Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Kunstharzguss: Vom CAD zu kunststoffbeschichteten Kunststoffteilen

Synthetische Polymere spielen in fast jedem kommerziell hergestellten Produkt der Welt eine Rolle. Kunststoffe sind nicht nur allgegenwärtig, sondern auch äußerst vielseitig: Einige von ihnen sind unglaublich dehnbar, während andere hart wie Nägel sind. einige sind kristallklar und andere in allen Farben des Regenbogens; Einige können extreme Temperaturen überstehen und andere können eine Kugel mitten im Flug stoppen.

Wenn Sie über all das nachdenken, ist es kaum zu glauben, dass selbst für Hobbyisten, die an die 3D-Fertigung gewöhnt sind, technische Kunststoffe immer noch ein Tabu sind. Natürlich können wir 3D-Drucker besitzen, aber die Ausgabe von preiswerten PLA- und ABS-Extrudern kommt nicht annähernd an die Stärke oder Vielfalt billiger Spritzgussteile heran. Die Besitzer von CNC-Fräsern haben auch keinen Grund zur Selbstzufriedenheit: Die meisten scheuen sich vor Kunststoffen oder greifen auf preiswerte, aber schlecht funktionierende Materialien wie Acryl oder HDPE zurück.

Seltsamerweise gibt es keinen Grund, warum die Dinge so sein müssen. Es gibt eine ziemlich sichere, kostengünstige und problemlose Technik, mit der Sie innerhalb von Stunden unglaublich harte und präzise Teile in Ihrer Werkstatt herstellen können. Das einzige Problem ist, dass fast alle verfügbaren Tutorials zu diesem Prozess - bekannt als Resin Casting - von Künstlern geschrieben werden, wobei andere Künstler dies berücksichtigen. Die Anwendung ihrer Ansätze in technischen Projekten ist normalerweise kein guter Plan.

Fertigungsmuster für einteilige Formen

Wenn Sie die üblichen Hinweise zur Nachbildung von handgefertigten Teilen befolgen, werden Sie angewiesen, den Originalgegenstand mit einem flexiblen Material wie Alginat oder Silikonkautschuk zu beschichten oder einzutauchen. Sobald dies geschehen ist - und die Hülle vollständig ausgehärtet ist - werden Sie aufgefordert, diesen gummiartigen Fleck aufzuschneiden und das ursprüngliche Modell zu erhalten. An diesem Punkt füllen Sie auch den Hohlraum mit einem anderen Duroplast, der die Form des Ausgangsteils annimmt - und klemmen das Ganze fest.

Dieser Vorgang funktioniert, hat jedoch eine Reihe von Nachteilen, vor allem, wenn Sie vorhersagbare Ergebnisse erzielen möchten - und diese schnell erzielen möchten. Zum Beispiel kann es eine Anstrengung sein, einen geeigneten Kasten für eine Form zu bauen, und dann das ursprüngliche Modell richtig anzubringen und darin auszurichten. Es kann genauso schwierig sein, das ursprüngliche Teil zu entfernen, ohne das Modell, die Schale oder beides zu beschädigen. Auch das Zusammenfügen der Form ohne Beeinträchtigung der Maßgenauigkeit des resultierenden Teils ist eine Herausforderung für sich.

Glücklicherweise können all diese Probleme vermieden werden, wenn mit computergestalteten Teilen gearbeitet wird: Sie müssen lediglich die gewünschte Geometrie an einem CAD-geformten Formhohlraum anbringen, eine positive Form bilden, die als Muster bezeichnet wird, und diese dann zusammen herstellen ein einzelner Schritt. Wir werden später über komplexere Beispiele sprechen, aber jetzt nehmen wir einen Teil mit flachem Boden und begrenzten Hinterschneidungen auf. In einem solchen Szenario kann das Muster so trivial sein:

Erstellen eines einfachen Musters für eine einteilige Gummiform.

Das Hinzufügen eines Kästchens um das Teil hat einen eher geringen Einfluss auf den 3D-Druck, wirkt sich jedoch positiv auf die CNC-Fräsbearbeitung aus. Das liegt daran, dass Sie schnell ein Muster auf einem übergroßen Material auf Lager bearbeiten können, wobei das meiste davon für die spätere Verwendung erhalten bleibt. Das spart Geld und Zeit und macht die Befestigung des Teils überflüssig, sodass es nicht unter dem Werkzeug wegfliegt.

CNC-Fräse, die ein komplexes Werkzeug für ein Planetengetriebe auf einem beliebigen Rohmaterialblock bearbeitet. Eine direkte Bearbeitung dieser Zahnräder wäre viel schwieriger und verschwenderischer.

Muster können aus jedem Material hergestellt werden, das sich leicht verarbeiten lässt und vorhersagbare Ergebnisse liefert. Bei 3D-Extrudern bedeutet dies normalerweise PLA. Für CNC-Fräsmaschinen sollten bearbeitbares Wachs und HDPE akzeptabel funktionieren, obwohl ich immer eine vorhersehbarere und billigere Alternative empfehle: Prototyping-Boards mit mittlerer Dichte. Meine Lieblingssorte ist RenShape 460 - eine leichte und ziemlich haltbare Substanz, die wie Butter verarbeitet wird und erstaunlich feines Detail liefert:

Nahaufnahme eines CNC-gefrästen Musters in RenShape 460. Dieses Material kostet einige Cent pro Kubikzoll und ist tatsächlich weniger teuer als bearbeitbares Wachs.

Negativformen herstellen

Wenn ein Musterhohlraum fertig ist, müssen wir ein geeignetes Material finden, das eine flexible Negativform bildet. In künstlerischen Anwendungen werden solche Formen üblicherweise aus Latex, Alginat, Polysulfidkautschuken oder Zinnvernetzungssiliconen hergestellt. Alle diese Optionen haben erhebliche Nachteile - von geringer Festigkeit bis hin zu ausgeprägter Toxizität - und tragen zur Wahrnehmung bei, dass der Formenbau eine unordentliche Angelegenheit ist.

Bei der Präzisionsarbeit sind nur Platin-Härtungs-Silikone mit zwei Komponenten sinnvoll. Diese Materialien sind ungiftig und geruchsfrei. Darüber hinaus sorgt ihre Polymerisationsart für eine unglaublich hohe Maßgenauigkeit. Der resultierende Kautschuk ist außergewöhnlich zäh, zeichnet sich durch hervorragende Rückfederungseigenschaften aus, ist chemikalienbeständig und verfügt über eine von Natur aus nicht haftende Oberfläche, die sich leicht vom Muster und von den Endteilen löst. Kurz gesagt, Platinsilikone sind eines der coolsten Polymere, mit denen Sie zu Hause spielen können.

Gießen Sie Silikon in ein bearbeitetes Muster.

Im Laufe der Jahre habe ich etwa ein Dutzend verschiedener Formengummis ausprobiert, viele davon von populären, hobbyorientierten Herstellern - und um es gut auszudrücken, ist es sehr einfach, mit einer viel zu viskosen, viel zu zerbrechlichen Sorte zu enden oder für kleine Teile viel zu weich. Ich habe einen detaillierten Leitfaden für die Auswahl der richtigen Formulierung zusammengestellt. Wenn Sie keine Zeit dafür haben, glaube ich, dass zwei Produkte wirklich die Konkurrenz hinter sich lassen: die leicht gießbaren, niedrigviskosen Quantum Silicones QM 262 und die nahezu unzerstörbaren, durchscheinenden Silicones Inc XP-592. Beide Produkte kosten rund 15 US-Dollar pro Pfund und werden in der Regel in Kits mit 10 bis 12 kg geliefert.

Wenn die Formwerkzeugzusammensetzung ausgewählt ist, ist der gesamte Gießprozess fast peinlich einfach: Das Harz wird einige Minuten gemischt, in die Form gegossen und einige Stunden mit einer flachen Kunststoffplatte abgedeckt. Darum geht es wirklich.

Ausgehärtete Silikonform. Beachten Sie die einwandfreie Aufnahme von Sub-Millimeter-Details, einschließlich winziger Vorsprünge und dünner Wände.

Um ehrlich zu sein, gibt es noch einen weiteren Schritt, der es zu beachten gilt: Um eine ausgezeichnete Wiedergabe komplizierter Details zu gewährleisten, ohne sich die Nägel zu beißen, ist es ratsam, eine Vakuumentgasungsanlage zu erhalten. Der Begriff mag beängstigend sein, aber das Gerät ist es nicht: Eine kleine und relativ leise Vakuumpumpe kostet rund 100 US-Dollar und ein bruchsicheres Polycarbonat-Vakuumgefäß kostet weniger als 60 US-Dollar. Zwei oder drei Minuten unter Vakuum stellen sicher, dass sich keine Luft zwischen der Form und dem noch flüssigen Harz befindet - und Sie sind fertig.

Die Entgasung im Vakuum hilft, Lufteinschlüsse schnell, einfach und zuverlässig zu vermeiden.

Sie können auch mehrere andere Hacks verwenden, z. B. das Auftragen des Gummis mit einem Pinsel oder einer Spritze. Aber abgesehen von sehr einfachen Geometrien ist es Ihre Zeit nicht wert.

Casting letzte Teile

Sobald die Negativform fertig ist, können Sie mit der Fertigung der endgültigen Teile beginnen. Der Arbeitsablauf ist den oben diskutierten Schritten sehr ähnlich: Ein Zweikomponentenharz (optional mit handelsüblichen, supergünstigen Farbstoffen pigmentiert) wird sorgfältig gemischt, in die flexible Form gegossen, kurz unter Vakuum entgast und schließlich mit einer Lösung bedeckt Flaches Blatt aus Antihaft-Kunststoff - Polypropylen oder HDPE reicht aus.Das ist es: Die Polymerisationsreaktion setzt ein, und innerhalb weniger Stunden können die fertigen Teile aus der Form genommen werden.

Letzte Teile auf dem Weg; Die heutige Farbe ist blau. Die Formen werden mit einer Folie aus Polypropylen bedeckt und beschwert, um die Ebenheit zu gewährleisten und ein Aufflammen zu vermeiden. Da die Form aus einem ziemlich steifen Gummi hergestellt ist, behält sie auch bei hoher Belastung eine ausgezeichnete Maßgenauigkeit bei.

Der Gießprozess selbst ist einfach, aber die Auswahl des richtigen Kunststoffs kann eine Herausforderung sein: Viele der unter Hobby-Marken verkauften Harze sind übelriechend, schädlich, zeigen eine starke Schrumpfung, härten zu schnell oder zu langsam aus oder stellen nur dünne Teile her. Es ist vielleicht egal, ob Sie einen dekorativen Briefbeschwerer herstellen - aber für eine funktionale mechanische Baugruppe ist dies wahrscheinlich der Fall. Um unangenehme Überraschungen zu vermeiden, sollten Sie sich von Epoxiden und Polyestern fernhalten. Polyurethane sind eine viel bessere Wahl. Diese Familie von bemerkenswert vielseitigen Polymeren kann nahezu jeden anderen Kunststoff- oder Kautschuk-Typ genau erreichen und bietet darüber hinaus eine hervorragende Beständigkeit und Dimensionsgenauigkeit.

Leider werden die meisten Polyurethan-Kompositionen, die an Künstler und andere Heimwerker vermarktet werden, auf die eine oder andere Weise mit Sicherheit enttäuscht. Um häufige Fallstricke zu vermeiden, können Sie sich diese ausführliche Anleitung noch einmal ansehen. Kurz gesagt, ich empfehle dringend, sich an Innovative Polymers, einen wenig bekannten Hersteller aus Michigan, zu halten. Sie scheinen kein Ziel für Hobbyisten zu sein, aber sie verfügen über ein bemerkenswertes Sortiment an erstklassigen, werkstattsicheren Kunststoffen für anspruchsvolle Anwendungen (und für Taxidermien - Ihre Vermutung ist so gut wie meine!). Insbesondere das IE-3075-Harz ist unübertroffen: Es ist außergewöhnlich stark und steif und übertrifft Spritzguss-Nylon oder ABS in nahezu jeder Hinsicht. Ebenso wichtig ist, dass es sehr einfach ist, mit wenig Geld zu arbeiten und für weniger als 8 US-Dollar pro Pfund zu verkaufen.

Mikroskalenteile aus den innovativen Polymeren IE-3075 (orange gefärbt) und OC-7086 (wasserklar). Die Genauigkeit - vom CAD-Modell bis zum fertigen Teil - ist besser als 5 µm.

Innovative Polymers bietet auch eine Auswahl an vergleichsweise harten, UV-beständigen, kristallklaren Harzen (z. B. TD 283-18), eine Reihe unzerstörbarer, dehnbarer Kautschuke mit hervorragender Abrieb- und Schnittfestigkeit (HP-21xx-Serie) und vieles mehr . Wenn Sie sich in Nordamerika befinden und Harzgießen wollen, ist es ein Verbrechen, sie nicht zu versuchen.

Vorsicht ist geboten: Obwohl die in diesem Artikel genannten Harze sicherer sind als die meisten in der künstlerischen Arbeit verwendeten Formulierungen, basieren sie immer noch auf ziemlich reaktiven Chemikalien und müssen mit Respekt behandelt werden. Machen Sie sich vor Beginn eines Casting-Projekts mit den Sicherheitsdatenblättern und Überprüfen Sie die Sicherheitstipps für gesunde Werkstätten.

Aber was ist mit komplexeren Teilen?

Gute Frage! Wir haben uns dieses Thema schon früher angesehen, aber es ist an der Zeit aufzuholen. Für Geometrien, die nicht einfach in einteilige Formen gegossen werden können, z. B. weil sie keinen flachen Boden haben oder ausgeprägte Hinterschneidungen aufweisen, müssen Sie eine Form erstellen, die aus zwei oder mehr ineinandergreifenden Bits besteht. Die Idee mag einschüchternd klingen und beinhaltet ein bisschen 3D-Problemlösung - aber in den meisten Fällen ist die Aufgabe nicht so schwer, wie es scheint. Einer der vielen möglichen Ansätze ist unten gezeigt:

Erstellen von Mustern für eine zweiteilige Negativform. In der Nähe der Trennlinie wird auch ein sehr dünner Anguss hinzugefügt, damit das Harz mit einer Spritze eingefüllt werden kann.

In der Tat können mehrteilige Formen Ihr Leben vereinfachen. Die direkte Herstellung des oben gezeigten Teils wäre schwierig, da kostengünstige 3D-Drucker häufig mit Überhängen zu kämpfen haben, während Einsteiger-Dreiachsen-CNC-Fräsmaschinen mit Hinterschneidungen nicht zurechtkommen (es sei denn, Sie drehen das Werkstück manuell in der Mitte eines Schneidvorgangs) Job). Der Split-Pattern-Ansatz lässt dieses Problem verschwinden: Alle einzelnen Formen haben einfache Formen und werden kombiniert, um später ein monolithisches Teil mit einer schwierigeren Geometrie zu gießen.

Letzte Worte

Harzguss ist keine Silberkugel - aber es bietet überzeugende Vorteile auch für Einzelteile und erhält nicht die Anerkennung, die es in der DIY-3D-Community verdient. Sobald Sie sich mit dem Prozess auseinandersetzen, kann der damit verbundene Overhead überraschend gering sein. In vielen Fällen kann der Ansatz Ihre Projekte tatsächlich vereinfachen, indem Sie die inhärenten Einschränkungen von 3D-Druckern und CNC-Fräsern umgehen.

Im Gegenzug für den etwas längeren Weg können Sie mit Harzguss Teile mit nahezu allen mechanischen Eigenschaften, von echten Kautschuken bis hin zu exotischen Verbundstoffen, schnell herausdrehen. Selbst wenn Sie sich auf einen einzigen Polyurethanharz-Typ beschränken, erhalten Sie immer noch eine überraschende Flexibilität: Füllstoffe wie gemahlene Glasfasern oder Mikrokugeln aus Glas können verwendet werden, um steinharte Verbundstoffe oder ultraleichte syntaktische Schäume herzustellen Wirf einen Löffel Warenpulver in die Mischung.

Das Beste ist, wenn Sie ein oder zwei Negativformen haben, können Sie Ihre Teile in großen Mengen fast ohne Kosten und viel schneller replizieren, als Sie sie jemals drucken oder bearbeiten könnten. Um ihr Aussehen zu verändern, brauchen Sie nur einen Tropfen Farbstoff und ein gutes Rühren. Kein anderer Ansatz kommt dem sogar nahe.

Ein Mikrominiatur-Planetengetriebe, das mit den in diesem Artikel beschriebenen Verfahren und Produkten hergestellt wurde - und nicht viel mehr.

Dieser Beitrag wurde ursprünglich am 2. Mai 2013 veröffentlicht. WordPress-Kommentare sind jetzt geschlossen.

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