeder Urform lassen sich etwa 25–30 Kopien herstellen, die schnell und in kurzer Zeit hergestellt werden können. Für die Herstellung von Kunststoffteilen in kleinen Stückzahlen ist das Gießen von Polyurethan wirtschaftlicher als das Spritzgießen. Das Vakuumgießen steht im Gegensatz zu den harten Formen, die beim Spritzgießen erforderlich sind. Während beim Spritzgießen teure, aufwändige Werkzeuge erforderlich sind, werden beim Polyurethanguss flexible Silikon-Masterformen verwendet, die es Herstellern ermöglichen, hochwertige Kunststoffteile für den Endverbrauch mit kürzeren Vorlaufzeiten und geringeren Kosten herzustellen. Aus diesem Grund wird Vakuumguss häufig für Brückenformen, die Herstellung kleiner Stückzahlen, das Rapid Prototyping, die Herstellung von Verbindungen und die Herstellung von Kunststoffteilen mit feinen Details verwendet.
Hinweis: Vakuumguss wird auch Polyurethanguss oder Urethanguss genannt. In diesem Artikel werden diese Begriffe synonym verwendet.
Der Prozess des Polyurethan-Gießens umfasst zunächst die Erstellung eines Urmodells – im Wesentlichen eine Nachbildung des endgültigen Teils (normalerweise 3D-gedruckt oder CNC-bearbeitet). Beim Vakuumgießen handelt es sich um ein dem Spritzgießen ähnliches Herstellungsverfahren, bei dem Polyurethanharz in einen Hohlraum zwischen zwei Silikonformhälften gegossen wird. In einem fachmännischen Verfahren wird das Meistermodell durch Umgießen einer Silikonform nachgebildet. Die Hauptform wird in zwei Hälften geschnitten und nach dem Entfernen der Hauptform werden die Gieß- und Belüftungssysteme hinzugefügt. Anschließend gießt der Schnellverarbeiter ein Harz auf Polyurethanbasis in den entstandenen Hohlraum und härtet ihn unter Vakuum aus, um das Eindringen von Luftblasen zu verhindern.
Das Ergebnis: eine äußerst genaue Reproduktion des Originalprodukts.
Die Herstellung eines im Vakuum gegossenen Polyurethan-Prototyps umfasst 3-Schlüsselschritte: Erstellen des Urmodells, Erstellen der Form und Gießen des Teils:
Schritt 1. Hauptmodell oder Hauptmuster
Das Mastermuster ist die physische Einheit des CAD-Designs. Sie müssen Temperaturen bis 40°C standhalten. Sie werden typischerweise unter Verwendung von hergestellt CNC-Bearbeitung or 3D Druck Technologien wie SLA/SLS. Denn diese Technologien schaffen hochauflösende und natürlich glatte Produkte.
Schritt 2. Machen Sie die Form
Zur Herstellung von Gussformen wird flüssiges Silikon verwendet. Gießen Sie dieses Silikon in den Gusskasten rund um das Hauptmodell. Silikon umschließt alle Eigenschaften des Meistermodells und härtet 16 Stunden lang im Ofen aus. Wenn die Form ausgehärtet ist, wird sie aufgeschnitten und die Mutterform entfernt, sodass ein negativ geformter Hohlraum zurückbleibt, der genau dem Original entspricht.
Schritt 3. Kopie erstellen
Im letzten Prozessschritt wird flüssiges Polyurethan in die Silikonform gegossen. Anschließend wird die Form in die Kammer gestellt, um Luftblasen in der flüssigen Masse zu entfernen. Bei undurchsichtigen Teilen steht die Kammer normalerweise unter Druck. Bei klaren Teilen wird die Kammer oft evakuiert, um Luftblasen zu reduzieren und die Transparenz zu verbessern. Die Silikonhälften werden getrennt und der neu entstandene Abschnitt nach dem Aushärten entfernt. Setzen Sie diesen Vorgang fort, bis Sie die gewünschte Menge erreicht haben. Mit Silikonformen können in der Regel etwa 25 Nachbildungen des Meistermodells hergestellt werden.
Vakuumgussanwendungen
Vakuumgießen ist ein ideales Verfahren zur Herstellung von Kunststoffteilen für Kleinserienprodukte, die eine nahezu serienmäßige Qualität erfordern. Durch diesen Prozess entstehen hochdetaillierte Mastermodelle, die praktisch nicht vom Endprodukt zu unterscheiden sind. Dadurch sind Polyurethan-Gussmodelle ideal für Investoren-Pitch-Präsentationen, Messen und kommerzielle Fotografie. Da mit einer Silikonform etwa 25 Gussteile hergestellt werden können, ermöglicht das Vakuumgießen dem Unternehmen auch die Einführung einer ersten Produktserie für frühe Markttests.
Wenn für ein Projekt eine größere Menge an Kunststoffteilen erforderlich ist, gibt es verschiedene Möglichkeiten:
- Die gleiche Urform kann zur Herstellung weiterer Silikonformen wiederverwendet werden.
- Zur Erstellung von Formen mit mehreren Kavitäten können mehrere Urmodelle verwendet werden.
- Formenbauer können Hochtemperatur-Vulkanisationssilikon (HTV) oder Gummi anstelle von Raumtemperatur-Vulkanisationssilikon (RTV) verwenden. Dies macht die Formen haltbarer und verlängert die Lebensdauer jeder Form auf bis zu 300–500 Gussteile.
Mit einer Vorlaufzeit von nur etwa 10 Tagen von der Herstellung des Meistermodells bis zum Erhalt des gegossenen Kunststoffprodukts eignet sich das Vakuumgießen nicht nur für das Rapid Prototyping, sondern auch für die Brückenproduktion ohne die großen Vorabinvestitionen, die mit Industriequalität einhergehen Fertigungsverfahren wie Spritzguss. , Thermoformen und Rotationsguss.
Da durch das Vakuumgießen äußerst detaillierte Kunststoffteile mit einer perfekten Oberflächenbeschaffenheit aus einer Vielzahl von Materialien mit einem breiten Spektrum an mechanischen Eigenschaften hergestellt werden können, eignet es sich für Endprodukte in kleinen Stückzahlen wie:
- Maßgeschneiderte medizinische Geräte wie Prothesen, Orthesen und Hörgeräte
- Autoteile: Armaturenbretter, Knöpfe, Anzeigen, Abzeichen, Motorhaubenverzierungen, Beleuchtungslinsen, Ansaugkrümmer
- Unterhaltungselektronik: Gehäuse, Controller, Benutzeroberflächenpanels, Sensorintegration
- Kritische Komponenten und Ersatzteile für Roboter und Industriemaschinen
- Konsumgüter: Sonnenbrillen in limitierter Auflage, Stifte, Handyhüllen
- Kunstwerke, Statuen, maßstabsgetreue Modelle, Requisiten
Design zur Herstellbarkeit für Vakuumguss
Polyurethan-Gussmaterialien sind in der Lage, Leistungseigenschaften zu liefern, die mit den im Spritzguss verwendeten Thermoplasten vergleichbar sind. Allerdings erfordert der Prozess des Vakuumgießens hochwertiger Teile, die alle Leistungsanforderungen erfüllen, wie bei anderen Produktionsmethoden auch, dass die Designteams das Design im Hinblick auf die Herstellbarkeit befolgen (DFM) empfohlene Vorgehensweise. Hier sind einige der wichtigsten Richtlinien, die Sie beachten sollten:
Toleranzen beim Urethan-Guss
Während des Vakuumgießprozesses zur Herstellung von Kunststoffteilen sind gewisse Abweichungen unvermeidlich. Typische Toleranzen für gegossene Polyurethanteile betragen typischerweise etwa ± 0.015 Zoll pro Zoll oder ± 0.003, je nachdem, welcher Wert größer ist. AN-Prototype kann von Fall zu Fall engere Toleranzen vorsehen.
Im Allgemeinen ist ein Schrumpf von +0.15 % typisch. Dies wird durch die thermische Ausdehnung des Polyurethan-Gussmaterials und die entsprechende Erwärmung der flexiblen Silikonform verursacht.
Darüber hinaus ist es wichtig zu beachten, dass Polyurethan-Gussteile zwar gut nachbearbeitet werden können (obwohl zusätzliche Prozesse wie Polieren oder kundenspezifische Veredelung die Produktionskosten schnell erhöhen können), bestimmte Designmerkmale wie scharfe Ecken oder Beschriftungen jedoch zu leichten Rundungen führen können . Der Abkühlungsprozess beeinflusst die Definition feinerer Details. Das heißt, dem Hauptmuster kann ein Finish hinzugefügt werden, das ein SPI-Finish oder eine SPI-Textur nachahmt. Sie können Gussteile aus Polyurethan auch so lackieren, dass sie den Pantone-Farben entsprechen, und bestimmte Farben und Pigmente können auch direkt dem Gussmaterial hinzugefügt werden.
| Beschreibung | Beschreibung |
|---|---|
| Abstandsmaße | Typische Toleranzen betragen +/- 0.010 Zoll oder +/- 0.003 Zoll pro Zoll, je nachdem, welcher Wert größer ist. Unregelmäßige oder zu dicke Geometrien können zu Schrumpfungsabweichungen oder Durchbiegungen führen. |
| Schwundminderung | Aufgrund der thermischen Ausdehnung der Flüssigkeit und der Reaktion der flexiblen Form ergibt sich eine Schrumpfungsrate von +0.15 %. |
| Oberflächenqualität | Die Oberfläche wird außen geglättet, um ein seidenmattes oder mattes Erscheinungsbild zu erzielen. Wachstumslinien können an inneren oder schwer zugänglichen Stellen auftreten. |
| Funktionsdefinition | Text und scharfe Ecken können etwas abgerundet wirken. |
| Größenempfehlung | Wir können Urethangussteile mit einer Länge von bis zu 1900 mm liefern. |
Wandstärke
Kunststoffteile, die im Polyurethanguss hergestellt werden, sollten eine Mindestwandstärke von 0.040 Zoll (1 mm) haben, obwohl einige kleine Teile Wandstärken von nur 0.020 Zoll (0.5 mm) haben können. Größere Teile erfordern normalerweise dickere Wände, um die strukturelle Integrität des Teils sicherzustellen.
Beim Polyurethan-Guss können Teile mit unterschiedlichen Wandstärken oder unregelmäßigen Geometrien hergestellt werden. Solche Teilekonstruktionen sollten jedoch nur durchgeführt werden, wenn dies unbedingt erforderlich ist. Die Beibehaltung einer konstanten Dicke trägt dazu bei, die Möglichkeit einer übermäßigen Schrumpfung und Verformung während des Aushärtungsprozesses zu minimieren.
Undercutting und Drafting
Während Hinterschneidungen Spritzgusskonstruktionen erschweren können, ermöglichen die flexiblen Silikonformen, die beim Polyurethanguss verwendet werden, häufig eine einfache und beschädigungsfreie Entnahme der Teile.
Das Gleiche gilt für Entformungsschrägen: Sie sind notwendig, um ein Werkstück aus einer Metallform auszuwerfen, sind jedoch für Polyurethan-Gussteile weniger wichtig. Allerdings kann die Einbeziehung eines Entformungswinkels von 3–5 Grad in die Teilekonstruktion die Belastung der Form erheblich reduzieren und deren Lebenszyklus verlängern.
Brustkorb
Rippen erhöhen die Stabilität und Festigkeit, es ist jedoch wichtig, sicherzustellen, dass sie so ausgerichtet sind, dass die Biegesteifigkeit der von ihnen getragenen Wand maximiert wird. Als allgemeine Faustregel gilt, dass die Höhe einer Rippe nicht mehr als das Dreifache ihrer Breite betragen sollte und die Breite, an der die Rippe auf die Teilwand trifft, zwischen 40 und 60 % der Wandstärke betragen sollte. Um schließlich die Festigkeit der Rippe zu maximieren, sollte der Kehlradius aller Innenecken mindestens 25 % der Wandstärke des Teils betragen.
Bosses
Vorsprünge ermöglichen die sichere Verbindung passender Komponenten mithilfe von Schrauben, Stiften und anderen Befestigungselementen. Wie bei den Rippen sollte der Basisradius etwa 25 % der Wandstärke des Teils betragen, was in diesem Fall den zusätzlichen Vorteil hat, dass es dazu beiträgt, ein Verbrennen des Befestigungselements beim Einbau in die Nabe zu verhindern.
Für Innenecken sollte ein Rundungsradius von 0.060 Zoll (1.5 mm) verwendet werden, um die Dicke zu minimieren und die Gefahr von Dellen zu verringern. Wenn Sie sicherstellen, dass der Vorsprung 60 % der Nennwandstärke nicht überschreitet, können Sie außerdem die Schrumpfung minimieren.
Profitieren Sie von den heutigen Vorteilen des Polyurethangusses
Die Vorteile des Polyurethangusses – kurze Vorlaufzeiten, niedrige Kosten, Design- und Materialflexibilität und mehr – können sich nur dann wirklich auszahlen, wenn Sie bewährte Design- und Herstellungspraktiken befolgen. Dies bedeutet, auf Variablen wie die Eigenschaften des Polyurethan-Gussmaterials, allgemeine Toleranzen von Gummiteilen und alles dazwischen zu achten, was ohne die Hilfe eines erfahrenen Fertigungspartners schnell kompliziert werden kann.