Mehrere Produkte von Igus nebeneinander gestellt

Kundenindividuelle Produkte können in unterschiedlichsten Verfahren hergestellt werden: 3D-Druck, Spritzguss oder Aluminium-Form. (Bild: Igus)

| von Tom Krause, Leiter Additive Fertigung

Ersatzteile, Prototypen oder Werkzeuge: Immer mehr Konstrukteure kehren Metall den Rücken und setzen stattdessen auf Hochleistungskunststoffe, die in den letzten Jahren Leistungssprünge in puncto Robustheit und Verschleißfestigkeit gemacht haben und Anwendern große Designfreiheit bieten.

Bleibt die Frage: Welches Fertigungsverfahren ist am wirtschaftlichsten? Vielleicht eine der ältesten und bekanntesten Möglichkeiten, die mechanische Bearbeitung, bei der computergesteuerte CNC-Fräsen und Drehmaschinen Material aus einem Halbzeug abtragen? Oder doch eher Spritzguss-Maschinen? Oder sogar 3D-Drucker?

CAD statt Spritzgusswerkzeug

Geeignet ist die mechanische Fertigung unter Umständen für Einzelteile und Kleinserien. Warum? Weil der Kunde – anders als beim Spritzguss – kein Spritzgusswerkzeug produzieren lassen muss. Er benötigt lediglich eine Computer-Aided-Design (CAD)-Datei mit einem 3D-Bauplan des Bauteils, um mit der Produktion starten zu können. Entsprechend unkompliziert ist das Experimentieren mit Produktvarianten.

Dabei fertigen moderne Maschinen Präzisionsteile aus Halbzeugen bei engsten Toleranzen. Diese Präzision funktioniert allerdings nur dann, wenn sich der Dienstleister mit Kunststoffen auskennt. Spezialisten setzen hier auf Spezialfräsen, die Wärme ableiten, und auf Hochleistungskunststoffe, die auf die mechanischen Belastungen beim Fräsen ausgelegt sind.

Erst wenn die Kombination aus Maschine und Werkstoff stimmt, lassen sich Toleranzen kontrollieren. Für Großserien sind spanende Fertigungsverfahren hingegen ungeeignet. Denn CNC-Fräsen und Drehmaschinen arbeiten langsamer als Spritzgussmaschinen und verursachen höhere Betriebskosten. Zudem geht viel Material in Form von Spänen verloren.

Spritzguss: Für Großserien konkurrenzlos – dank 3D-Druck auch für Kleinserien denkbar

Für die Produktion von Sonderteilen aus Kunststoff in großen Stückzahlen bis zur Millionenhöhe ist der Spritzguss nach wie vor konkurrenzlos. Maschinen spritzen in diesem Fertigungsverfahren flüssigen Kunststoff in ein Spritzgusswerkzeug, in eine Negativform des Bauteils.

Nachdem der Kunststoff innerhalb weniger Sekunden ausgehärtet ist, öffnen sich die Werkzeughälften und das Formteil fällt in einen Sammelbehälter. So lassen sich identische Bauteile in großer Stückzahl produzieren – viel schneller und wirtschaftlicher, als es mit CNC-Fräsen, Drehmaschinen oder 3D-Druckern möglich wäre.

Für Kleinserien hingegen war der klassische Spritzguss bislang nicht uneingeschränkt zu empfehlen. Der Grund: Werkzeugbauer stellen Gusswerkzeuge für Großserien in der Regel aus gehärtetem Stahl her, damit die Formen mehrere Zehntausend Zyklen überstehen. Design und Bau benötigen Spezialmaschinen, die Initialkosten betragen schnell mehrere Tausend Euro und steigen mit der Komplexität des Bauteils.

Mittlerweile gibt es allerdings Möglichkeiten, um auch kleine und mittlere Serien wirtschaftlich im Spritzguss zu realisieren. Die erste Möglichkeit: Werkzeugbauer fertigen die Gussformen nicht mit Fräsen und Drehmaschinen, sondern für wenige Hundert Euro an einem Tag mit dem 3D-Drucker.

Checkliste

  • In welchen Stückzahlen wollen Sie produzieren?
  • Welche Maße hat das Objekt?
  • Welche Materialeigenschaften benötigen Sie?
  • Welches Budget steht zur Verfügung?
  • Wie schnell wollen Sie produzieren?
  • Wie wichtig ist Ihnen Designfreiheit?
  • Wollen Sie das Design häufiger verändern?
  • Welche Toleranzen sind vertretbar?
  • Wie soll die Oberfläche beschaffen sein?

Dieses Verfahren hört bei Igus auf die Bezeichnung Print2mold. Dadurch sparen die Werkzeugbauer bis zu 70 % Zeit und reduzieren die Initialkosten um bis zu 80 Prozent. Dank des 3D-Drucks wird der Spritzguss somit auch für Kleinserien von 50 bis 500 Stück wirtschaftlich.

Daher kommt der Spritzguss mittlerweile auch in der Produktentwicklung zum Einsatz, bei der sich Entwickler dem Produkt Schritt für Schritt mit mehreren Prototypen nähern wollen. Sie profitieren dabei von einer Materialauswahl, die weit höher ist als beim 3D-Druck oder bei mechanischen Fertigungsverfahren, und perfekten Oberflächen, die keine Nacharbeit erfordern.

Und es gibt neben dem 3D-Druck eine weitere Möglichkeit, um die Kosten für die Werkzeugherstellung zu senken: Die Herstellung gespanter Werkzeuge aus Aluminium. Sie ist günstiger als die Produktion von Stahlformen – unter anderem deshalb, weil langwieriges Härten überflüssig ist. Die Kosten für Aluminiumformen starten bei rund 1.000 Euro. Sie eignen sich für die Serien zwischen 200 und 2.000 Stück.

3D-Druck bietet die beste Designfreiheit

Die additive Fertigung ist eine weitere Möglichkeit, Bauteile aus Kunststoff zu produzieren. Beim sogenannten Selektiven Laser Sintern (SLS) verschmilzt ein Laser hauchdünne Kunststoffpulverschichten schichtweise in wenigen Stunden zum fertigen Bauteil.

Speziell für den Einsatz in der Bewegung gibt es Materialien am Markt, die mit einer hohen Lebensdauer und Verschleißfestigkeit den Industrieanforderungen entsprechen. Sie sind tribologisch optimiert, besitzen also gute Werte bei Reibung und Verschleiß erreichen und stehen dem Spritzguss sogar bei Hochlastanwendungen in puncto Qualität in nichts nach.

Hersteller wie das Kölner Unternehmen Igus sind auf die Entwicklung und Produktion solcher Hochleistungskunststoffe spezialisiert. Mit dem 3D-Druck können vor allem kleinere Teile in großer Menge wirtschaftlich hergestellt werden. Vor allem komplexe Teile lassen sich in der additiven Fertigung einfach und kostengünstig herstellen.

Der Druck eines zylindrischen Gleitlagers mit einem 20-mm-Durchmesser als Unikat kostet bei Igus rund 31 Euro. Bei einer Serie von zehn Lagern in der gleichen Größe sinkt der Preis auf 7,87 Euro pro Stück, bei einer 100er-Auflage auf 6,29 Euro. Zum Vergleich: Die Herstellung eines einzelnen Lagers kostet im klassischen Spritzgussverfahren rund 224 Euro, bei einer 10-Serie von 22,70 Euro und bei 100 Stück 2,57 Euro – zuzüglich der Werkzeugkosten in Höhe von 1.800 Euro.

Tabelle mit der Übersicht, bei welcher Stückzahl und in welcher Größe welches Fertigungsverfahren geeignet ist
Übersicht über die Fertigungsverfahren: Wann ist welches sinnvoll? (Quelle: Igus)

Fazit: 3D-Druck ist nicht teurer, aber langsamer

In der additiven Fertigung sind die Teile innerhalb weniger Tage gedruckt und können direkt im Einsatz getestet werden. Dank des 3D-Drucks lassen sich Tests und Anpassungen der Geometrie kurzfristig in der Entwicklungsphase umsetzen. Durch die Schnelligkeit des 3D-Drucks senken sich zusätzlich die Kosten für die Lagerhaltung, da Produkte nur noch nach Bedarf direkt hergestellt werden.

Ein Großmengeneinkauf, der zu hohen Kosten führt, lässt sich dank der flexiblen und einfach Bestellweise vermeiden. Der große Vorteil des 3D-Drucks im Vergleich zum klassischen Spritzguss: Der Konstrukteur braucht wie beim CNC-Fräsen lediglich eine CAD-Datei mit dem 3D-Bauplan des Objekts. Schon kann die Produktion beginnen – ohne hohe Initialkosten. Auch Designfreiheit ist gewährleistet.

Höhere Komplexität macht den 3D-Druck nicht teurer. Die Geräte erstellen selbst komplexe Geometrien und Hinterschneidungen problemlos. Traditionelle Verfahren, etwa subtraktives Drehen und Fräsen oder Urformen wie Gießen und Schmieden, scheitern oder benötigen Fügetechnik wie Kleben, Schweißen oder Schrauben.

Entsprechend beliebt ist die additive Fertigung in der Produktentwicklung bei der Herstellung von Prototypen und Kleinserien bis 5.000 Stück. Nachteile der additiven Fertigung: Sie ist langsamer als der Spritzguss. Bei voller Auslastung des Druckraums beträgt die Druckzeit bis zu 48 Stunden, zudem ist der Bauraum begrenzt. Auch die Oberflächenbeschaffenheit verlangt nicht selten Nacharbeit.

Bearbeitet von Kathrin Irmer

Das Unternehmen: Igus

Die Igus GmbH ist ein weltweit führender Hersteller von Energiekettensystemen und Polymer-Gleitlagern. Das familiengeführte Unternehmen mit Sitz in Köln ist in 35 Ländern vertreten und beschäftigt weltweit 4.150 Mitarbeiter. 2019 erwirtschaftete Igus mit Motion Plastics, Kunststoffkomponenten für bewegte Anwendungen, einen Umsatz von 764 Millionen Euro.

Igus betreibt die größten Testlabore und Fabriken in seiner Branche, um Kunden innovative, auf ihn zugeschnittene Produkte und Lösungen in kürzester Zeit anzubieten. Weitere Informationen zum Unternehmen, Motion Plastics sowie zu den Online-Lebensdauerrechnern der Produkte: www.igus.de.

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