3D-Druck vs. Formpressen: Welche Variante soll man wählen?

Kennen Sie additive und subtraktive Fertigungskonzepte? Bei der subtraktiven Methode werden Materialien entfernt, um die gewünschte Form zu erreichen, während bei der additiven Methode die Form aus Materialschichten aufgebaut wird. Hier sind 3D-Druck und Formpressen zwei additive Fertigungsverfahren. Es gibt jedoch mehrere grundlegende Unterschiede zwischen 3D-Druck und Formpressen.

Der Unterschied besteht hauptsächlich in der Produktionsgeschwindigkeit, der Effizienz, der Designflexibilität, der Präzision und den Anwendungen. Darüber hinaus werden wir in diesem Artikel die Nuancen dieser beiden Methoden im Vergleich untersuchen.

Was ist 3D-Druck?

Dabei handelt es sich um eine additive Fertigungstechnologie, die durch das Stapeln und Verschmelzen aufeinanderfolgender Materialschichten präzise und komplexe Funktionsteile oder Produkte herstellt. Ein 3D-Drucker verwendet also keinen Materialblock, um die Form zu manipulieren. Stattdessen trägt die Düse das Material Schicht für Schicht von unten nach oben im Druckbett auf, entsprechend dem Schnittmuster des hochgeladenen Designs.

Unter Slice-Muster versteht man hingegen die einzelnen horizontalen Schichten, in die ein CAD-Modell unterteilt ist. Jeder Schnitt stellt einen Querschnittsbereich des Modells dar, dem der Drucker folgt, um die Materialschicht aufzutragen.

Darüber hinaus besteht möglicherweise Klärungsbedarf zu mehreren 3D-Drucktechnologien. Sie folgen demselben Grundprinzip. Sie weisen jedoch Unterschiede in ihrem Arbeitsmechanismus, ihrer Materialkompatibilität und ihren Druckfähigkeiten auf. Hier sind die Gemeinsamen Arten des 3D-Drucks Technologien.

Vorteile des 3D-Drucks

Die 3D-Druckfertigung ist für mehrere Anwendungen von Vorteil. Es bietet Designflexibilität, schnellere Vorlaufzeiten, Anpassung usw. Hier finden Sie eine Erläuterung der typischen Vorteile des 3D-Drucks.

Designflexibilität und Komplexität

Wenn wir die möglichen Feinheiten des Designs durch Formpressen und 3D-Druck betrachten, erzeugt ein 3D-Drucker hochkomplexe Geometrien und Konturen. Es bietet auch eine höhere Komplexität als herkömmliche Methoden wie CNC-Drehbearbeitung oder Spritzguss. Im Gegensatz zur subtraktiven Fertigung sind komplizierte Hohlprofile, Hinterschneidungen und interne Gitter nicht eingeschränkt.

Darüber hinaus kommt die Fähigkeit der komplexen Formen den Designern direkt zugute. Sie können innovativere und komplexere Designs entwickeln, um Fertigungsanforderungen zu erfüllen. Darüber hinaus müssen Konstrukteure bei der Erstellung von 3D-Druckentwürfen keine Formschrägen, Werkzeugzugang, Gleichmäßigkeit der Dicke, große Baugruppen und andere Einschränkungen berücksichtigen. Dies führt zu ultimativer Designflexibilität.

Schneller Prototypenbau

Die Produktionsgeschwindigkeit, die gute Präzision und die Kosteneffizienz machen den 3D-Druck zu einer zuverlässigen Option für Rapid-Prototyping-Projekte. Die Zeit für ein Teil kann je nach Komplexität und 3D-gedruckten Materialien zwischen einigen Minuten und mehreren Stunden dauern. Darüber hinaus sind die Kosten geringer 3D-Druck-Prototyping aufgrund der Null-Vorab-Werkzeugkosten und eines einfachen Designänderungsprozesses.  

Beispielsweise können Sie durch 3D-Druck-Iterationen schnell Prototypen eines neuen Drohnendesigns erstellen und diese mit den erforderlichen Anpassungen testen. Gleichzeitig kann es bei anderen Methoden mehrere Monate dauern.

Anpassung und Personalisierung

Die 3D-Druckverfahren umfassen die direkte Fertigung aus digitalen Dateien und können komplexe Designs verarbeiten. Dadurch ermöglicht der 3D-Druck die Herstellung kundenspezifischer Teile und Produkte entsprechend spezifischer Anforderungen. Wenn Sie über ein individuelles Design (3D-Modell) verfügen, können Sie es mit geeigneten Materialien und Druckgeräten in die physische Realität umsetzen.

Diese Anpassung ist für medizinische Anwendungen von großem Nutzen. Mit dem 3D-Druck können beispielsweise passgenaue Implantate für Patienten hergestellt werden.

Kosteneffizienz für die Kleinserienproduktion

Der Hauptgrund für die niedrigen Kosten von 3D-gedruckten Teilen in der Kleinserienproduktion liegt darin, dass keine teuren Fertigungseinrichtungen wie Formen oder Werkzeuge erforderlich sind. Andere Ansätze wie das Spritzgießen hingegen erfordern hohe Vorabinvestitionen in Formen, was zu höheren Gussstückzahlen bei Kleinserien oder Kleinserien führt.

Beispielsweise erfordert die Kleinserienproduktion von Nylonteilen zunächst eine Aluminium-Spritzgussform, die mindestens 10 US-Dollar kostet, während dies beim 0D-Druck nicht der Fall ist.

Einschränkungen des 3D-Drucks

Obwohl der 3D-Druck viele Vorteile bietet, weist er einige Einschränkungen auf, wie z. B. Materialauswahl, Größe, Präzision und Oberflächenbeschaffenheit. Lassen Sie uns jeden Nachteil einzeln besprechen.

Materialbeschränkungen

Die Materialauswahl beim 3D-Druck ist geringer als bei anderen Verfahren wie der CNC-Bearbeitung. Tatsächlich gibt es im Zusammenhang mit dem 3D-Druck im Vergleich zum Formpressen sogar noch weniger Möglichkeiten. Die 3D-Druckmaschinen sind typischerweise mit Kunststoffen (ABS, PETG und TPU), Photopolymeren und einigen duroplastischen Materialien und Metallen (Stahl, Titan und Aluminium) kompatibel.

Allerdings hat der 3D-Druck seine Materialfähigkeiten schnell über die grundlegenden Thermoplaste hinaus erweitert. Durch materialwissenschaftliche Innovationen und neue 3D-Drucktechnologien werden immer mehr Materialien kompatibel.

Geringere Festigkeit und Haltbarkeit

Da 3D-Drucker das Design durch Hinzufügen von Materialschichten umwandeln, beeinträchtigt das endgültige Teil die mechanische Festigkeit. Beispielsweise delaminieren FDM-Teile oder weisen unter Belastung in bestimmten Ausrichtungen (normalerweise Z-Achse) eine schlechtere Leistung auf. Darüber hinaus können Teile ihre ursprünglichen Eigenschaften wie Härte oder Dauerfestigkeit verlieren. Aus diesen Gründen verlieren die Teile auch an Haltbarkeit.

Oberflächenbeschaffenheit und Präzision

Die Teile aus dem 3D-Druck hinterlassen sichtbare Schichtspuren und gelegentlich einige Rückstände von Stützmaterial. Daher ist eine Nachbearbeitung wie Sandstrahlen, Entgraten oder sogar maschinelle Bearbeitung erforderlich. Der Ra-Wert für 3D-Druckteile kann bis zu ca. 4 µm betragen.

Darüber hinaus ist es auch weniger präzise als andere gängige Fertigungstechnologien. Der 3D-Druck bietet typischerweise eine Präzision von ±0.2 mm, während CNC ±0.005 mm und ~±0.025 für formgepresste Gummiteile erreichen kann.

Größenbeschränkungen

Beim 3D-Druck gibt es im Vergleich zu anderen Verfahren wie Spritzguss oder Laserschneiden Einschränkungen bei der Teilegröße. Die Größenmöglichkeiten werden durch das Bauvolumen und die Bettgröße (Druckkammer) der 3D-Druckermaschinen eingeschränkt. Beispielsweise können durch den 3D-Druck aufgrund von Größenbeschränkungen lange Rotorblätter für Windkraftanlagen hergestellt werden. Durch den Zusammenbau der kleinen einzelnen 3D-gedruckten Fragmente sind jedoch große Teile möglich.

Was ist Formpressen?

Es handelt sich um ein spezielles Polymerformverfahren, bei dem die gewünschte Form durch Komprimieren des Materials in einer geschlossenen Form erzeugt wird. Diese Herstellungsmethode ist für duroplastische Verbundwerkstoffe mit hervorragenden Eigenschaften beliebt.

Die Formpressverfahren erfordert eine Kompressionsform mit mehreren Kavitäten, die die Negativgeometrie der gewünschten Form exakt vorgibt. Mittlerweile besteht die Form aus zwei Hälften (feste untere und bewegliche obere Hälfte). Zunächst wird eine vorher berechnete Materialmenge in den beheizten Formhohlraum gegeben, anschließend wird die Form erhitzt und komprimiert. Hier wird das Material durch Kompression und Formerwärmung dazu gezwungen, durch die Kavität zu fließen und diese zu füllen.

Bei der Verdichtung ist es jedoch wichtig, den richtigen Druck, die richtige Temperatur und die richtige Aushärtezeit einzustellen. Als nächstes gibt die Formöffnung das erstarrte Teil nach dem Abkühlen frei.

Vorteile des Formpressens

Im Folgenden sind die bekannten Vorteile des Formpressens für verschiedene Fertigungsanwendungen aufgeführt.

Produktionseffizienz bei hohen Stückzahlen

Das Produktionsvolumen ist der wertvollste Vorteil, insbesondere beim Vergleich von Formpressen und 3D-Druck. Sobald Sie die Form hergestellt haben, können Sie sie wiederverwenden, um identische Teile in großen Mengen herzustellen, bis zu mehreren tausend Zyklen. Die Lebensdauer einer Form hängt jedoch vom Formmaterial, der Abrasivität der Ladung und anderen Faktoren ab.

Diese Effizienz in der Großserienproduktion reduziert die Kosten pro Teil auf lange Sicht erheblich. Andererseits gibt es keine Kostenreduzierung pro Teil 3D-Druck-Massenproduktion.  

Hervorragende Teilefestigkeit und Haltbarkeit

Anstelle eines schichtweisen Aufbaus handelt es sich bei Formteilen um kompakte und gequetschte Strukturformen. Das Formpressen bietet also eine hervorragende Teilefestigkeit. Dadurch ist die Wahrscheinlichkeit einer Hohlraumbildung gering, was zur hervorragenden strukturellen Integrität der Teile beiträgt.

Laut verwandte Forschung, die Festigkeit, Härte, Zugfestigkeit und Elastizität von formgepressten Proben waren während des Tests höher als bei 3D-gedruckten Teilen.

Gute Oberflächenbeschaffenheit

Bei diesem Formverfahren werden Teile mit einer guten Oberflächenbeschaffenheit geformt. Dies liegt daran, dass sich das Material durch die Kompression eng an die Formoberflächen anpasst. Passen Sie sich eng an die Formoberflächen an. Mit hochglanzpolierten Formen und optimalen Verarbeitungsbedingungen können Ra-Werte von nur 0.1 Mikrometern (µm) erreicht werden. Dabei ist die Oberflächenbeschaffenheit der Hohlraumwand entscheidend für die glatte Oberfläche von Formpressteilen.

Eignung für große Teile

Die erreichbare Teilegröße beim Formpressen hängt von der Formgröße ab. So können Sie größere Teile herstellen, indem Sie eine geeignete Form konstruieren und eine Tonnage mit hoher Kompression verwenden. Mit CM ist beispielsweise die Beplankung von Flugzeugflügeln möglich.

Anschließend erleichtert das vorherige Einbringen des Füllmaterials in die Form anstelle der Verwendung von Injektionsverfahren das Formen großer Abmessungen. Der Grund dafür ist, dass durch die Kompression das Material gleichmäßig über einen großen Formhohlraum verteilt werden kann, ohne dass Einschränkungen durch die Durchfluss- und Druckanforderungen bestehen.

Einschränkungen des Formpressens

Obwohl das Formpressen zahlreiche Vorteile bietet, weist es Einschränkungen hinsichtlich der Designflexibilität, der Werkzeugkosten, der Produktionszeit und der hohen Präzision auf. Das Verständnis dieser Einschränkung kann Ihnen helfen, mögliche Fehler in den endgültigen Formteilen zu vermeiden und bessere Entscheidungen zu treffen. Hier ist die Beschreibung jeder Einschränkung;

Begrenzte Designkomplexität

Für große und relativ einfache Designs ist Formpressen vorzuziehen. Hier ist die eingeschränkte Designflexibilität hauptsächlich auf Materialflussmuster in komplizierten Formhohlräumen von Pressformen zurückzuführen. Wenn die Designs komplexe Merkmale wie stark geneigte Winkel und kleine Details an den Ecken aufweisen, kann der Materialfluss diese Hohlräume nicht genau füllen.

Darüber hinaus kann es aufgrund der Materialflussbegrenzung auch zu Drucklufteinschlüssen kommen, die zur Bildung von Hohlräumen führen können. Andererseits erhalten Designer durch den 3D-Druck weitreichende Freiheiten.

Höhere Werkzeugkosten

Betrachtet man die Werkzeugkosten beim 3D-Druck im Vergleich zum Formpressen, sind die Werkzeugkosten deutlich hoch. Dies liegt an den hohen Vorlaufkosten für Formen und andere Hilfswerkzeuge. Darüber hinaus erfordern geringfügige Designänderungen erneut erhebliche Investitionen in die Form. Umgekehrt fallen beim 3D-Druck keine so hohen Werkzeugkosten an.

Längere Zykluszeiten

Der Formpressprozess hat im Allgemeinen einen längeren Zyklus, sogar z Formpressen vs. Spritzgießen. Dazu gehören das Vorheizen von Form und Charge, das Vorladen der Charge und eine relativ längere Aushärtezeit, was alles zu einer längeren Produktionszeit beiträgt. Auch das anschließende Entfernen von Graten und Graten von der geformten Oberfläche nach der Produktion erhöht die Zeit.

Qualitäts- und Präzisionsprobleme

Schließlich ist es beim Kunststoff-Formpressen wie bei anderen fortschrittlichen Fertigungstechniken schwierig, eine hohe Genauigkeit und Qualität zu erreichen. Dies ist vorläufig, da der Materialfluss im Vergleich zu anderen Formverfahren weniger gleichmäßig ist. Weitere Qualitätsprobleme könnten Schrumpfung und Verzug sein, da alle duroplastischen und thermoplastischen Materialien beim Abkühlen bis zu einem gewissen Grad schrumpfen.

Was die Präzision betrifft, liegt die Toleranz beim Formpressen typischerweise zwischen ±0.127 und ±0.508 mm. Hier variiert die Toleranz je nach Oberflächenqualität des Formhohlraums, Prozessparametern und Eigenschaften des Einsatzmaterials.

Unterschiede zwischen 3D-Druck und Formpressen

Nachdem wir die Vor- und Nachteile von 3D-Druck und Formpressen verstanden haben, wollen wir einen direkten Vergleich dieser Prozesse unter verschiedenen Aspekten besprechen.

Materialauswahl

Die Materialauswahl ist die Grundlage für die endgültigen Eigenschaften und Funktionalität des endgültigen Teils, unabhängig von der Herstellungsmethode. Mehr Materialoptionen bedeuten also mehr Chancen, das Material zu erhalten, das genau Ihren Anforderungen entspricht.

Für den 3D-Druck gibt es mehr Materialoptionen als für das Formpressen. Sie müssen jedoch die Kosten, Ihre Anforderungen, Designspezifikationen und den Verwendungszweck der Endteile berücksichtigen, wenn Sie das mit beiden Methoden kompatible Material vergleichen.

Kostenvergleich für verschiedene Produktionsmaßstäbe

Die Kosten für den 3D-Druck im Vergleich zum Formpressen hängen stark vom Produktionsvolumen ab. Die hohen Formkosten beim Formpressen machen es mit steigendem Produktionsvolumen kostengünstiger. Mittlerweile bringt der 3D-Druck bei der Großserienproduktion keine nennenswerte Senkung der Produktionskosten mit sich.

Darüber hinaus steigen die Kosten beim Formpressen mit Komplexität, da eine komplexere Form erforderlich ist und die Zykluszeit verkürzt wird. Im Gegensatz dazu steigen die Kosten bei komplexen 3D-Druckdesigns möglicherweise nicht. Da der Materialverbrauch einen großen Anteil an den Gesamtkosten hat, können die Kosten gesenkt werden, wenn komplexe Teile weniger Materialvolumen für den 3D-Druck benötigen.

Geschwindigkeit und Effizienz in der Produktion

Mit Ausnahme von Prototyping-Projekten ist der 3D-Druck ein weniger schneller Prozess als das Formen. Aufgrund der Formenbau- und Werkzeuganordnung nimmt das Formpressen bei der Prototypenerstellung viel mehr Zeit in Anspruch. Formpressmaschinen gehen jedoch nach dem Abkühlen der Form sofort zum nächsten Zyklus über. Daher ist die Formpressgeschwindigkeit beim Prototyping und bei der Kleinserienfertigung nur begrenzt.

Folglich nimmt die Effizienz des 3D-Drucks mit steigendem Produktionsvolumen ab. Es ist jedoch hocheffizient bei der Herstellung komplexer Bauteile ohne zusätzliche Kosten. Andererseits zeichnet sich Formpressen durch seine Skalierbarkeit aus. Es können Tausende bis Millionen konsistenter Einheiten zu relativ geringen Kosten hergestellt werden.

Qualität und Haltbarkeit der fertigen Produkte

Zunächst vergleichen wir die Qualität von Formpressen und 3D-Druck. Die strukturelle Qualität von Formteilen ist höher als bei 3D-gedruckten Teilen. Das liegt alles an ihrem Entstehungsprozess. Der schichtbildende Ansatz eines 3D-Druckers verringert die strukturelle Festigkeit des Teils, während der Druck beim Formpressen die Teile strukturell intakt macht. Folglich unterscheidet sich die Endqualität der bedruckten Oberfläche je nach Druckverfahren. Beispielsweise weisen FDM-Drucke Schichtlinien auf und erfordern eine weitere Nachbearbeitung, und das SLA-Verfahren erzeugt glattere Oberflächen. Unterdessen sorgt das Formpressen für ein gleichmäßigeres und glatteres Finish.

Und welche sind außerdem langlebiger? Die Antwort sind formgepresste Modelle. Dies liegt an der Gleichmäßigkeit des Materials und den Auswirkungen von Hitze und Druck während der Aushärtung. Andererseits führen Schichtstrukturen zu Schwachstellen im 3D-Druckprodukt.

Design-Flexibilität

Wie bereits erwähnt, bietet der 3D-Druck mehr Designflexibilität als die Formpresstechnik. Die Herstellung von Formen ist an sich ein komplexer Prozess. Oftmals unterstützt die maschinelle Bearbeitung die Konstruktionen mit komplizierten Innengeometrien nicht. Mittlerweile gibt es beim 3D-Druck keine derartigen Einschränkungen.

Hier ist die Liste der Funktionen, die der 3D-Druck bieten kann, jedoch nicht durch Formpressen.

• Komplexe Hinterschneidungen
• Tiefe und kleine Taschen
• Teile mit stark variabler Wandstärke
• Komplizierte Oberflächenmuster
• Scharfe Kanten usw.

Eignung für verschiedene Branchen und Anwendungen

Da Gummi und Elastomere durch Formpressen zu starken und langlebigen elastischen Teilen geformt werden können, sind Dichtungen und Dichtungen die beiden häufigsten Anwendungen. Andererseits eignet sich der 3D-Druck hervorragend für den Prototypenbau und die kundenspezifische Fertigung.

Wie trifft man die richtige Wahl zwischen Formpressen und 3D-Druck?

Es gibt mehrere Überlegungen, um zu entscheiden, welche Methoden zwischen 3D-Druck und Formpressen Ihren Anforderungen entsprechen. Dies hängt hauptsächlich vom Produktionsvolumen, der Designkomplexität, der Teilegröße und den Kosten ab. Die 3D-Druckfertigung eignet sich beispielsweise für die Produktion kleiner kundenspezifischer Teile in kleinen Stückzahlen. Im Gegensatz dazu eignet sich das Formpressen hervorragend für die Herstellung großformatiger Bauteile in größeren Stückzahlen.

Es wird jedoch empfohlen, sich mit Branchenführern wie RapidDirct zu beraten, bevor Sie die richtige Entscheidung zwischen 3D-Druck und Formpressen treffen. Wir sind führend bei On-Demand-Fertigungsdienstleistungen, einschließlich Kunststoff Guss und 3D-Druckdienste. Unsere fortschrittlichen Produktionsanlagen für Formen und 3D-Druck ermöglichen es unseren Ingenieuren, Ihre einzigartigen Projekte abzuwickeln.

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