Oberflächenfinish von Formen für Silikonguss – vergleichende Fallstudie zu FDM, SLA und SLS

Einleitung

Bei Anwendungen wie der Herstellung von Formen für den Silikonguss ist die 3D-Drucktechnologie allein nicht der einzige Faktor, der über die Eignung des finalen Bauteils entscheidet. Von entscheidender Bedeutung ist der Zustand der Arbeitsoberfläche der Form, da dieser direkten Einfluss auf die Qualität der Detailabbildung, die Dichtheit sowie die Lebensdauer der Form bei wiederholten Gießzyklen hat.

In diesem Zusammenhang spielen Post-Processing-Prozesse, insbesondere das Vapour Smoothing, eine entscheidende Rolle. Sie dienen nicht nur der ästhetischen Verbesserung, sondern vor allem der funktionalen Modifikation von Oberflächeneigenschaften wie Rauheit, Porosität und Dichtheit. Erst die Kombination der Drucktechnologie mit einem geeigneten Oberflächenfinish ermöglicht es, die typischen Anforderungen an Formen zu erfüllen.

In dieser Fallstudie werden drei 3D-Drucktechnologien – FDM, SLA und SLS – hinsichtlich ihrer Eignung für die Herstellung von Silikonformen verglichen. Die Analyse basiert auf einem praxisnahen Test: der Fertigung identischer Formen, dem Befüllen mit demselben Silikonmaterial sowie der Bewertung der Qualität der entstandenen Abgüsse. Besonderes Augenmerk wurde auf den Einfluss des Vapour-Smoothing-Prozesses auf die Funktionalität von in SLS-Technologie hergestellten Formen gelegt. Die für die Herstellung einer Kabeldurchführung verwendeten Formen, die als Vergleichsproben dienten, sind in Abbildung 1.1 dargestellt.

Technische Anforderungen an Silikonformen

Formen für das Gießen von Silikonen (RTV, LSR, niedrigviskose PU-Materialien) müssen die folgenden technischen Anforderungen erfüllen:

• geringe Oberflächenrauheit (Einfluss auf die Qualität des Abgusses und das Entformen des Bauteils),
• langfristige Maßhaltigkeit,
• Oberflächendichtheit (keine Mikroporen),
• Beständigkeit gegenüber wiederholten Gieß- und Entformungszyklen,
• keine Oberflächenfehler (Schichtlinien, Spuren von Stützstrukturen),
• ausreichende mechanische Festigkeit des Formmaterials.

Vergleich von 3D-Drucktechnologien im Kontext der Herstellung von Formen für den Silikonguss

Die folgende Tabelle zeigt einen Vergleich der drei am häufigsten eingesetzten 3D-Drucktechnologien zur Herstellung von Silikonformen.

Technische Hinweise:

• Die angegebenen Bereiche stellen typische Werte für Standardmaterialien dar, ohne den Einsatz von Spezialharzen oder modifizierten Filamenten.
• Die Oberflächenrauheit ist als Richtwert (Ra) angegeben und hängt von den Prozesseinstellungen sowie der Bauteilgeometrie ab.

In FDM-Technologie hergestellte Formen

In FDM-Technologie gedruckte Formen zeichnen sich – sofern sie so konstruiert sind, dass keine Stützstrukturen erforderlich sind – durch eine gute geometrische Stabilität und eine geringe Anfälligkeit für Verformungen aus. Thermoplastische Materialien behalten ihre Abmessungen über die Zeit hinweg bei, was einen vorhersehbaren Einsatz der Form bei kurzen Gießserien ermöglicht. Die größte Einschränkung ist jedoch die deutlich erhöhte Oberflächenrauheit, die aus sichtbaren Schichten und Nähten zwischen den Materialbahnen resultiert.

Das Beschichten der Oberfläche mit Polyvinylalkohol (PVA) erleichtert das Entformen des Bauteils und kompensiert Unebenheiten teilweise, gewährleistet jedoch weder eine glatte noch eine vollständig dichte Oberfläche.

Fazit: FDM eignet sich vor allem für prototypische Silikonabgüsse sowie für schnelle Geometrie-Tests, bei denen Form und Maßhaltigkeit wichtiger sind als die Oberflächenqualität.

In Abbildung 1.2 ist ein Teil der Form dargestellt, der während des Druckprozesses den Einsatz von Stützstrukturen erforderte und bei dem eine geringere Oberflächenqualität im Inneren erkennbar ist.

In SLA-Technologie hergestellte Formen

In SLA-Technologie gedruckte Formen bieten im Vergleich zu FDM eine deutlich geringere Oberflächenrauheit, was theoretisch eine bessere Detailabbildung begünstigt. In der Praxis erfordert jedoch jede durch Stützstrukturen („Support-Bäume“) gestützte Oberfläche ein manuelles Schleifen, was zeitaufwendig sein kann und zu lokalen Verzerrungen der Formgeometrie führen kann.

Darüber hinaus sind Photopolymermaterialien anfällig für Verformungen und Maßänderungen über die Zeit hinweg, teilweise bereits während des Drucks und der Nachhärtung. Die Sprödigkeit der Harze begrenzt zudem die Lebensdauer der Formen bei wiederholten Gießzyklen.

Fazit: SLA eignet sich hauptsächlich für Formen mit sehr feinen visuellen Details oder für Testbauteile, bei denen die Oberflächenanforderungen wichtiger sind als die Prozesswiederholbarkeit.

In Abbildung 1.3 ist ein Teil der Form dargestellt, der mit der SLA-3D-Drucktechnologie hergestellt wurde.

In SLS-Technologie hergestellte Formen mit Vapour Smoothing

In der SLS-Technologie gedruckte Formen zeichnen sich grundsätzlich durch eine hohe mechanische Festigkeit und eine sehr gute Maßhaltigkeit aus, jedoch ist die gesinterte Oberfläche porös und nicht immer vollständig dicht. Der Vapour-Smoothing-Prozess verändert diese Situation grundlegend – er reduziert die Oberflächenrauheit, schließt Mikroporen und verleiht der Oberfläche eine Glätte, die mit anderen Technologien nicht erreicht werden kann.

Dadurch vereinen SLS-Formen nach dem Vapour Smoothing eine hohe Detailpräzision, Maßwiederholbarkeit und Oberflächendichtheit bei gleichzeitig erhaltener Materialfestigkeit.

Fazit: In der SLS-Technologie ermöglichen der Verzicht auf Stützstrukturen sowie die präzise Detailabbildung den Einsatz dieser Formen sowohl für kurze als auch für lange Serien von Silikonabgüssen. Sie bieten damit eine Funktionalität und Lebensdauer, die weder mit FDM noch mit SLA erreicht werden kann. Vapour Smoothing ist hierbei kein rein kosmetischer Schritt, sondern ein entscheidender Prozess, der einen SLS-Druck in eine vollständig funktionsfähige Form verwandelt, die keine Beschichtung mit Polyvinylalkohol zur Erleichterung des Entformens erfordert.

In Abbildung 1.4 ist ein Ausschnitt einer solchen Form dargestellt.

Vapour Smoothing als entscheidender Faktor für die Funktionalität der Form

Der Vapour-Smoothing-Prozess führt zu einer kontrollierten Plastifizierung der obersten Materialschicht, was zu einer Reduzierung der Oberflächenrauheit sowie zum Verschließen der für gesinterte Strukturen typischen Mikroporen führt. Im Kontext von Silikonformen bedeutet dies eine wesentliche Veränderung der Gebrauchseigenschaften des Bauteils und nicht lediglich eine visuelle Verbesserung.

Im Vergleich zu mechanischen oder beschichtungsbasierten Glättungsverfahren wirkt Vapour Smoothing:

• gleichmäßig über die gesamte Oberfläche,
• ohne das Aufbringen zusätzlicher Materialschichten,
• ohne lokale Veränderungen der Geometrie,
• mit einer Verbesserung der Oberflächendichtheit bei gleichzeitigem Erhalt der geometrischen Details.

Dadurch ist es möglich, die Druckteile direkt als Silikonformen einzusetzen, ohne dass eine weitere Oberflächenbearbeitung erforderlich ist.

Silikonabgüsse – Vergleich der Oberflächenqualität

Um die Eignung der einzelnen Technologien für die Herstellung von Funktionsformen zu überprüfen, wurden Probesilikonabgüsse in Formen durchgeführt, die mit den Technologien FDM, SLA und SLS (nach dem Vapour-Smoothing-Prozess) gefertigt wurden. Alle Formen wurden mit demselben Silikonmaterial und unter identischen Prozessparametern befüllt, was einen direkten Vergleich der Oberflächenabbildungsqualität sowie der geometrischen Details ermöglicht.

In Abbildung 1.5 sind die Formen nach dem Befüllen mit dem Silikonmaterial dargestellt.

Detailaufnahmen der Oberflächen der Abgüsse zeigen deutlich den Einfluss der verwendeten Formherstellungstechnologie auf die Struktur und Glätte der Bauteiloberfläche.

Bei FDM-Formen ist die aus dem schichtweisen Aufbau der Form resultierende Textur sichtbar, die sich auf die Silikonoberfläche überträgt, wie in Abbildung 1.6 zu erkennen ist.

SLA-Formen bieten eine deutlich glattere Oberfläche, jedoch sind lokale Spuren von Stützstrukturen und manueller Nachbearbeitung weiterhin erkennbar, wie in Abbildung 1.7 dargestellt.

Die homogensten Oberflächen der Abgüsse wurden in Formen erzielt, die in der SLS-Technologie nach dem Vapour-Smoothing-Prozess hergestellt wurden; ein entsprechender Oberflächenausschnitt ist in Abbildung 1.8 dargestellt. Das Schließen der Materialporosität sowie die Reduzierung der Oberflächenrauheit der Form führen zu einer sehr guten Detailabbildung und einer durchgängigen Arbeitsoberfläche. Dies ist von entscheidender Bedeutung bei funktionalen Bauteilen wie Dichtungen, bei denen sowohl die Geometrie als auch die Qualität des Oberflächenkontakts eine wesentliche Rolle spielen.

Technische Zusammenfassung – Empfehlungen

Die vergleichende Analyse zeigt, dass die 3D-Drucktechnologie allein nicht immer ausreicht, um die an Formen für den Silikonguss gestellten Anforderungen zu erfüllen. Der entscheidende Faktor ist die Möglichkeit, eine funktionale, dichte und stabile Arbeitsoberfläche zu erzielen.

Praktische Empfehlungen:

• FDM – geeignet für schnelle Prototypen und Geometrietests, bei denen die Oberflächenqualität nicht kritisch ist.
• SLA – eine gute Lösung für kurze Serien visueller Bauteile mit hohen ästhetischen Anforderungen.
• SLS + Vapour Smoothing – die empfohlene Technologie für Funktionsformen, die Haltbarkeit, Dichtheit und eine reproduzierbare Abgussqualität erfordern.

In diesem Kontext ist Vapour Smoothing kein ästhetischer Zusatz, sondern ein zentraler Prozessschritt, der den SLS-3D-Druck in ein Werkzeug für reale industrielle Anwendungen im Bereich von Silikonformen verwandelt.

Szymon Grabowski

Applications Development Manager

Applications Development Manager mit langjähriger Erfahrung in der SLS-3D-Drucktechnologie. Im Arbeitsalltag beschäftigt er sich mit der Implementierung und Optimierung additiver Anwendungen in realen industriellen Prozessen. Besonders schätzt er einen experimentellen Ansatz – das Testen neuer Lösungen und die Suche nach unkonventionellen Entwicklungswegen für die Technologie.