Polyurethane Gieten onder de knie: Ontwerpinzichten voor superieure prototypes

De polyurethane gietdienst van 3ERP stelt je in staat om kleine series plastic onderdelen te produceren tegen een fractie van de kosten van spuitgieten. Deze prototypes van hoge kwaliteit hebben een uitstekende oppervlakteafwerking en bieden een ideale tussenstap naar grootschalige productie.

Wat is polyurethane gieten?

Ook bekend als vacuümgieten, is polyurethane gieten een prototyping- en laagvolume-productietechniek geschikt voor batches van maximaal 25 stukken. De term 'urethane gieten' verwijst naar hetzelfde proces.

Het proces bestaat uit drie hoofdfasen: het maken van het masterpatroon, het maken van de siliconeen vorm en het gieten van de onderdelen.

1. Masterpatroon: Met CNC-bewerking of SLA 3D-printen wordt een positief masterpatroon gecreëerd. Bestaande onderdelen van vrijwel elk vast materiaal dat 40 °C kan weerstaan (voor het uitharden van de silicone) kunnen ook als patroon dienen.
2. Vorm: Een gietbak wordt half gevuld met vloeibare silicone met het patroon in het midden. De silicone hardert 16 uur in een oven bij lage temperatuur uit tot de eerste vormhelft. Vervolgens wordt de rest gevuld en uitgehard voor de tweede helft. De vormhelften worden gescheiden en het patroon bewaard voor hergebruik.
3. Gieten: De flexibele siliconeen vormen worden gevuld met polyurethane giethars, dat uithardt en de exacte vorm van het masterpatroon aanneemt. Een siliconeen vorm kan ongeveer 25 keer hergebruikt worden.

Polyurethane gieten is waardevol omdat siliconeen vormen zeer goedkoop zijn ten opzichte van metalen gereedschappen. Ze duren slechts ~25 gietbeurten, maar dat is doorgaans voldoende voor prototyping van kleine kunststofonderdelen.

Hoewel gegoten polyurethane hars geen sterke functionele onderdelen oplevert, biedt het unieke voordelen: uitstekende oppervlakteafwerking, een breed kleuren- en transparantiescala, en hoge rendabiliteit bij lage volumes.

Het masterpatroon maken

De eerste overweging bij het ontwerpen voor polyurethane gieten is het masterpatroon. Veelgebruikte technieken zijn 3D-printen (SLA, PolyJet) en CNC-bewerking. Traditionele patroonmakerstechnieken zijn mogelijk, maar duurder.

Bij digitale productiemethoden moeten ontwerpers rekening houden met de beperkingen van zowel het patroonmakerproces als het gieten. Dit artikel richt zich op ontwerptips voor effectief gieten.

Voordelen van 3D-geprinte masterpatronen

• Hogere geometrische vrijheid
• Sneller te produceren dan CNC-bewerking

Voordelen van CNC-geboorde masterpatronen

• Striktere toleranties dan 3D-printen
• Minder oppervlaktepostverwerking nodig
• Langere levensduur dan 3D-geprinte patronen

Toleranties & afmetingen

Bij het ontwerpen van polyurethane gegoten onderdelen moet rekening worden gehouden met standaardtoleranties en min/max afmetingen, die verschillen van spuitgieten. Als polyurethane gieten dient als prototyping voor toekomstige spuitgietonderdelen, kan het zinvol zijn om direct ontwerpkenmerken voor spuitgieten (zoals uittrekkingshoeken) te integreren.

• Tolerantie: 3ERP levert polyurethane onderdelen met een nauwkeurigheid van ± 0,3%, met een ondergrens van ± 0,3 mm voor afmetingen < 100 mm.
• Krimp: Dikke onderdelen zijn gevoeliger voor krimp door temperatuurschwankingen tijdens het vormproces. Reken met een krimppercentage van ca. +0,15%.
• Ondergrootte: Maximale afmetingen 1900 x 900 x 750 mm en een maximaal volume van 10 liter.

Wanddikte

De minimale wanddikte voor polyurethane gieten is 0,75 mm – voldoende voor goede vormvulling, hoewel 1,5+ mm optimale resultaten geeft. Voor dunner wandde diktes: neem contact op met 3ERP.

Gelijke wanddikte leidt tot betere resultaten door temperatuurgedeformeering te minimaliseren. Variërende wanddikte is minder problematisch dan bij spuitgieten.

Uittrekkingshoek (Draft)

Een groot voordeel van polyurethane gieten is de flexibiliteit van siliconeen vormen. Omdat de vormen flexibel zijn, kunnen gegoten onderdelen zonder uitwerppennen worden verwijderd. Uittrekkingshoeken zijn niet noodzakelijk zoals bij spuitgieten.

Een kleine uittrekkingshoek van maximaal 5° kan de levensduur van de siliconeen vorm iets verlengen, wat nuttig is bij middellopende productieseries waar perfect rechtte zijkanten niet vereist zijn. Dit maakt het ontwerp ook beter aanpasbaar voor toekomstige spuitgietproductie.

Rondingen (Radii)

Scherpe binnenhoeken moeten vermeden worden om de sterkte en stabiliteit van het onderdeel te maximaliseren. Aanbevolen radius voor binnenhoeken: 3 mm.

CNC-bewerking is ideaal voor het aanbrengen van rondingen, omdat de cylinderische frezen natuurlijke afgeronde binnenhoeken creëren bij het uitfrezen van gaten.

Ribben

Ribben verhogen de stijfheid zonder de wanddikte te vergroten. Meerdere korte ribben zijn effectiever dan één hoge rib. Oriënteer ribben correct ten opzichte van mogelijke buigkrachten.

Richtlijnen: grote hoekrondingen, ribdikte < 60% van wanddikte (tegen krimp/intrekking), ribhoogte < 3x ribdikte (tegen breuk).

Bossen

Gegoten polyurethane onderdelen kunnen bossen (kleine uitsteeksels voor bevestigingselementen of draadinserts) hebben, ondersteund door gussets of verbindende ribben.

Te vermijden zinkmarken: bosswanddikte < 60% van onderdeelwanddikte. Basisradius van de boss: ≥ 25% van onderdeelwanddikte.

Draadgaten & gaten

Doorgangen en draadgaten zijn mogelijk, het beste gerealiseerd met inserts in plaats van in het masterpatroon. Deze complexe features verhogen de kosten en zijn voor prototypes vaak onnodig.

• Doorgangen: doppen in de siliconeen vorm plaatsen.
• Draadgaten: metalen draadinserts via insert molding verwerken.

Lassen & verbindingen

Polyurethane gieten kan multi-component onderdelen met tong- en groefverbindingen produceren. Een kleine reveal gap moet in de verbinding worden opgenomen.

Oppervlaktekenmerken

Tekst, logo's en andere oppervlaktekenmerken kunnen worden gegoten. Ingerecesse (ingegraveerde) features zijn veel eenvoudiger toe te voegen via CNC-geboorde masterpatronen dan via 3D-geprinte.

Voor optimale resultaten: letters en cijfers minimaal 1,3 mm uit elkaar plaatsen.