Bisher wurde 3D-Druck für das Prototyping und Spritzgießen für die Produktion angewandt. Doch die additive Fertigung hat sich weiterentwickelt: Heute gibt es 3D-Drucktechnologien, mit denen Bauteile in Produktionsqualität hergestellt werden können - und zwar in großen Stückzahlen.
Zu diesen Technologien gehört die von Boston Micro Fabrication (BMF) entwickelte Projektionsmikro-Stereolithografie, eine Form des 3D-Drucks im Mikromaßstab, die mit Kunststoffen, metallbeschichteten Kunststoffen, Keramik, Hydrogelen und Verbundharzen funktioniert.
Die Formen und Werkzeuge für den Kunststoffspritzguss kosten Zehn- oder sogar Hunderttausende von Euro und rentieren sich erst bei hohen Produktionsmengen. Bis zu diesem Übergangspunkt bringt der 3D-Druck viele Vorteile – danach wird Spritzgießen rentabler. Doch neben der Stückzahl gibt es weitere wichtige Kriterien für die Auswahl der richtigen Fertigungstechnologie. Diese zehn Faktoren sollte man berücksichtigen, wenn man sich zwischen Spritzguss und 3D-Druck entscheidet.
1. Vorlaufzeiten
Die Herstellung der Stahl- oder Aluminiumformen, die für das Spritzgießen benötigt werden, kann Wochen oder Monate dauern. Der Spritzgießer schickt dem Kunden dann Musterteile für Funktionstests und Maßhaltigkeitsprüfungen. Wenn die Erstmuster nicht den Anforderungen entsprechen, muss der Formenbauer das Werkzeug möglicherweise anpassen, was den Zeitplan des Projekts weiter verlängert.
Der 3D-Druck verkürzt die Vorlaufzeiten. Es wird kein Metallwerkzeug konstruiert, mechanische bearbeitet und getestet. Die Kunden erhalten Musterteile, aber wenn Änderungen erforderlich sind, wird nur die 3D-Konstruktion geändert oder die Einstellung des 3D-Druckers angepasst. Mithilfe des 3D-Drucks lassen sich sogar Spritzgussformen in kleinen Stückzahlen herstellen. Wer aber hohe Stückzahlen in einem einzigen Durchgang fertigen muss, kommt mit Spritzgießen schneller ans Ziel.
2. Einrichtungskosten
Die Werkzeuge verursachen beim Spritzgießen die höchsten Kosten. Stahl ist teurer als Aluminium, die Metalle kosten auch mehr als 3D-Kunststoffe, die für den Bau von Kleinserienformen verwendet werden. Produktionsformen verursachen höhere Kosten als Prototypenformen. Insgesamt variieren beim Spritzgießen die Werkzeugkosten mit der Größe und Komplexität der Form. Der 3D-Druck erübrigt diese Kosten.
3. Stückzahlen
Der Vergleich zwischen Spritzguss und 3D-Druck sollte vier Stückzahlen berücksichtigen: die der Erstbestellung, der Jahresproduktion, der Gesamtstückzahl und eine Grenzstückzahl. Standardteile haben Grenzmengen im niedrigen Tausenderbereich. Kleine, hochpräzise Teile lohnen sich erst im Zehntausenderbereich, und das ist einer der Gründe, warum mikroskalige 3D-Drucker von BMF anstelle des Mikrospritzgießens eingesetzt werden. ht PµSL durch kontinuierliche Belichtungen.
4. Materialien
Spritzguss und 3D-Druck verwenden teilweise die gleichen Materialien. Beispiele sind ABS, Acetal, Acryl, PEEK, PEI, Polycarbonat, Polyethylen und PTFE. Aber die Endeigenschaften der spritzgegossenen und 3D-gedruckten Materialien unterscheiden sich. Daneben unterstützt Spritzguss einige Materialien, die im 3D-Druck nicht verwendet werden können, und umgekehrt. Das offene Materialsystem von BMF lässt Entwicklern die Wahl eines eigenen Materials (auch außerhalb der Kunststoffe) und der breiten Palette von BMFs eigenen speziell definierten Polymeren.
5. Bauteilgröße
Kleinste Teile werden heute im Mikrospritzgießen hergestellt, allerdings mit hohen Werkzeugkosten und einigen Einschränkungen. Dazu gehören die Größe der Form, die Möglichkeiten der Maschine und die Mindestwandstärke des Teils. Die meisten 3D-Drucker sind für die Herstellung mikroskopisch kleine Teile ungeeignet. Doch mit der PµSL-Technologie von Boston Micro Fabrication werden sogar Teile gedruckt, die kleiner sind, als ein menschliches Haares mit einem Durchmesser von etwa 70 Mikrometern. PµSL konkurriert jedoch nicht nur in Bezug auf die Größe mit dem Präzisionsspritzgießen. Mit dieser Form des 3D-Drucks können auch extrem enge Toleranzen erreicht werden.
6. Toleranzen
Die Toleranzen betragen bei unkritischen Anwendungen von Spritzgussteilen normalerweise ± 0,1 mm. Bei kritischen Bauteilen, wie in medizinischen Anwendungen, sind ± 0,025 mm üblich. Bei der PµSL-Technologie werden die Fertigungstoleranzen in Mikrometern statt in Millimetern (mm) gemessen. Da 1 Mikrometer 0,001 Millimeter entspricht, sind die Drucktoleranzen von ± 10µm ± 25µm bei PµSL besonders eng.
7. Bauteilfestigkeit
Spritzgussteile sind in der Regel fester als 3D-gedruckte Komponenten. Das liegt vor allem daran, dass spritzgegossene Teile in einem Materialschuss hergestellt werden, während der 3D-Druck die Teile Schicht für Schicht erzeugt. Es kommt aber auf die Materialauswahl an. BMF-Materialien wie RG-Harz können als langlebige technische Materialien zur Herstellung funktionaler Endanwendungsteile verwendet werden.
8. Reifegrad der Entwicklung
Für das Spritzgießen kommen nur serienreife Bauteile infrage, die in hohen Stückzahlen hergestellt werden. Designänderungen nach Produktionsanlauf sind schwierig, zeitaufwendig und kostspielig. Der 3D-Druck erlaubt dagegen viele Entwicklungsänderungen vom Prototyping bis zur Produktion. So werden Probleme schneller erkannt und korrigiert, ohne dass Werkzeuge verschrottet oder Material verschwendet wird. Ein wichtiger Vorteil bei Neuentwicklungen, die noch nicht ganz ausgereift sind.
9. Designkomplexität
Im Vergleich zum Spritzgießen ermöglicht der 3D-Druck die Herstellung von Bauteilen mit höherer Komplexität. Von Löchern in der Mitte der Teile über komplizierte Formen bis zu speichenähnlichen Merkmalen - die additive Fertigung eröffnet eine größere Designfreiheit. Beim Spritzgießen begrenzt die Werkzeugtechnik das Teiledesign. So können beispielsweise Teile mit rechten Winkeln beim Auswerfen brechen, oft werden Rippen zur Unterstützung benötigt.
10. Oberflächengüte
Schließlich muss beim Vergleich von Spritzguss und 3D-Druck die Oberflächenbeschaffenheit berücksichtigt werden. Im Allgemeinen weisen 3D-gedruckte Teile eine rauere Oberfläche auf, die nach der Herstellung geglättet werden muss. Spritzgussteile können feinere Oberflächen haben, allerdings zu höheren Werkzeugkosten. Beim Kunststoffspritzguss enthalten die Teile Oberflächenfehler wie Angussabdrücke.
Fazit
Spritzgießen ist ideal für die Großserienproduktion und für Projekte mit längeren Entwicklungszyklen. Spritzgießen funktioniert zwar bei Teilen in verschiedenen Größenklassen, bietet dabei aber weniger Gestaltungsfreiheit. 3D-Druck eignet sich besser für kleinere Produktionsläufe, Entwicklungen mit häufigen Änderungen und Projekte mit kürzeren Durchlaufzeiten.
