Beitrag zur Entwicklung 3D-gedruckter Formeinsätze (FFF) für das Spritzgießen von Kunststoffbauteilen

Ziel der vorliegenden Dissertation ist es, das Anwendungspotenzial 3D-gedruckter Kunststoffformeinsätze für das Spritzgießen von technischen Kunststoffbauteilen zu optimieren. Spritzgegossene Formteile werden konventionell in einem Stahlwerkzeug geformt. Dieses Fertigungsverfahren ist insbesondere für die Produktion hoher Stückzahlen lukrativ. Allein für die Herstellung von Prototypen oder Stückzahlen in geringerer Auflage, rentiert sich dieses Verfahren jedoch nicht beziehungsweise nur in speziellen Anwendungsfällen. Der Grund dafür liegt zum einen in den relativ hohen Herstellkosten des Stahlwerkzeuges und zum anderen in der notwendigen Vorlaufzeit zur Werkzeugerstellung. Zur Optimierung sind im Rahmen dieser Dissertation Untersuchungen dazu angestellt, inwieweit sich die formgebenden Werkzeugeinsätze aus Stahl durch 3D-gedruckte Formeinsätze aus Kunststoff substituieren lassen. Als Formeinsatz wird hierbei die minimal notwendige Formfläche bezeichnet, die ausgehend von einer planen Werkzeugoberfläche erforderlich ist, um ein dreidimensionales Formteil herzustellen. Mit Ausnahme dieser signifikanten Modifizierung verbleibt der Aufbau des untersuchten Spritzgießwerkzeuges rein konventionell. Industriell etabliert und repräsentativ für den aktuellen Stand der Technik sind kunststoffbasierte Werkzeugeinsätze (Formeinsätze oder Inserts) aus duroplastischen Photopolymerharzen, hergestellt im Multijet-Verfahren. Mit diesen werden überwiegend Formteile aus Standardpolymeren produziert. Als Injektionsmaterialien dienen unter anderem Polypropylen, Polyethylen oder Acrylnitril-Butadien-Styrol. Die hergestellte Stückzahl ist auf durchschnittlich 50 Stück begrenzt. Darüber hinaus gehen aus dem Stand der Wissenschaft Untersuchungen mit thermoplastischen Kunststoffformeinsätzen aus Polyethylen, Polyamid und Polycarbonat sowohl mit als auch ohne Füllstoffanteilen hervor, welche durch selektives Lasersintern hergestellt werden. Neben Standardpolymeren existieren hierzu auch Nachweise über technische Spritzgießmaterialien, wie beispielweise Polyamid. Die damit nachgewiesene Stückzahl liegt bei rund 5 Formteilen. Durch das Multijet-Verfahren oder das selektive Lasersintern lassen sich besonders hohe Fertigungsgenauigkeiten und eine hohe Oberflächengüte erreichen, welche den mechanischen Belastungen des Spritzgießprozesses unter bestimmten Voraussetzungen nachweislich standhalten. Allerdings sind diese Verfahren im Ver-gleich zu anderen 3D-Druckverfahren vergleichsweise kostenintensiv und hinsichtlich der zur Verfügung stehenden Materialvielfalt begrenzt. Um den Kostendruck zu reduzieren und die Fertigungsrestriktionen hinsichtlich verwendeter Druck- und Spritzgießmaterialien zu erweitern, wird im Rahmen dieses Promotionsprojektes das Anwendungspotenzial des Fused Filament Fabrication weitergehend untersucht. Zu diesem Zweck werden die durch dieses Verfahren 3D-gedruckten Kunststoffformeinsätze im Spritzgießprozess verwendet, durch Spritzgießen verschiedener teilkristalliner Thermoplaste erprobt und im Vergleich zur konventionellen Stahlform evaluiert. Durch dieses Vorgehen soll ein Beitrag zur spezifischen Anwendung 3D-gedruckter Formeinsätze für das Spritzgießen von technischen Kunststoffen geleistet werden.