Vergleich zwischen Spritzgießen und 3D-Druck: Zu berücksichtigende Faktoren für die Produktion kleiner und großer Mengen

Während das Spritzgießen bereits ein beliebtes Herstellungsverfahren für medizinische Geräte ist, wird der 3D-Druck immer beliebter.
Obwohl beide Verfahren Vor- und Nachteile haben, müssen Unternehmen mehrere Faktoren sorgfältig abwägen, um zu entscheiden, welche Methode ihren Bedürfnissen am besten entspricht.
In diesem Artikel werden kritische Faktoren erörtert, die den Vergleich zwischen Spritzguss und 3D-Druck sowie zwischen Metall- und 3D-gedruckten Gussformen ermöglichen.

Klein- vs. Großserienproduktion von Kunststoffteilen

Das Produktionsvolumen ist eine der wichtigsten Überlegungen bei der Entscheidung zwischen Spritzguss und 3D-Druck.
Das Spritzgießen ist in der Regel kostengünstiger für große Produktionsserien, während der 3D-Druck eher für die Produktion kleinerer Mengen geeignet ist.
Der 3D-Druck hat geringere Anschaffungskosten, ist aber in der Regel langsamer und teurer pro Teil.

Produktion kleiner Mengen

Die Kleinserienproduktion wird in der Regel für Prototypen, Spezialprodukte oder Nischenprodukte mit begrenzter Marktnachfrage verwendet.
Die Kleinserienproduktion kann mit traditionellen Herstellungsverfahren wie Spritzguss, Guss und CNC-Bearbeitung oder mit neueren Methoden wie dem 3D-Druck erfolgen.

Zu den Vorteilen der Kleinserienproduktion gehören Flexibilität, Anpassungsfähigkeit und Kosteneffizienz.
Bei der Kleinserienproduktion können die Hersteller ihre Produktionslinie schnell anpassen, um Änderungen der Nachfrage oder der Designspezifikationen Rechnung zu tragen.
Darüber hinaus kann die Kleinserienproduktion aufgrund der geringeren Kosten für Formen oder die Einrichtung kostengünstiger sein als die Großserienproduktion.

Der Nachteil der Kleinserienproduktion sind jedoch die höheren Stückkosten der Produktion.
Da die Produktionsläufe kleiner sind, ist der Preis pro Einheit höher.
Die Kleinserienproduktion hat außerdem längere Vorlaufzeiten und eignet sich möglicherweise nicht für Produkte, die eine schnelle Fertigung oder Größenvorteile erfordern.

Produktion großer Mengen

Die Großserienproduktion wird für die Herstellung großer Mengen von Produkten verwendet.
Der Herstellungsprozess ist automatisiert und auf Effizienz optimiert, was eine schnelle und kostengünstige Produktion ermöglicht.

In der Großserienproduktion werden häufig Fließband-, Spritzguss- und Stanztechniken eingesetzt.
Diese Methoden ermöglichen eine Hochgeschwindigkeitsproduktion und können an die Herstellung verschiedener Produkttypen angepasst werden.

Zu den Vorteilen der Großserienproduktion gehören niedrigere Stückkosten, kürzere Vorlaufzeiten und gleichbleibende Qualität.
Da die Produktionsläufe größer sind, ist der Preis pro Einheit niedriger, was die Großserienproduktion ideal für Produkte mit hoher Nachfrage macht.
Durch die kürzeren Vorlaufzeiten ist die Großserienproduktion ideal für Produkte, die schnell produziert werden müssen.

Der Nachteil der Großserienproduktion ist jedoch der Bedarf an mehr Flexibilität und Individualisierung.
Der Herstellungsprozess ist auf Effizienz optimiert, so dass es schwierig ist, die Produktionslinie an Änderungen der Nachfrage oder der Designspezifikationen anzupassen.
Die Großserienproduktion erfordert außerdem erhebliche Vorabinvestitionen in Maschinen und Werkzeuge, was sie für Spezial- oder Nischenprodukte weniger geeignet macht.

Mikrogießen versus 3D-Druck

Das Mikrospritzgießen ist in den letzten Jahren immer beliebter geworden. Es ermöglicht die Herstellung kleinerer Teile zu geringeren Kosten als herkömmliche Spritzgießverfahren.
Dies hat das Spritzgießen zu einer praktikableren Option für kleinere Produktionsserien gemacht und die Lücke zwischen Spritzgießen und 3D-Druck für die Kleinserienproduktion von Kleinteilen verkleinert.
Ein weiterer Vorteil des Mikrospritzgusses ist die Möglichkeit, die Produktion bei unverändertem Design auf große Mengen zu skalieren.

Auf dem Bild unten sehen Sie in der oberen Reihe zwei Tisch-Mikromodelle (halbautomatisch und manuell), unten links einen FormLabs 3D-Drucker (SLA) und unten rechts eine Spritzgussmaschine.

Einer der Gründe für die zunehmende Beliebtheit des Mikrospritzgusses ist die Auswahl der Formenmaterialien.
Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Formmaterialien.

1. 3D-gedruckte Kunststoff-Formen.
2. Metall-Formen.

Kunststoff-Formen

Kunststoffformen werden in der Regel für die Produktion sehr kleiner Mengen verwendet.
Die genaue Anzahl der Produkte, die aus der Form hergestellt werden, hängt von verschiedenen Aspekten ab (Material, Temperatur, Form, erforderliche Genauigkeit), aber man sollte mit einigen 100 Stück rechnen, bevor die Form abgenutzt ist.
Die Gießgeschwindigkeit und die Genauigkeit sind im Allgemeinen geringer als bei Metallformen.
3D-gedruckte Formen werden jedoch immer präziser und können Formen mit Toleranzen herstellen, die für viele Spritzgussanwendungen geeignet sind.
Die Genauigkeit von 3D-gedruckten Formen kann durch den Einsatz höherwertiger 3D-Drucktechnologien wie Stereolithographie (SLA) oder Digital Light Processing (DLP) verbessert werden, die Formen mit glatteren Oberflächen und feineren Details herstellen können.

Die Vorlaufzeit für den Entwurf und die Herstellung von 3D-gedruckten Formen ist viel kürzer als bei Metallformen.
Daher können 3D-gedruckte Formen beim Prototyping und bei der Herstellung von Erstmustern in Betracht gezogen werden. Formlabs hat ein schönes Whitepaper zu diesem Thema auf seiner Website.

Metall-Formen

Metallformen werden immer für die Großserienproduktion mit einer oder mehreren Kavitäten pro Form verwendet.
Stahl ist teurer, ebenso wie die Herstellung der Formen.
Die Genauigkeit von Metallformen ist höher als die von 3D-gedruckten Formen.
Die Komplexität der Teilegeometrie, die gewünschten Toleranzen und die Stückzahl spielen eine Rolle bei der Entscheidung, welche Art von Formmaterial am besten geeignet ist.
Metallformen sind bekannt für ihre lange Lebensdauer (Hunderttausende oder Millionen von Zyklen) und Haltbarkeit.
Aluminiumformen sind weniger kostspielig und können für mittlere Stückzahlen von Zehntausenden bis zu einigen Hunderttausend Teilen verwendet werden.
Die Lebensdauer einer Gussform hängt vom Material der Gussform, dem zu verarbeitenden Polymermaterial, den Betriebsbedingungen und dem Wartungsplan ab.
Metallformen bestehen aus hochfesten Materialien wie Stahl oder Aluminium, die den für das Spritzgießen erforderlichen hohen Temperaturen und Drücken standhalten können.

Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass das Mikrogießen höhere Anlaufkosten als der 3D-Druck hat, aber eine umfangreichere Materialauswahl und eine höhere Geschwindigkeit ermöglicht.
Dennoch können die Anlaufkosten im Vergleich zum regulären Spritzgießen niedriger sein.
Allerdings sind dem Mikrospritzguss aufgrund kleinerer (Tisch-)Spritzgießmaschinen mit begrenztem Druck Grenzen in der Dimension gesetzt.

Der 3D-Druck bietet mehr Flexibilität und ist die erste Wahl für größere Teile.
Gemeinsam sind sie komplementär.

Upscaling

Das Upscaling kann bei medizinischen Geräten schwierig sein.
Beim Wechsel vom 3D-Druck zum Spritzguss ist es eine Herausforderung, zu beweisen, dass das Produkt unter klinischen Bedingungen genau die gleiche Leistung erbringt.
Möglicherweise ist eine klinische Bewertung erforderlich.
Das ist sehr teuer.

Ein Upscaling vom Mikrospritzguss zum Spritzguss könnte dieses Problem verringern.
Eine Validierung ist immer erforderlich, aber da die Technologie vor und nach der Skalierung dieselbe ist, ist es einfacher zu beweisen, dass die Produktfunktionalität und -sicherheit gleichwertig oder besser sind.

Insgesamt haben sowohl das Spritzgießen (oder das Mikrogießen für die Kleinserienproduktion von Kleinteilen) als auch der 3D-Druck Vor- und Nachteile.
Für die Großserienproduktion wird das Spritzgießen bevorzugt, aber für die Kleinserienproduktion hängt die Wahl zwischen Mikroguss und 3D-Druck vom Design und den spezifischen Bedürfnissen und Anforderungen ab.