3D-Druck oder Spritzguss: Wann lohnt sich welche Produktionsmethode?
Wenn es um die schnelle und qualitativ hochwertige Herstellung von Kunststoffbauteilen geht, gelten die beiden Verfahren 3D-Druck und Spritzguss als die wirtschaftlichsten Verfahren. Während das Spritzguss-Verfahren im Bereich der Serienfertigung auch hoher Stückzahlen ein altbewährtes Fertigungsverfahren darstellt, begegnen Hersteller dem 3D-Druck immer noch mit Skepsis. Für Prototypen eignet sich die additive Fertigung bestens – aber für die Herstellung großer Losgrößen? Mit diesem Beitrag möchten wir Ihnen eine Entscheidungshilfe zur Hand geben und die Frage beantworten, wann sich welche Produktionsmethode für Ihre Bauteile eignet.
Die Unterschiede zwischen 3D-Druck und Spritzguss
Spritzguss kommt bei der Fertigung von identischen Kunststoffteilen in großen oder größten Losgrößen zum Einsatz. Beim Spritzguss-Verfahren wird zunächst eine Negativ-Form des zu fertigenden Bauteils konstruiert und anschließend aus Vollmaterial – in der Regel Aluminium oder Stahl – gefräst. Dieses Werkzeug wird anschließend auf der Spritzgussmaschine installiert. Der verflüssigte, erhitzte Werkstoff wird sodann in die Form eingespritzt, erkaltet dort und lässt sich anschließend als fertiges Bauteil aus der Form entnehmen.
Der 3D-Druck hingegen kommt ohne die vorherige Anfertigung einer Form aus. Bei dem additiven Fertigungsverfahren entsteht das jeweilige Bauteil Schicht für Schicht im Bauraum des 3D-Druckers. Nach Beendigung des Drucks kann das Bauteil einfach aus dem Drucker entnommen werden. Je nach Technologie müssen anschließend noch Stützstrukturen entfernt werden.
Vorteile und Nachteile beim Spritzguss
Bei Spritzgussbauteile benötigen wir eine Werkzeugform, die je nach Ausführung mit hohen initialen Kosten verbunden ist. Änderungen an der Geometrie der Bauteile ziehen immer eine Anpassung der Form nach sich – was Zeit in Anspruch nimmt und damit weitere Kosten produziert. Die Vorteile beim Spritzguss-Verfahren liegen in der hohen Präzision und Schnelligkeit. Wenn sehr hohe Stückzahlen mit engen Toleranzen oder höchsten Oberflächengüten gefordert sind, ist der Spritzguss im Vorteil.
- Vorteile: hohe Präzision und Schnelligkeit
- Nachteile: Spritzgussform benötigt, unflexible Produktion, keine kleinen Stückzahlen
Vorteile und Nachteile beim 3D-Druck
Beim 3D-Druck entfallen die initialen Kosten für die Herstellung von Formen vollständig. Die Bauteile lassen sich ohne Umwege direkt aus der Konstruktionsdatei (CAD) heraus fertigen. Eventuelle Änderungen an der Geometrie der Bauteile können ohne große Zeitverluste auch in der laufenden Produktion umgesetzt werden. Einige Geometrien sind sogar nur mittels 3D-Druckverfahren herstellbar! 3D-Druckverfahren sind immer dann im Vorteil, wenn es um eine möglichst flexible Serienfertigung mit der Option auf schnelle Änderungen auch während der laufenden Produktion geht.
- Vorteile: keine Spritzgussform benötigt, jederzeit Änderungen machbar, komplexe Geometrien möglich, auch kleine Stückzahlen
- Nachteile: bei sehr hohen Stückzahlen weniger wirtschaftlich
Entscheidungskriterien für 3D-Druck oder das Spritzguss-Verfahren
Für eine Entscheidung für oder gegen ein Verfahren im Bereich der Serienfertigung von Kunststoffbauteilen müssen mehrere Parameter in Betracht gezogen und miteinander verglichen werden. Zu den wichtigsten Entscheidungskriterien gehören:
Welche Stückzahlen werden benötigt?
Moderne 3D-Druckverfahren wie Digital Light Processing (DLP), Selective Absorption Fusion (SAF) oder auch das Multi Jet Fusion (MJF) ermöglichen mittlerweile die wirtschaftliche Fertigung von Kunststoffbauteilen in großen Serien bis zu 10.000 Stück. Gerade dann, wenn in einem Fertigungsschritt mehrere Bauteile zusammengefasst gedruckt werden können, bietet die additive Fertigung einen immensen Zeitvorteil auch bei größeren Serien.
Der Spritzguss ist bei hohen Losgrößen über 10.000 Stück das vorteilhaftere Verfahren, wenn keine Änderungen an der Geometrie zu erwarten sind. Durch die hohen initialen Kosten für das Spritzguss-Werkzeug sind die Stückzahlen nach unten hin begrenzt – unter 1000–10.000 Stück lohnt sich die Anfertigung eines Werkzeuges zumeist nicht.
Welche Anforderungen werden an die Oberflächengüte gestellt?
Auch wenn moderne 3D-Drucker dünnste Schichten übereinanderlegen können, so sind die einzelnen Schichtdetails eines Bauteils doch immer sicht- und spürbar. Dies macht Nachbearbeitungen notwendig, wenn die Bauteile besonders glatte Oberflächen aufweisen müssen (beispielsweise bei Lager-Elementen im Maschinenbau). Die Technologien DLP und SLA ermöglichen jedoch je nach Geometrie der Bauteile auch spritzgussähnliche Oberflächen.
Beim Spitzguss wird das Material in einem einzigen Vorgang in die Form gegossen, sodass keine Schichten sichtbar oder Grate spürbar sind. Die Oberflächengüte ist hier über die gesamte Serienfertigung hinweg immer identisch, Nacharbeiten sind entweder gar nicht nötig oder durch automatisierte Nachbearbeitungsverfahren kosteneffizient zu erledigen.
Sind kurze Lieferzeiten notwendig?
Bevor Spritzgussteile hergestellt werden können, muss zunächst die Form für die Teile angefertigt werden. Anschließend muss die Spritzgussmaschine eingerichtet und für die Serienproduktion angepasst werden. Die einzelnen Arbeitsschritte erhöhen die Durchlaufzeiten deutlich. Ein weiterer Zeitverlust tritt auf, wenn während der Fertigung Änderungen am Bauteil notwendig werden. Hier muss das vorhandene Werkzeug dann entweder überarbeitet oder gar neu angefertigt werden.
Beim 3D-Druckverfahren sind keine zeitaufwändigen Vorarbeiten oder Rüstzeiten mit in die Kalkulation einzubeziehen. Sind die Konstruktionsdaten einmal erstellt, kann die Fertigung umgehend beginnen. Änderungen an der Bauteil-Geometrie können sofort in den Konstruktionsdateien umgesetzt und in der nächsten Druck-Charge berücksichtigt werden. Das macht das 3D-Druckverfahren besonders bei zeitkritischen Aufträgen interessant.
Wie komplex ist die Geometrie der Bauteile?
Spritzguss-Bauteile sind hinsichtlich der möglichen Geometrien eingeschränkt – denn es sind immer nur genau die Konturen möglich, die mittels zerspanender Fertigungsverfahren in der Negativ-Form darstellt werden können. Komplexe Geometrien können mit Schiebern oder Sonderwerkzeugen realisiert werden, befinden sich dann aber auch kostentechnisch auf einem anderen Level.
Bei 3D-Druckverfahren herrscht hingegen maximale Gestaltungsfreiheit. So gut wie alle Geometrien, aber auch bewegliche Teile oder ganze Baugruppen, lassen sich mit einem 3D-Drucker herstellen. Je komplexer das Design eines Bauteiles ist, desto größer sind die Vorteile, die moderne 3D-Druckverfahren bieten.
Muss die Produktion flexibel sein für Änderungen?
Bei Spritzgussteilen gilt: Das erste Teil einer Serie ist gleich dem letzten Teil. Änderungen in der laufenden Fertigung, beispielsweise angepasste Konturen oder optimierte Geometrien, sind immer nur durch eine Anpassung des verwendeten Werkzeugs möglich. Dieses muss auf einer Fräsmaschine überarbeitet oder auch vollkommen neu gefertigt werden. In diesem Zeitraum ruht die eigentliche Serienfertigung der Kunststoffbauteile.
Die 3D-Druckverfahren bieten hingegen jederzeit die Möglichkeit, Bauteile anzupassen oder zu verändern. Durch digitale Eingriffe in die bestehenden Konstruktionsdaten lassen sich Optimierungen am Bauteil in kürzester Zeit umsetzen und mit der nächsten Charge der zu druckenden Teile umgehend realisieren.
Wie nachhaltig und ressourcenschonend sind die Produktionsverfahren?
Während der Fertigung von Teilen im Spritzgussverfahren entsteht praktisch kein Abfall, denn es wird immer genau so viel Material in die Form gegeben, wie für das einzelne Bauteil erforderlich ist. Allerdings ist der Spritzguss ein sehr energieintensives Verfahren, und das gleich in doppelter Hinsicht: Sowohl für die Herstellung der Form als auch für die Fertigung der Bauteile müssen Maschinen betrieben werden, die stellenweise Elektro-Motoren mit mehreren Kilowatt Antriebsleistungen einsetzen. Hinzu kommt der Einsatz von umweltschädlichen Hilfs- und Betriebsstoffen, beispielsweise von Ölen oder Kühlschmierstoffen. Nicht zuletzt entsteht bei der Herstellung der Formen Abfall in Form von Spänen, der teuer entsorgt und dem Recycling-Kreislauf zugeführt werden muss.
Beim 3D-gedruckten Teilen entsteht minimaler Abfall, wenn Stützstrukturen entfernt oder Kanten geglättet werden müssen. Das ist allerdings auch schon alles – denn es werden weder Betriebs- und Hilfsstoffe noch große Elektromotoren für die Fertigung benötigt. Der 3D-Druck ist entsprechend bei einer nachhaltigen Fertigung mit möglichst wenig Einsatz von Ressourcen klar im Vorteil.
Zusammenfassung: Beide Technologien bieten Vorteile!
Sowohl das 3D-Druckverfahren als auch das Spritzguss-Verfahren bieten ihre ganz eigenen Vor- und Nachteile. Der große Nutzen liegt darin, beide wirtschaftlich einzusetzen.
Mit dem Spritzguss-Verfahren bieten sich folgende Vorteile in der Herstellung der Bauteile an, wenn:
- Stückzahlen über 1.000 Stück gefordert sind
- Während der Produktion keine Änderungen an der Form der Teile zu erwarten sind
- Höchste Oberflächengüten erforderlich sind
- Die Bauteile Werkzeugtechnisch gerecht ausgelegt sind.
- Wenn Sie 2K-Technik benötigen. Z.B. Ein andersfarbiges Logo oder eine Dichtung am Gehäuserand
- sie Einlegeteile umspritzen müssen
Das 3D-Druckverfahren hingegen ist zu bevorzugen, wenn:
- Maximale Geometriefreiheit benötigt wird
- Kurze Laufzeiten bei der Fertigung gewünscht sind
- Während der laufenden Fertigung Konstruktionsänderungen zu erwarten sind
- Kleine Stückzahlen besonders wirtschaftlich hergestellt werden sollen oder
- Es bei Stückzahlen bis 1.000 Stück auf maximale Flexibilität ankommt
- Werkzeugkosten eingespart werden sollen
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