Was sind die Nachteile des Kunststoffspritzgießens?

Das Kunststoffspritzgießen ist eines der vielseitigsten und kostengünstigsten Herstellungsverfahren, die es heute gibt. Es ermöglicht die Massenproduktion von Spielzeug und Haushaltsgegenständen bis hin zu medizinischen Geräten und Autoteilen.

Trotz seiner weiten Verbreitung in unzähligen Industriezweigen weist das Kunststoffspritzgießen jedoch einige bemerkenswerte Nachteile und Einschränkungen auf, die Ingenieure und Produktdesigner berücksichtigen müssen. Als Profi Hersteller von Kunststoff-SpritzgussteilenIch werde sie in diesem Artikel auflisten.

Was sind die Nachteile des Kunststoffspritzgießens?

Hohe Anfangsinvestitionskosten

Einer der größten Nachteile des Spritzgießens sind die hohen Anfangsinvestitionen, die erforderlich sind. Bevor ein einziges Teil hergestellt werden kann, sind umfangreiche Vorlaufkosten für die Spritzgießwerkzeuge selbst erforderlich.

Die Kosten für Formen für Standardkunststoffprodukte liegen in der Regel zwischen $1.000 und $5.000. Für größere Formen, die nach Exportqualitätsstandards gebaut werden, liegen die Preise jedoch regelmäßig über $50.000 und können sogar mehrere Hunderttausend Dollar erreichen.

Neben den Spritzgießwerkzeugen selbst fallen auch Kosten für die Werkzeugkonstruktion, umfangreiche Tests und Prototyping, Produktionsplanung, Vorrichtungen und Qualitätssicherungsmaßnahmen an.

Unter Berücksichtigung all dieser Vorlaufkosten wird das Spritzgießen erst bei Produktionsmengen von mehr als 100 bis 150 Stück wirtschaftlich rentabel. Für sehr kleine Produktionsserien, die in Dutzenden oder Hunderten von Einheiten gemessen werden, sind additive Fertigungstechnologien wie 3D-Druck oder CNC-Bearbeitung sind im Allgemeinen kostengünstiger.

Lange Vorlaufzeiten

Neben den hohen Anfangsinvestitionskosten sind lange Vorlaufzeiten ein weiterer Nachteil des Spritzgießens von Kunststoffteilen. Vom Anfang bis zum Ende muss man mit einem Zeitraum von mindestens 10 bis 12 Wochen rechnen.

Hier ist eine grobe Aufschlüsselung des Zeitplans für das Spritzgießen:

• 2-4 Wochen: Design und Technik
• 4-6 Wochen: Formenbau
• 2-4 Wochen: Muster, Tests, Änderungen
• 2+ Wochen: Produktion, Montage, Versand

Wie dieser Zeitplan verdeutlicht, beginnt die Produktion beim Spritzgießen nicht über Nacht. Je nach Komplexität der Teile betragen die Vorlaufzeiten für den Werkzeugbau in der Regel mehr als einen Monat.

Für Ingenieure und Projektmanager, die unter Zeitdruck stehen, erfordern diese langen Vorlaufzeiten eine sorgfältige Planung und Koordinierung, wenn die Einführungsdaten eingehalten werden sollen. Alternativ können Zwischenlösungen wie der 3D-Druck produktionsreifer Prototypen helfen, Entwürfe zu überprüfen, während die Spritzgussformen noch angepasst werden.

Herausforderungen bei der Qualitätskontrolle

Trotz ihrer Präzision und Beständigkeit ist die Spritzgießproduktion bei unsachgemäßer Ausführung anfällig für Qualitätsprobleme. Defekte wie kurze Schüsse, Grate, Verzug und Formlinien können komplexe Bauteile ohne Abhilfemaßnahmen schnell unbrauchbar machen.

Die meisten Fehler entstehen durch eine suboptimale Werkzeugkonstruktion oder unzureichende Prozesskontrollen bei Schlüsselparametern wie Temperatur, Druck, Schließkraft und Einspritzgeschwindigkeit. Je mehr Variablen und Toleranzen sich häufen, desto schwieriger wird es, die Konsistenz aufrechtzuerhalten.

So können beispielsweise winzige Änderungen des Feuchtigkeitsgehalts des Kunststoffs und der Formtemperatur die Viskosität und die Fließgeschwindigkeit erheblich verändern, was zu geringfügigen - aber inakzeptablen - Abweichungen zwischen den einzelnen Schüssen führt.

Die Einführung solider Qualitätskontrollmaßnahmen ist daher von entscheidender Bedeutung, insbesondere bei der Zusammenarbeit mit einem neuen Spritzgießpartner. Umfassende Inspektionschecklisten und mehrstufige Genehmigungsverfahren tragen zur Risikominimierung bei.

Grenzen des Designs

Um die Vorteile des Spritzgießens in der Massenproduktion nutzen zu können, müssen bei der Konstruktion von Kunststoffteilen die Grenzen des Verfahrens berücksichtigt werden. Für Ingenieure, die eher an maschinell gefertigte Metallteile gewöhnt sind, kann die Anpassung an die Feinheiten des Kunststoffspritzgusses jedoch weniger intuitiv sein.

Idealerweise sollten die Wandstärken gleichmäßig sein, um eine gleichmäßige Verfestigung zu gewährleisten, wenn der geschmolzene Kunststoff in der Form Wärme verliert. Schwankungen in der Dicke können Spannungen erzeugen, die sich als Risse oder Verwerfungen bemerkbar machen.

Auch Hinterschneidungen und andere Geometrien, die eine saubere Entformung verhindern, müssen vermieden werden. Ebenso erleichtert der Einbau von Entformungswinkeln den Teileauswurf nach dem Aushärten des Spritzgusses im Zwei-Platten-Werkzeug.

Heber und Schieber können zwar einige konstruktive Einschränkungen im Zusammenhang mit Hinterschneidungen abmildern, aber sie verursachen auch zusätzliche Kosten und erhöhen die Zuverlässigkeit. Die Notwendigkeit von Seiteneingriffen begrenzt auch die Geschwindigkeit, mit der aufeinanderfolgende Spritzgießzyklen durchgeführt werden können.

Materielle Leistungseinschränkungen

Die heutigen modifizierten Harze und Polymerlegierungen ermöglichen es dem Kunststoffspritzguss, bei bestimmten Anwendungen, die Flexibilität, Korrosionsbeständigkeit, elektrische Isolierung oder Präzision erfordern, mit Metallen zu konkurrieren oder sie sogar zu übertreffen.

Spritzgegossene Kunststoffe bleiben jedoch in Schlüsselbereichen wie Zugfestigkeit, Bruchfestigkeit, Steifigkeit und Verschleißfestigkeit hinter Aluminium- und Stahlteilen zurück. Diese Materialbeschränkungen schränken ihre Verwendung in bestimmten strukturellen, tragenden und sehr langlebigen Anwendungen ein.

Im Durchschnitt liegt die maximale Hitzebeständigkeit für herkömmliche Spritzgusskunststoffe bei 180-220 °C, obwohl Spezialharze wie PEEK und PPS über 300 °C aushalten können. Dennoch sind Metalle bei Hochtemperaturanwendungen den Kunststoffen weit überlegen.

Während Metallkomponenten problemlos autoklaviert, dampfsterilisiert oder anderen aggressiven Sterilisationsverfahren ausgesetzt werden können, besteht die Gefahr, dass sich Kunststoffteile verziehen oder anderweitig beschädigt werden. Daher müssen Ingenieure für medizinische Geräte die Biokompatibilität jedes Kunststoffs sorgfältig prüfen.

Recycling-Schwierigkeiten

Da Nachhaltigkeit weltweit zu einer dringenden Priorität wird, sollten die Hersteller im Idealfall in der Lage sein, Kunststoffe nach ihrer Nutzungsdauer zurückzugewinnen, zu sortieren und wiederzuverwenden. Das Recycling von Kunststoffen stößt jedoch trotz intensiver Forschungs- und Entwicklungsbemühungen auf erhebliche technische und wirtschaftliche Hindernisse.

Im Großen und Ganzen erschweren heute vier Faktoren das Kunststoffrecycling, insbesondere bei Mischkunststoffen:

1. Trennen und Sortieren
2. Dekontamination
3. Identifizierung
4. Wiederaufbereitung

In einem ersten Schritt ist die Trennung und Sortierung von Kunststoffen nach Harzarten für das Recycling unerlässlich, aber enorm arbeitsintensiv, da sie derzeit manuell durchgeführt werden muss.

Ebenso verhindern Farben, Metalleinlagen, Etiketten und Klebstoffe ein einfaches Recycling und erfordern eine umfassende Dekontamination, um das Grundmaterial aus dem Kunststoff zu gewinnen.

In anderen Fällen machen undurchsichtige Harzcodes eine eindeutige Materialidentifizierung unmöglich. Selbst wenn die Chemie des Harzes bestimmt werden kann, können Unterschiede in der Länge der Polymerketten, Copolymermischungen und das Alter des Materials die Eigenschaften beeinflussen und die Verarbeitung erschweren.

Wirtschaftlich gesehen ist der hohe Arbeitsaufwand für die Sortierung von Kunststoffabfällen nicht zu rechtfertigen, es sei denn, es handelt sich um hochreine, großvolumige Harzströme. Investitionen in die Infrastruktur des chemischen Recyclings könnten jedoch eines Tages die Rentabilität durch eine stärkere Automatisierung der Prozesse verbessern.

Schlussfolgerung

Zweifelsohne wird das Kunststoffspritzgießen dank seiner Kosteneffizienz, Vielseitigkeit und Präzision auch in Zukunft die globale Fertigung dominieren. Ingenieure, die das Verfahren bewerten, müssen jedoch die Erwartungen dämpfen, indem sie auch seine Grenzen und Herausforderungen berücksichtigen.

Insbesondere die hohen Anschaffungs- und Werkzeugkosten erfordern große Produktionsmengen von mehr als 100.000 Stück, um eine überzeugende Investitionsrendite zu gewährleisten. Bei geringeren Stückzahlen sind additive Fertigungsverfahren wie der 3D-Druck wirtschaftlich sinnvoller.

Während Kunststoffe über eine beeindruckende Flexibilität, chemische Beständigkeit und elektrische Isolationseigenschaften verfügen, die sich für komplizierte Bauteile eignen, ist ihre mechanische Leistung bei kritischen lasttragenden Anwendungen in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie geringer als bei maschinell bearbeiteten Aluminium- oder Stahlteilen.

Trotz der vorbildlichen Ressourceneffizienz in der Produktion bleibt das weit verbreitete Kunststoffrecycling ein schwer erreichbares Ziel, das durch wirtschaftliche und technische Hindernisse behindert wird.

Insgesamt erleichtert eine realistische Einschätzung dieser Nachteile des Kunststoffspritzgießens die Technologieauswahl und gibt Aufschluss über Kompromisse bei der Planung einer neuen Produkteinführung.