Die richtige Wahl treffen 3D-Druck und Spritzguss bei der Kunststoffverarbeitung im Vergleich

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Die additive Fertigung mit Kunststoff schafft erstaunliche Bauteile in Kleinserie. Das Spritzgießen ist prädestiniert für die Massenfertigung. Was gilt es also bei der Wahl zu beachten?

Kunststoffteile sind in vielen Bereichen des täglichen Lebens unverzichtbar. Für medizintechnische Komponenten sind bestimmte Kunststoffe wegen ihrer Eigenschaften wie Biokompatibilität, chemische Beständigkeit, Sterilisierbarkeit und Festigkeit besonders gut geeignet. Zur Herstellung dieser Komponenten hat sich der Spritzguss bewährt. Mittlerweile gibt es jedoch auch 3D-Druck-Verfahren, die sich für die Fertigung von Kunststoffteilen eignen. Der Spritzgussspezialist Rodinger Kunststoff-Technik (RKT) etwa hat Erfahrung mit beiden Verfahren. Ein Vergleich der Besonderheiten dieser Kunststoffverarbeitungs-Prozesse soll hier zeigen, welche Kriterien für die Anwendung des einen oder des anderen Verfahrens sprechen. Letztlich zählt immer der Anwendernutzen. Prinzipiell ist jedoch zu beachten, dass in vielen Branchen ein Spritzgussteil nicht ohne vorherige Validierung durch ein 3D-Druck-Teil ersetzt werden darf. RKT hat über 50 Jahre Erfahrung als Hersteller von Spritzgussteilen für Hightech-Branchen wie Medizintechnik, Diagnostik und Life Science. RKT besitzt einen eigenen Werkzeug- und Formenbau und nutzt den 3D-Druck für interne Aufgaben, wie die Herstellung von Betriebsmitteln und Prototypen sowie für Entwicklungsprojekte und für Vorführzwecke mit Blick auf Kunden und Zulieferer.

Die Unterschiede in Sachen Bauteilentstehung

Das Spritzgussverfahren ist ein hochpräziser Fertigungsprozess, bei dem meist thermoplastische – also immer wieder schmelzbare – Kunststoffe als Granulat unter Wärmeeinwirkung und Reibung an der sogenannten Plastifizierschnecke in der Spritzgießmaschine aufgeschmolzen werden. Die Schmelze wird anschließend unter hohem Druck in eine Form (Spritzgusswerkzeug) injiziert. Die sogenannte Kavität im stählernen Spritzgusswerkzeug definiert die exakte Geometrie des gewünschten Endprodukts. In dieser kühlt der Kunststoff nach dem Einspritzgvorgang gezielt ab und verfestigt sich als Bauteil. Ist die Abkühlphase beendet, öffnet sich das Werkzeug und das fertige Bauteil wird entnommen oder ausgestoßen. Dieses Verfahren ermöglicht die Serienproduktion von komplexen Kunststoffteilen mit hoher Wiederholgenauigkeit und Effizienz. Im 3D-Druck, der oft auch als additive Fertigung bezeichnet wird, werden Werkstücke aber nicht auf einmal hergestellt, sondern schichtweise aufgebaut. Dazu greift man zum Laser oder zum sogenannten Extruder (eine Art „Fleischwolf“ für Kunststoffe). Je nach Verfahren werden die Kunststoffe als Pulver, Flüssigkeiten (Harze) oder Filamente (Thermoplaste) verarbeitet.

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Spritzgießen ist nicht immer möglich, aber schnell

Der Spritzguss eignet sich, wie oben schon angedeutet, ideal für die Massenproduktion von Kunststoffteilen. Spritzgussverfahren zeichnen sich durch eine sehr hohe Wiederholgenauigkeit hinsichtlich Spritzparameter und Abmaße der Teile aus. Für jede Art von Kunststoffteil muss es aber auch ein eigenes Spritzgusswerkzeug geben. Ändert sich am Teil etwas, muss das auch im Werkzeug abgebildet werden. Das kann teuer werden. Der Prozessablauf und die Prozessparameter wie auch die Produktqualität bleiben aber immer gleich und können leicht überwacht werden. Spritzgussverfahren stehen für kurze Fertigungszeiten – sogenannte Zyklen. Anders als beim Spritzguss sind für den 3D-Druck allerdings keine teuren Werkzeuge und Spritzgießmaschinen nötig. Es lassen sich Teile mit sehr komplexen Geometrien, Strukturen, Hinterschnitten und Hohlräumen fertigen, die durch Spritzgießen nur schwer oder meist überhaupt nicht herstellbar sind. Für den Aufbau eines Teils wird aber im Vergleich zum Spritzgießen viel Zeit benötigt. Je nach Verfahren kann diese Zeit allerdings durch den Einsatz mehrerer parallel arbeitender Laserköpfe oder Extruder entsprechend verkürzt werden.

Auf diese Aspekte kommt es bei der Auswahl an:

Kriterien für die Wahl des Fertigungsverfahrens sind die Geometrie, Oberflächenstruktur, mechanische Festigkeit und Größe der herzustellenden Teile. Komplex geformte Teile mit inneren Hohlräumen lassen sich, wie erwähnt, durch Spritzguss nur schwer oder überhaupt nicht herstellen. Kämen für eine Fertigungsaufgabe beide Verfahren in Betracht, müssen weitere Kriterien miteinander verglichen werden. Hierzu gehören die Menge der herzustellenden Teile, die einzuhaltenden Toleranzen, die Fertigungszeit für ein Teil und damit verbunden der Maschinenstundensatz, die Materialkosten und im Falle von Spritzguss die Kosten zur Herstellung der Spritzgießform. Eine weitere Frage ist, ob die Teile einbaufertig sind oder noch einer Nachbearbeitung unterzogen werden müssen. Aus diesen Kriterien lassen sich die zu erwartenden Stückkosten berechnen. Bei einer bestimmten Losgröße wird ein sogenannter „Break-even-Point“ erreicht, an dem die Wirtschaftlichkeit beider Verfahren gleich groß ist. In der Regel wird bei einer höheren Stückzahl der Spritzguss, bei einer niedrigeren Stückzahl der 3D-Druck wirtschaftlicher sein.

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