Wird der 3D-Druck das Spritzgießen ersetzen?

Ob der 3D-Druck das Spritzgießen ersetzen wird, ist in letzter Zeit heiß diskutiert worden. Mit den Fortschritten in der 3D-Drucktechnologie argumentieren einige, dass es nur eine Frage der Zeit ist, bis die additive Fertigung den herkömmlichen Kunststoffspritzguss ersetzt.

In diesem Beitrag analysiere ich die Möglichkeiten beider Verfahren, um festzustellen, ob der 3D-Druck das Spritzgießen wirklich endgültig ersetzen kann.

3D-Druck und Spritzgießen

Als regelmäßiger Hersteller von Kunststoff-SpritzgussteilenIch habe keine umfassenden technischen Kenntnisse über 3D-Druckverfahren.

Also wandte ich mich an John Smith, den Gründer von ACME 3D-Druckfür seine Meinung.

Er sagte es mir: "Der 3D-Druck hat in den letzten Jahren einen langen Weg zurückgelegt. Aber das Spritzgießen hat immer noch einige entscheidende Vorteile in Bezug auf Kosten, Qualität und Produktionskapazität."

Während der 3D-Druck für Rapid Prototyping und kundenspezifische Teile hervorragend geeignet ist, ist der Spritzguss die beste Lösung, wenn Sie mehr als 100.000 identische Kunststoffteile benötigen.

Es gibt jedoch Anzeichen dafür, dass der 3-D-Druck bald aufholen könnte:

1. Skalierbarkeit - Führende 3D-Druckunternehmen wie Carbon entwickeln Systeme im Produktionsmaßstab, die mit dem Spritzguss konkurrieren können.
2. Kosten - Die Kosten pro Teil beim 3D-Druck sinken. Und wenn man die Gemeinkosten von Spritzgießsystemen mit einbezieht, rückt der Übergangspunkt immer näher.
3. Materialien - Neue fortschrittliche 3D-Druckmaterialien bieten mechanische Eigenschaften, die denen von Spritzgusskunststoffen gleichkommen.
4. Entwurfskomplexität - Der 3D-Druck ermöglicht die Herstellung komplizierter Geometrien, die im Spritzgussverfahren nicht möglich sind.

Auch wenn das Spritzgießen im Moment noch die Nase vorn hat, könnten die Fortschritte in der 3D-Drucktechnologie es in Zukunft ersetzen.

Vergleich zwischen Spritzgießen und 3D-Druck

Um ein ausgewogenes Bild zu erhalten, sollten wir einige der wichtigsten Eigenschaften von Spritzguss und 3D-Druck vergleichen:

Skalierbarkeit

Das Spritzgießen ist die Königsdisziplin, wenn es um Größenordnungen geht. Der gesamte Prozess ist für die Massenproduktion optimiert - Sie können problemlos Hunderttausende identischer Bauteile herstellen.

Der 3D-Druck ist traditionell eine Domäne der Prototypen und Kleinserien. Aber das ändert sich gerade...

Nehmen wir die Multi Jet Fusion-Systeme von HP. Mit einem Arbeitsraum von 380 x 284 x 380 mm können sie bis zu 80.000 cm3 pro Stunde produzieren - nicht weit entfernt von manchen Spritzgussanlagen.

Und das riesige Bauvolumen von Carbon (190x315x330 mm) kann mit dem ultraschnellen DLS-Verfahren mehr als 500.000 Teile pro Jahr herstellen.

Auch wenn das Spritzgießen derzeit die Nase vorn hat, holen einige 3-D-Drucksysteme auf.

Zykluszeit

Die Zykluszeit misst, wie lange es dauert, jedes Teil herzustellen. Und das Verhältnis beim Spritzgießen ist kaum zu schlagen.

Bei einfachen Teilen kann das Spritzgießen bei einigen High-End-Systemen 20 und mehr Teile pro Minute ausspucken.

Sehen wir uns dagegen Origin One von Origin an:

• 165 Teile pro Tag
• 24-Stunden-Betrieb = 165 Teile
• 60 Min. pro Stunde = 1 Teil pro 22 Minuten

Für einfache Bauteile liegt der Zykluszeitvorteil also beim Spritzgießen. Allerdings spielt auch hier die Komplexität der Teile eine Rolle...

Entwurfskomplexität

Wenn es um komplexe Geometrien geht, hat der 3D-Druck einen klaren Vorteil.

Durch den schichtweisen Aufbau des 3D-Drucks lassen sich nahezu beliebige Formen erzeugen.

Für das Spritzgießen werden Formen benötigt - daher müssen die Teile so konstruiert sein, dass sich die fertigen Teile leicht entnehmen lassen.

Hinterschneidungen, negative Merkmale und superfeine Details funktionieren einfach nicht. Wenn doch, müssen Sie viel Geld für mehrteilige Formen und Reinigungsprozesse nach dem Gießen ausgeben.

Durch die Aufhebung dieser Beschränkungen können mit dem 3D-Druck Gegenstände hergestellt werden, die auf andere Weise nicht zu realisieren sind.

Für hochmoderne Teile mit komplexen dezentralen Gittern und komplizierten Hohlformen ist der 3D-Druck also die beste Lösung.

Teil Kosten

Und nun der wohl wichtigste Faktor: Wie viel kostet die Herstellung der einzelnen Teile?

Aufgrund der hohen Werkzeugkosten wird das Spritzgießen erst bei höheren Stückzahlen wirtschaftlich - in der Regel ab 10.000 Stück. Für Kleinserien sind die Kosten unerschwinglich hoch.

Der 3D-Druck hat jedoch eine viel niedrigere Rentabilitätsschwelle. In der Tat kann er bei Chargen von 50-5.000 Teilen mehr Kosteneffizienz bieten.

Nehmen wir an, Sie benötigen 500 kleine Widgets pro Jahr.

• Spritzgießen - Die Bearbeitung der Form würde über $10-20k kosten. Dann müssen Sie eine Spritzgießmaschine (Zehntausende von Dollar) kaufen und Kunststoffgranulat beschaffen.
• 3D-Druck - Keine Werkzeugkosten. Entwerfen Sie einfach das Teil und senden Sie es an ein 3D-Druckunternehmen wie Protolabs.

Auch wenn die Kosten für den 3D-Druck pro Stück höher sind, wird der Gesamtaufwand für diese mittelgroßen Chargen wahrscheinlich zugunsten des 3D-Drucks ausfallen.

Und mit fortschrittlichen additiven Verfahren wie CLIP, die die Rohstoffkosten senken, wird der Übergangspunkt, an dem der 3D-Druck gewinnt, noch kleiner.

Oberfläche

Beim Spritzgießen können auch ohne Polieren der Formen extrem glatte Oberflächen bis zu 0,5 Ra und darunter erzielt werden.

Das Schmelzschichtverfahren des 3D-Drucks führt zwangsläufig zu sichtbaren Stufenlinien auf schrägen Oberflächen. Die kleinste handelsübliche Schichthöhe von etwa 0,025 mm hinterlässt eine körnige Textur.

Daher können Teile, die auf eine besonders feine Oberfläche angewiesen sind - wie Linsen oder reflektierende Optiken - derzeit nicht im 3D-Druck hergestellt werden.

Allerdings können Techniken wie das chemische Glätten nach dem Bauprozess die Sichtbarkeit von Schichten erheblich reduzieren.

Genauigkeit & Toleranzen

Auch hier ist das Spritzgießen gegenüber den meisten 3D-Druckverfahren im Vorteil, wenn Toleranzen von unter 50 Mikrometern erforderlich sind.

Bearbeitete Metallformen können Teile mit einer Genauigkeit von ±0,005 mm (±0,0002″) zuverlässig herstellen. Und die Wiederholbarkeit von einem Bauteil zum nächsten übertrifft die additive Fertigung.

Einige 3D-Druckverfahren können jedoch auch feine Details erzeugen. So bietet CLIP eine Genauigkeit von ~10 μm, und auch das Binder-Jetting (~15 μm) ist beeindruckend.

Während also das Spritzgießen den 3D-Druck bei ultrahochpräzisen Anforderungen weit übertrifft, können bestimmte additive Verfahren mit einer einfacheren Spritzgießgenauigkeit mithalten.

Wahl des Materials

Mit über 30.000 verfügbaren Sorten bietet das Spritzgießen die größte Materialauswahl. Die Standardharze umfassen PP, PE, POM, PC und mehr, oft modifiziert mit kundenspezifischen Additiven.

Die Zahl der 3D-Druck-Polymere liegt derzeit bei etwa 100. Aber es kommen regelmäßig neue Formulierungen auf den Markt - Hochtemperatur-PEEK und PEKK zeigen das Potenzial der additiven Fertigung.

Die Palette reicht von flexiblem TPU-Filament für FDM bis hin zu Somos-Harz für die Sterolithografie und CLIP-optimierten Flüssigpolymeren. Die Materialauswahl wird jedes Jahr erweitert.

Verbundwerkstoffe wie Endloskohlenstofffasern, die mit PEKK und PEEK gemischt werden, erhöhen die mechanische Leistung.

Im Großen und Ganzen bietet das Spritzgießen also die größte Materialauswahl. Aber mit fortschrittlichen additiven Polymeren und Verbundwerkstoffen, die die Lücke schließen, könnte der 3D-Druck schon bald aufholen.

Wird der 3D-Druck das Spritzgießen vollständig verdrängen?

Ich glaube nicht, dass der 3D-Druck in naher Zukunft das Spritzgießen vollständig verdrängen wird. Hier ist der Grund dafür:

Milliarden von Teilen

Bei Anwendungen mit sehr hohen Stückzahlen (z. B. Milliarden von Teilen pro Jahr) ist die additive Fertigung noch nicht konkurrenzfähig.

Führende Systeme von Carbon und HP drucken bestenfalls Hunderttausende von Bauteilen pro Jahr.

Die Fabriken in China produzieren jedoch mehrere Millionen täglich Zehntausende von Teilen auf Zehntausenden von Spritzgießmaschinen.

Trotz aller Fortschritte bleibt das Spritzgießen in großem Maßstab für Massenteile unübertroffen.

Nischenanwendungen

Bestimmte Anwendungen sind auf Eigenschaften angewiesen, die derzeit nur im Spritzgussverfahren möglich sind.

Aus Johns Sicht ist es zum Beispiel schwierig, medizinische Komponenten, die aus speziellen Harzen bestehen, durch 3D-Druck zu reproduzieren.

Und optische Linsen, die Abbe-Werte erreichen, die nur mit spritzgegossenen Acrylaten und Polycarbonaten möglich sind, können noch nicht in die additive Fertigung übergehen.

Das spezialisierte Spritzgießen bedient also zweifellos immer noch kritische Nischen, die durch die Entwicklung des 3D-Drucks noch nicht abgedeckt werden können.

Allgegenwärtige Lieferkette

Das Spritzgießen verfügt über ein umfangreiches, fest verankertes Ökosystem. Von der Pressenkapazität bis hin zu vertrauenswürdigen Materiallieferketten und Sekundärverarbeitung.

Die additive Fertigung kann noch nicht die Größenordnung der Infrastruktur erreichen. Versorgungsengpässe bei Druckern, Harzen, Endbearbeitung und Teileinspektion schränken das Expansionstempo ein.

Das soll nicht heißen, dass sich das Ökosystem der Lieferkette nicht schnell weiterentwickelt. Aber es liegt immer noch Jahrzehnte hinter den Spritzgießnetzwerken zurück, die in fast 100 Jahren aufgebaut wurden.

Solange die Vertriebskanäle für polymere Werkstoffe und der Produktionsdurchsatz der Systeme nicht exponentiell steigen, wird das Spritzgießen die Lieferkette dominieren.

Das Urteil: Koexistenz statt Verdrängung

Nach dem Vergleich von Schlüsselkennzahlen zu Umfang, Kosten, Geschwindigkeit, Qualität und Fähigkeiten ist die Schlussfolgerung klar.

Im Jahr 2024 und in der unmittelbaren Zukunft ist der 3D-Druck absolut nicht das Spritzgießen vollständig ersetzen.

Die beiden Produktionsplattformen ergänzen sich gegenseitig.

John fasst es am besten zusammen:

"Der 3D-Druck ermöglicht neue Designs, die im Spritzgussverfahren nicht möglich sind. Und die additiven Verfahren bieten mehr Flexibilität bei den Produktionsmengen.

"Aber wenn es um die Massenproduktion von Milliarden hochwertiger Teile geht, bei der etablierte Materialien und Lieferketten zum Einsatz kommen, ist das Spritzgießen nach wie vor das Maß aller Dinge."

Anstatt also die additiven Technologien als Verdrängung der traditionellen Techniken zu betrachten, ist es besser, die jeweiligen Stärken zu erkennen.

Unter diesem Gesichtspunkt sind sowohl der 3-D-Druck und Die Spritzgießfertigung wird die Industrie auch in Zukunft weiter voranbringen.

Stellen Sie sich nur vor, welche Innovationen möglich sind, wenn jede Technologie dort eingesetzt wird, wo sie am besten funktioniert!

Die Zukunft der Fertigung

Ich bin fest davon überzeugt, dass die additive Fertigung und Spritzgießen haben beide eine gute Zukunft vor sich.

Wie John vorschlug, ist die hybride Modellierung, die beide Techniken kombiniert, der Punkt, an dem die Dinge wirklich interessant werden.

Erwarten Sie verblüffende neue Anwendungen von:

• 3D-gedruckte Spritzgussformen - ermöglichen komplexe konforme Kühlkanäle, die mit CNC-Bearbeitung nicht möglich sind
• Spritzgegossene 3d-Druckharze - höhere Präzision und innovative Polymere für die additive Fertigung
• 3D-gedruckte Spritzgieß-Trennmittel - Revolutionierung nanostrukturierter Oberflächen zur Verringerung der Entformungskräfte
• 3D-Druck-Sekundärprozesse - ermöglichen Massenfertigung wie Tampondruck von Spritzgussteilen auf kundenspezifischer Basis

Und diese Crossover-Techniken sind nur der Anfang...

Die Synergie, die durch die Kombination von Spritzguss und 3D-Druck möglich ist, stellt vielleicht die aufregendsten Innovationen dar, die unsere Branche in den nächsten Jahren erleben wird.

Versuchen Sie also nicht vorherzusagen, ob der 3D-Druck das Spritzgießen vollständig ersetzen wird.

In der Zukunft geht es um Integration, nicht um Verdrängung.

Durch die Kombination beider Technologien werden wir die nächste Revolution in der Fertigung erleben.

Wird der 3D-Druck das Spritzgießen ersetzen?

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der 3D-Druck große Fortschritte macht, um dem Spritzguss in vielen Bereichen Konkurrenz zu machen.

Für die Produktion von Kleinserien, hochkomplexen Teilen und Brückenfertigungsszenarien ist der 3-D-Druck wahrscheinlich bereits verdrängt heute die Möglichkeiten des Spritzgießens. Für die Massenproduktion von Milliarden kostengünstiger, hochpräziser Teile behält das Spritzgießen jedoch (vorerst!) seine Vormachtstellung.

Ich sehe eher hybride Strategien vor, bei denen 3D-Druck und Spritzguss miteinander kombiniert werden, als eine Gegenüberstellung der beiden Methoden. ergänzen einander für die nächsten Jahre.

Also nein - ausgehend von den aktuellen Trends wird der 3D-Druck das Spritzgießen in absehbarer Zeit sicher nicht vollständig ersetzen. Aber bei den derzeitigen Entwicklungstendenzen ist langfristig alles möglich...