Prototyping von Verpackungen mit Vakuumformung und 3D gedruckten Formen

Mit High Temp Resin zur Vakuumformung

Die Vakuumformung gehört zu den weit verbreitenden Herstellungsmethoden für die Erzeugung von Verpackungen für verschiedene Güter. Von Salatmischungen im Lebensmittelgeschäft über den Deckel Ihres Kaffeebechers zum Mitnehmen bis hin zu hochwertiger Unterhaltungselektronik - die Vakuumformung eignet sich für die Herstellung leichter, kostengünstiger Verpackungen. Der Prozess der Vakuumformung ist dabei recht einfach, er erfordert vier Grundelemente:

1. Eine Form oder ein Werkzeug, das die Form des Endteils erzeugt
2. Eine Kunststoffplatte
3. Eine Wärmequelle und
4. Eine Vakuumquelle

Die Kunststoffplatte wird so gleichmäßig wie möglich erwärmt, bis sie weich und geschmeidig ist und auf die Form oder das Werkzeug gelegt werden kann. Anschließend wird ein Vakuum erzeugt, das die Kunststoffplatte an die Form andrückt. Dann lässt man das so erzeugte Teil abkühlen, bis es aus der Form entnommen werden kann. Die Herstellung von Vakuumformwerkzeugen mit traditionellen Herstellungsverfahren wie Fräsen oder Gießen ist oft zeitaufwändig und kostspielig, insbesondere bei komplexen Geometrien, strukturierten Oberflächen oder feinen Merkmalen. Zunehmend greifen Designer und Ingenieure daher auf 3D gedruckte Formen und Werkzeuge für die Vakuumformung zurück, um erhebliche Kosten- und Zeiteinsparungen zu erzielen. Darüber hinaus können 3D gedruckte Formen und Werkzeuge problemlos kleine Merkmale wie Text und komplizierte Texturen aufnehmen, ohne die Teilekosten zu beeinflussen.

Design-Richtlinien

Wie bei jedem Herstellungsprozess gibt es auch für das erfolgreiche Vakuumformen Konstruktionsrichtlinien, die zu befolgen sind. Bevor Sie damit beginnen, sollten Sie einige Grundkenntnisse beherzigen. Lassen Sie uns zunächst einige Begriffe definieren, bevor wir uns mit den besten Praktiken für die Konstruktion von Vakuumformwerkzeugen befassen.

Zwei grundlegende Formen-Stile

Es gibt zwei grundlegende Arten von Vakuumformwerkzeugen: männliche und weibliche Formen. Bei der Herstellung eines kuppelförmigen Teils würde eine männliche Form eine konvexe Geometrie verwenden, während eine weibliche Form konkav ist.

Einfluss von Winkeln auf die Teilentfernung

Grundsätzlich sollten Sie Entformungswinkel vorsehen. Zwar können bestimmte Teilegeometrien ohne jeglichen Entformungswinkel geformt werden, jedoch wird die Entformung selbst dadurch unnötig erschwert oder gar unmöglich gemacht. Zugleich erleichtert ein Entformungswinkel ein gleichmäßiges Finish Ihrer vakuumgeformten Teile. Für männliche Formen werden 4-5 Grad Einziehung empfohlen. Für weibliche Formen sind die Empfehlungen für den Entwurf mit 1,5-3 Grad Einziehung niedriger. Bei tieferen Teilen kann das Hinzufügen zusätzlicher Verzugsgrade hilfreich sein, um qualitativ hochwertige Teile zu erhalten, die sich leicht aus der Form entfernen lassen. Die Verwendung von stark detaillierten Oberflächen erhöht in den meisten Fällen die Anforderungen an den Entformungswinkel, so dass Sie dies im Hinterkopf behalten sollten, wenn Ihr Design viele Details aufweist.

Taschen, Ecken und Radien

Bei Innentaschen ist es oft notwendig, Entlüftungslöcher durch die Form oder das Muster hindurch hinzuzufügen. Dadurch kann das Vakuum alle Bereiche der Form erreichen und den erweichten Kunststoff ausreichend nach unten ziehen, um das Kunststoffblatt vollständig an die Form anzuziehen. Wann immer möglich, sollten scharfe Kanten der Form mit Fasen oder Radien gebrochen werden, um sowohl die Spannungskonzentrationen im fertigen Teil zu reduzieren als auch das Risiko von Rissen oder Unebenheiten beim Vakuumformen zu verringern.

Teiletiefe und Ziehverhältnisse

Es ist wichtig, die Form und das vakuumgeformte Teil so flach wie möglich zu halten. Je tiefer der zur Herstellung des Teils erforderliche Zug, desto mehr muss sich die Kunststoffplatte dehnen. Dies bedeutet, dass tiefer gezogene Teile dickere Materialien erfordern, mehr Variationen in der Wandstärke aufweisen und im Allgemeinen schwieriger erfolgreich zu produzieren sind. Es gibt eine einfache Formel, die als Ziehverhältnis bekannt ist.

Mit dem Ziehverhältnis lässt sich leicht ermitteln, ob ein Teil wahrscheinlich erfolgreich geformt werden kann, und welche Dicke der Kunststoffplatte man mindestens benötigt, um die gewünschte Enddicke des Teils zu erreichen. Das Ziehverhältnis wird als die Oberfläche des Teils geteilt durch die Grundfläche des Teils ausgedrückt. Ein Ziehverhältnis von 3:1 wird im Allgemeinen als das Maximum für die meisten Vakuumformungsvorgänge angesehen. Um zu bestimmen, mit welcher Materialdicke man beginnen sollte, multipliziert man die gewünschte Dicke des Fertigteils mit dem Ziehverhältnis. Das Ziehverhältnis multipliziert mit der gewünschten Dicke des Fertigteils ergibt die minimale Materialdicke der Kunststoffplatte.

Unterschiede in der Druckvorbereitung für männliche und weibliche Formen

Die Abziehkräfte, die die Teile während des Druckens vom Harzbehälter trennen, variieren je nach Teilegröße und -geometrie. Ein geschlossenes Volumen, wie es bei einer parallel zur Bauplattform ausgerichteten weiblichen Form der Fall sein könnte, weist während des Drucks aufgrund der Schröpfkräfte aus dem umschlossenen Innenvolumen höhere Spannungen auf. Diese Formen sollten Sie stets mit Stützstrukturen drucken. Geschlossene männliche Formen haben eine geringere Schröpfneigung und eignen sich daher besser für einen 3D Druck direkt auf der Bauplattform.

Nachbearbeitung gedruckter Formen

Wenn Ihre Form fertig gedruckt ist, müssen als nächstes die Harzreste auf den Oberflächen abgewaschen und die Teile nachgehärtet werden, um optimale physikalische Eigenschaften zu erreichen. Bei High Temp Resin haben Sie mehrere Nachhärtungsoptionen, die Sie je nach gewünschten Materialeigenschaften wählen. Lesen Sie hierzu im technischen Datenblatt nach, um zu verstehen, wie sich die verschiedenen Optionen auf die mechanischen Eigenschaften auswirken, und wählen Sie die Nachhärtungsoption, die für die beabsichtigte Anwendung am besten geeignet ist. Um die höchste HDT von 238 °C @ 0,45 MPa zu erreichen benötigen die Teile eine Nachbehandlung für 120 Minuten bei 80 °C in der Form Cure, oder mit einer thermischen Nachhärtung der Teile in einem Non-Food-Ofen für 3 Stunden bei 160 °C. Für Anwendungen, die nicht die maximale Wärmebeständigkeit erfordern, härten Sie Teile in der Form Cure für 60 Minuten bei 60 °C nach.

Säubern von Vakuumformteilen

In den meisten Fällen werden beim Vakuumformen endkonturnahe Teile hergestellt, d.h. es gibt Aspekte des Teils, die in irgendeiner Weise bearbeitet werden müssen, bevor der gesamte Herstellungsprozess als abgeschlossen betrachtet werden kann. Die meisten vakuumverformbaren Kunststoffe lassen sich entweder von Hand mit einem scharfen Messer oder mit einer Werkzeugmaschine wie einer Oberfräse oder einem Fräser leicht beschneiden.

Fazit

Der 3D-Druck ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Beschleunigung von Design-, Konstruktions- und Fertigungsschritten. Wenn Sie sich bisher noch nicht mit der Vakuumformung beschäftigt haben, können Sie anhand dieser kurzen Anleitung einen ersten Einstieg finden, wie Sie am besten Formengeometrien entwerfen. Mit der richtigen Sorgfalt halten 3D gedruckte Formen für Dutzende und Dutzende von vakuumgeformten Teilen. Für die Anwendung im Modellbau und die Fertigung von Prototypen sind ein Resin 3D-Drucker in Kombination mit einem Hochtemperatur-Resin und der Mayku Formbox ideale Werkzeuge für Ihre Vakuumformung.

Im Original hier gefunden, übersetzt und überarbeitet von Thomas Hellmann.