Ist 3D-Druck billiger als Spritzgießen?

Die Debatte zwischen 3D-Druck und Spritzguss wird in Fertigungskreisen schon seit Jahren geführt. Mit den Fortschritten in der additiven Fertigung stellt sich die Frage - Ist 3d-Druck billiger als Spritzguss?

Dieser Vergleich soll eine aktuelle, datengestützte Analyse der Kostenunterschiede zwischen diesen beiden beliebten Herstellungsverfahren liefern. Als Profi Hersteller von Kunststoff-SpritzgussteilenIch möchte diese Debatte ein für alle Mal durch eine objektive Bewertung klären.

Beginnen wir mit den Grundlagen, bevor wir uns der Aufschlüsselung der Preise zuwenden.

Was sind 3d-Druck und Spritzgießen? Eine kurze Einführung

Zunächst einmal bezieht sich der Begriff 3D-Druck auf ein Verfahren namens additive Fertigung. Dabei werden dreidimensionale Objekte hergestellt, indem das Material von unten nach oben Schicht für Schicht aufgetragen wird.

Zu den gängigen 3D-Druckverfahren, von denen Sie vielleicht schon gehört haben, gehören FDM (Fused Deposition Modeling), SLA (Stereolithografie) und SLS (Selektives Lasersintern). Jede Methode verwendet unterschiedliche Materialien und Techniken, aber das zugrunde liegende Prinzip bleibt dasselbe.

Das Spritzgießen hingegen ist ein Herstellungsverfahren, das es schon seit Jahrzehnten gibt. Dabei wird geschmolzener Kunststoff in einen Formhohlraum gespritzt, der dann abkühlt und in der endgültigen Form erstarrt.

Die Vorlaufkosten ergeben sich hauptsächlich aus CNC-Bearbeitung die erforderliche Stahlform. Aber sobald die Form fertig ist, werden die Kosten pro Teil durch die Großserienproduktion sehr erschwinglich.

Da wir nun mit beiden Verfahren vertraut sind, wollen wir die genauen Preisunterschiede anhand von realen Daten analysieren.

Faktoren, die die Produktionskosten zwischen 3d-Druck und Spritzguss variieren lassen

Wie bei allen Produktionsverfahren hängt die Preisgestaltung von einer Vielzahl von Faktoren ab:

• Volumen aufbauen
• Größe des Teils
• Material
• Arbeit
• Druckzeit
• Erforderliche Werkzeuge

Die Berücksichtigung aller Variablen ermöglicht es uns, einen Vergleich von Äpfeln zu Äpfeln anzustellen.

Wir wissen, dass das Spritzgießen aufgrund der Stahlbearbeitung hohe Vorlaufkosten hat. Beim 3D-Druck fallen keine teuren Werkzeuge an.

Der 3D-Druck benötigt jedoch mehr Zeit für die Herstellung jedes einzelnen Teils, was die Preisgestaltung in großem Maßstab erheblich beeinträchtigt. Lassen Sie uns diese Idee anhand eines Beispiels näher erläutern.

Fallstudie: 3D-gedruckter Drohnenrahmen vs. Stahlform und Kunststoffteile

Um die Preisdynamik deutlich zu machen, werden wir ein reales Projekt analysieren - die Herstellung von Drohnenrahmen.

Ein Designer benötigt Kleinserien von 1 bis 250 Stück. Hier bieten sich zwei Optionen an:

Option A: 3d-Druck mit FDM

FDM-Drucker tragen Kunststofffilamente Schicht für Schicht auf, um Teile herzustellen.

Für unseren 10 Zoll x 4 Zoll x 2 Zoll großen Drohnenrahmen kann ein Desktop-FDM-Drucker jede Einheit für $45 herstellen, wenn man die Kosten berücksichtigt:

• Maschinenzeit
• Arbeit
• Material des Filaments

Bei insgesamt 250 Einheiten, der Endpreis beträgt $45 x 250 = $11,250

Option B: Spritzgussform

Zunächst bearbeiten wir die Stahlform mit CNC-Maschinen bei etwa $5,800. Aber jetzt können wir Kunststoff-Drohnenrahmen für nur $6 pro Stück herstellen.

Geht man von 250 Drohnenrahmen aus, wie in unserem Beispiel aus dem 3D-Druck, betragen die Produktionskosten:

• Formenbau = $5.800
• 250 Einheiten x $6 pro Einheit = $1.500

Der Gesamtbetrag beläuft sich auf $7,300. Selbst wenn man die Kosten für den Werkzeugbau berücksichtigt, ist das Spritzgießen bei dieser Menge deutlich billiger.

Sie sehen, wie sich das Produktionsvolumen und die Methode auf den Endpreis auswirken. Ein weiterer Aspekt, den wir berücksichtigen müssen, ist die Größe und Komplexität der Teile...

Analyse: Schwellenwerte und Dimensionen des Produktionsvolumens

Unsere Fallstudie zeigt deutlich, wie das Produktionsvolumen die Preisgleichung zwischen 3D-Druck und Spritzgießen verändert. Aber ab welchem Volumen macht Spritzguss Sinn?

Kleinteile unter 4 Kubikzoll

Für winzige, hochkomplexe Teile, 3d-Druck bleibt bis zu 1.000 Stück billiger.

Das kompakte Bauvolumen bedeutet, dass weniger Kunststofffilament verwendet wird. Und die Werkzeugkosten für $6.000 machen eine so geringe Menge nicht wett.

Ein Beispiel wäre ein kleines, aber hochpräzises Kunststoffzahnrad.

Mittlere Teile Zwischen 4 Zoll^3 und 12 Zoll^3

Wenn es darum geht mittelgroße Teile wie unser Drohnenrahmen, die Mindestmenge liegt bei 500 Stück.

Hier gleicht sich der Werkzeugbau mit den steigenden Filamentkosten aus. Obwohl der 3D-Druck bis zu einer Stückzahl von 500 wettbewerbsfähig bleibt.

Große Teile über 12 Kubikzoll

Für größere Teile mit geringerer relativer Komplexität, der Kipppunkt kann schon bei 100 Einheiten liegen.

Großflächige 3D-Drucke werden aufgrund des erhöhten Materialbedarfs exponentiell teuer. Doch die $10.000+ Form macht dies bereits ab ~100 großen Teilen wett.

Ein Beispiel wäre das Drucken riesiger LEGO-Steine im Vergleich zum Spritzgießen.

Indem wir sowohl die Volumen als auch die Geometrien zwischen 3D-Druck und Spritzgusskosten pro Teil berücksichtigen, erhalten wir ein ganzheitlicheres Verständnis.

Ist 3d-Druck für Prototypen erschwinglicher? Analyse der NRE-Kosten

Die bisherigen Daten haben sich speziell auf die Herstellungskosten konzentriert. Bei der Entwicklung neuer Produkte dürfen Sie jedoch die NRE-Kosten (Non-Reoccurring Engineering) nicht unterschätzen.

NRE bezieht sich auf die Entwurfs- und Testkosten vor der vollständigen Produktion. Dazu gehört die Erstellung von CAD-Modellen und Prototypen zur Validierung.

Ist der 3D-Druck für die Herstellung von Prototypen billiger als Spritzguss?

Die kurze Antwort lautet: absolut.

Nehmen wir an, Sie drucken 20 verschiedene Design-Iterationen mit einem Desktop-FDM-3D-Drucker, bevor Sie sich für einen endgültigen Drohnenrahmen entscheiden.

Bei je $50 betragen die Gesamtkosten für den Prototyp $1.000.

Der Einsatz von CNC-Bearbeitung für Prototypen von Spritzgießwerkzeugen kostet Sie jedoch rund $2,500 pro Version. Nach der Optimierung von nur 5 Entwürfen mit $12.500 ist der 3D-Druck für Prototyping-Zwecke bereits mehr als 10 Mal günstiger.

Das einfache Hochladen überarbeiteter CAD-Modelle in Kombination mit dem Wegfall teurer Werkzeuge macht die additive Fertigung in der Entwurfsphase deutlich erschwinglicher. Und angesichts der Tatsache, dass Spritzgussformen Hunderttausende von Zyklen überdauern, macht es keinen Sinn, dieses Kapital auszugeben, bevor das perfekte Design fertiggestellt ist.

Die wichtigsten Erkenntnisse - Ist der 3D-Druck insgesamt kostengünstiger?

Durch einen datenorientierten Ansatz bei der Analyse der Preisgestaltung können wir Richtlinien festlegen, wann 3D-Druck und wann Spritzguss sinnvoll sind:

1. 3D-Druck ist fast immer billiger für Design-Prototypen, da keine NRE-Kosten anfallen.
2. Endgültige Produktionsmengen und Teilegrößen sind Schlüsselfaktoren für die Preisgestaltung bei der Herstellung
3. 3D-Druck ist nur bis zu ~1000 Stück für kleine Teile und ~100 Stück für große, sperrige Teile sinnvoll
4. Das Spritzgießen wird bei Produktionsgrößen oberhalb dieser Schwellenwerte exponentiell günstiger

Fazit

Ist 3D-Druck billiger als Spritzgießen?Es kommt darauf an: Für Unternehmen, die sich auf eine größere Produktion vorbereiten, bietet das Spritzgießen langfristig das beste Preis-Leistungs-Verhältnis. Aber ohne Frage beschleunigt die additive Fertigung die Produktentwicklung, was in vielen Fällen über den Erfolg oder Misserfolg einer neuen Produktveröffentlichung entscheiden kann.

Der wirklich optimale Weg in die Zukunft beinhaltet wahrscheinlich beide komplementären Verfahren in verschiedenen Entwicklungsstadien. Mit den weiteren Fortschritten der 3D-Druck- und Formgebungstechnologien erschließen wir ein unglaubliches Potenzial für innovative, weltverändernde Produkte.

Mit der richtigen Anwendung bietet die additive Fertigung eine unübertroffene Erschwinglichkeit beim Prototyping und bei frühen Tests, die für die agilen Hardware-Startups von heute entscheidend sind. Sobald jedoch die Entwürfe fertiggestellt sind und die Stückzahlen steigen, ist das Spritzgießen in Bezug auf Qualität und Preis bei der Massenproduktion einfach nicht mehr zu schlagen.