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3D-Druck oder Spritzguss? Wann lohnt sich welches Verfahren?
Die Frage, welches Fertigungsverfahren für dein Projekt am geeignetsten ist, kann nicht immer eindeutig beantwortet werden. Der 3D-Druck ist zu Beginn deutlich schneller als der Spritzguss. Bei größeren Stückzahlen (>1.000) ist der Spritzguss in der Regel das günstigere Verfahren. Mit unserem Ratgeber wollen wir dir die Entscheidung erleichtern und beantworten die alles entscheidende Frage: Wann lohnt sich welches Verfahren?
Wir von 2D Spritzguss haben uns auf die schnelle und kostengünstige Produktion von „geometrisch einfachen“ Kunststoffteile im Spritzgussverfahren spezialisiert. Mit den kostengünstigen 2D-Spritzgusswerkzeugen sind wir bei steigenden Stückzahlen der nächste logische Schritt zum 3D-Druck. Dadurch professionalisierst du nicht nur deine Produktion, sondern kommst schnell zur Serienfertigung.
Fertigungsverfahren Kunststoff: Spritzguss vs. 3D- Druck
Der moderne 3D Druck ist weiterhin auf dem Vormarsch, Mit diesem additiven Verfahren lassen sich Prototypen und andere Kleinteile aus Kunststoff schnell und ohne das für den Spritzguss nötige Werkzeug herstellen. Beim Spritzguss dient das Werkzeug als Negativform, in die der flüssige Kunststoff gespritzt wird. Die Herstellung eines Spritzgusswerkzeuges ist der kostspielige Teil des Spritzgussverfahrens und muss vor dem Start der Produktion aufwendig konstruiert und gebaut werden. Die hohen Kosten für das Spritzgusswerkzeug resultieren insbesondere aus der extrem präzisen Fertigung der Stahlform. Für diese Fertigung wird nach wie vor ein fräsendes Verfahren verwendet, d.h. das Werkzeug entsteht aus mehreren Metallteilen.
Additive Fertigung, auch 3D-Druck genannt, benötigt weder eine Spritzgussform noch fräst es seine Bauteile aus. Der 3D-Drucker produziert aus einem Filament ein nahezu frei formbares Werkstück. Dabei gibt man die CAD-Daten des Werkstücks ein und die rechnergesteuerte Düse legt eine dünne Schicht Kunststoff nach der anderen aufeinander. Dabei fährt die Düse die Form des Bauteils so lange nach bis das gewünschte Teil einfach aus dem Drucker entnommen werden kann. Dadurch lassen sich auch komplexe Strukturen in sehr kurzer Zeit realisieren. Für größere Formen mit starken Überhängen muss jedoch eine Konstruktion aufgebaut werden, die das Bauteil stützt, damit ein reibungsloser Druck gewährleistet werden kann. Die Preise für einen 3D-Drucker sind in den letzten Jahren rapide gesunken und auch die Technologie ist insgesamt ausgereifter.
Die Frage, inwieweit additive Fertigungsmethoden wie der 3D-Druck etablierte Verfahren ablösen, treibt auch die Experten der Kunststoffbrnache um. Ob die fortschrittliche Entwicklung des 3D-Drucks tatsächlich ausreicht, um sich gegen das etablierte Spritzgussverfahren durchzusetzen, wollen wir in diesem Ratgeber näher durchleuchten.
Spritzguss oder 3D Druck? Welches Verfahren ist denn nun das Bessere?
Bevor Du dich final auf einer der beiden Methoden festlegst, solltest du dir vorab folgende Fragen stellen:
- Welche Materialeigenschaft sollen deine Bauteile haben?
- Welche Oberflächenbeschaffenheit sollen deine Bauteile haben?
- Welche Toleranzen sind für die Bauteile vertretbar?
- In welchen Stückzahlen sollen deine Bauteile produziert werden?
- Wie komplex ist die Geometrie des Bauteils?
- Welche Ausmaße hat das Werkstück?
- Möchtest du an dem Werkstück im Nachgang noch Veränderungen vornehmen?
- Mit welchen Herstellungszeiten planst du?
Die Vorteile von Spritzguss für große Serien
Wenn du hohe Stückzahlen von Produkten aus Kunststoff produzieren möchtest, kommst du in aller Regel am Spritzgussverfahren nicht vorbei. Der große Vorteil von Spritzguss bei hohen Stückzahlen sind die niedrigeren Kosten und die schnelleren Fertigungszeiten. Gerade bei großen Mengen identischer Kunststoffteile ist das Spritzgießen die kostengünstigste Methode zur Herstellung. Sobald die Negativ-Form erstellt und die Maschine eingerichtet ist, können zusätzliche Teile sehr schnell und zu geringen Kosten hergestellt werden.
Ein Mindestproduktionsvolumen für das Spritzgießen ist immer auch von der Komplexität des Bauteils abhängig. In der Regel können aber schon ab einer Menge von 500 Stück Skaleneffekte einsetzen und die relativ hohen Anfangskosten für Werkzeuge amortisieren sich nach relativ kurzer Zeit und wirken sich weniger stark auf den Stückpreis aus.
Vorteile bringt der Kunststoff-Spritzguss aber auch durch die vielfältigen Materialien und Farben, die beim Spritzguss verwendet werden können. Grundsätzlich können beim Spritzgiessen viele Thermoplaste sowie Elastomere verarbeitet werden. Dies gibt eine sehr breite Palette verfügbarer Materialien mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften, mit denen gestaltet werden kann.
Ein weiterer Vorteil sind die besseren Oberflächen und die grundsätzlich höhere Auswahl an Materialien. Abhängig von der Geometrie und den gewünschten Eigenschaften der Objekte kann das Spritzgussverfahren schon im Bereich von 300-500 Stück seinen Kostenvorteil ausspielen.
Die Vor- und Nachteile von Spritzguss auf einen Blick
- Hohe Oberflächenqualität
- Spritzgussteile müssen nicht nachgearbeitet werden
- Verfahren ist vollautomatisierbar
- Hohe Reproduzierbarkeit der Formteile
- Gute Integrierbarkeit in automatisierte Fertigungsprozesse
- Hohe Produktivität
- Hohe Fixkosten (initiale Werkzeugkosten)
- Hohe Kosten für die Produktionsmittel
- Hoher Energieaufwand
- Konstruktionsänderungen sind kostspielig
- Längere Vorlaufzeiten als bei anderen Technologien
Die Vorteile des 3D-Drucks bei kleinen Stückzahlen und Prototypen
Klarer Vorteil des 3D-Drucks im Vergleich zum Spritzgießen sind die deutlich schnelleren Fertigungszeiten bei kleineren Stückzahlen, da du mit einem 3D-Drucker direkt aus dem digitalen Modell heraus in die Produktion einsteigen kannst. Dies hat den Vorteil, dass du Designideen schnell überprüfen und entwickelt kannst. Zudem sind die Kosten für 3D Drucker in den letzten Jahren rapide gesunken, sodass die Anfangsinvestition deutlich geringer als die Herstellung eines Spritzguss-Werkzeuges ist. Dazu kommt die Freiheit im Design sowie den individuellen Gestaltungsmöglichkeiten durch Material- und Farbwechsel. Auch das nachträgliche Verändern von Geometrien sowie kurzfristige Änderungen am Produkt (durch Bearbeitung des CAD-Modells) ist beim 3D-Druck möglich. Im 3D-Druck sind zudem Bauteile realisierbar, die im Spritzguss nicht aus einem Stück zu fertigen sind.
Der 3D-Druck ist daher immer dann lohnenswert, wenn du kleine Stückzahlen benötigst, an denen du vielleicht sogar im Nachgang Veränderungen vornehmen möchtest. Durch die geringen Anschaffungs- und Betriebskosten ermöglicht ein 3D-Drucker vor allem Privatleuten und Startups die kostengünstige Herstellung ihrer eigenen Produkte. Und das alles in sehr kurzer Zeit. Typische Anwendungsfälle sind zum Beispiel Prototypen oder kleinere Testserien eines Produktes. Auch für hochindividualisierte Serien ist der 3D-Druck eine gute Alternative zum Spritzgussverfahren. Bei einfachen Formteilen, die du in Kleinserie herstellen möchtest, ist der 3D Druck daher womöglich die bessere Wahl.
Die Vor- und Nachteile von 3D-Druck auf einen Blick
- Geringer Materialverbrauch
- Hohe Geometriefreiheit
- Werkzeuglose Fertigung
- Risiko-Reduzierung
- Design-Freiheiten
- Lange Fertigungszeiten
- Begrenztes Bauvolumen
- Hohe Stückzahl nicht wirtschaftlich
- Oftmals Nacharbeitung an den 3D-Bauteilen notwendig
- Beschränkte Materialauswahl
Unser Fazit zum Thema: Spritzguss oder 3D Druck
Die anfänglichen Einmalkosten zur Herstellung eines Spritzgusswerkzeugs können oftmals abschrecken, da man nicht gleich ins finanzielle Risiko gehen möchte. Jedoch muss man die geringen Kosten zur Herstellung der Bauteile über deren Laufzeit sowie die vielen Vorteile des Spritzgussverfahrens gegenüberstellen. Dann wird man sehr schnell eingestehen, dass das Spritzgussverfahren auch bei kleiner Stückzahl das geeignete Fertigungsverfahren ist.
Wenn du 1 oder 3 oder 5 Formteile aus einem thermoplastischen Kunststoff herstellen willst, dann ist ein additives Fertigungsverfahren, also das 3D-Drucken, fast immer die richtige Wahl. Wir reden hier von Einzelstücken oder Prototypen. Wenn du 1.000 oder 10.000 oder 100.000 Stück herstellen willst, dann ist das ein Fall für das Spritzgießen. Die wichtigsten Kriterien bei der Wahl des Fertigungsverfahren sind die Kosten, die Qualität der Bauteile und die Herstellungsdauer.
- Qualität: Vorteil Spritzgiessen – Steifigkeit und Festigkeit sind höher, weil das Materialgefüge homogener ist. Die Oberfläche ist hochwertiger, es gibt mehr Möglichkeiten für die Gestaltung der Oberfläche
- Herstellungsdauer: Vorteil 3D-Druck, weil keine Werkzeuge gebaut werden müssen – gilt aber nur bei kleinen Mengen und nur beim ersten Mal (bis das Werkzeug gebaut ist), danach ist Spritzgiessen deutlich schneller
- Kosten: Abhängig von der Stückzahl und der Komplexität des Bauteils
Neben der Stückzahlen ist die Komplexität des Bauteils der zweite wesentliche Einflussfaktor.
Hierbei gelten die folgenden Faustformeln: 1. Je größer die Stückzahl desto eher rechnet sich das Spritzgiessen. 2. Je komplexer das Bauteil desto länger bleibt man beim 3D-Drucken. Die Werkzeugkosten steigen stark an und amortisieren sich erst bei größeren Stückzahlen.
Bei einem wenig komplexen, also „geometrisch einfachen“ Bauteil, kann sich das Spritzgiessen schon bei Mengen von einigen hundert Stück rechnen. Beim 2D-Spritzguss sind die Werkzeugkosten aufgrund des eingesetzten Kassettensystems nochmal deutlich günstiger. Gerne unterstützen wir dich dabei, dein Bauteil „geometrisch zu vereinfachen“