Dreh- und Angelpunkt: 3D-Druck vs. Spritzguss

Sarah Göhrke | 03. November 2022

Der 3D-Druck sorgte erstmals für Schlagzeilen, als eine halb Star Trek, halb Jedermann-Technologie, die Science-Fiction auf den Küchentisch brachte. Übertriebene Medienberichte positionierten die Technologie als einen „Jeder kann alles machen“-Prozess. Wenig überraschend gibt es keinen solchen Prozess mit Präzision auf Knopfdruck. Die Wahrnehmung des Mainstreams wurde getrübt und die Technologie wurde abgelehnt.

Der heutige 3D-Druck ist jedoch unbestreitbar eine industrielle Suite mit erreichbarer Effizienz auf Produktionsebene. Mit den Prozessen ist auch die Art und Weise gereift, wie wir auf die Technologie Bezug nehmen. „3D-Druck“ oder das ursprüngliche „Rapid Prototyping“ sind in den meisten professionellen Labors nicht mehr die Redewendung; Mittlerweile ist „additive Fertigung“ oder, salopp gesagt, AM, die gängige Terminologie, die diese Schicht-für-Schicht-Prozesse direkt in den Fertigungsbereich einordnet.

Was vor etwa einem Jahrzehnt noch überzogene Versprechungen waren, sind jetzt Ergebnisse: Produktion, Maßstab, Qualität, Validierung und Volumen sind jetzt Realitäten bei der Endanwendung.

In manchen Fällen.

Wie bei jedem Werkzeug in einem Werkzeugkasten sind Nuancen von entscheidender Bedeutung für die angemessene Anwendung der Lösung auf die Herausforderung. Wenn man nur einen Hammer hat, sieht schließlich alles wie ein Nagel aus. Der heutige Werkzeugkasten ist wesentlich robuster und bietet uns Optionen und die nötigen Mittel, um fundierte Entscheidungen zu treffen: Wann brauche ich einen Hammer? Wann brauche ich etwas anderes?

Genauer gesagt: Wann brauche ich Spritzguss und wann brauche ich 3D-Druck?

Der bewährte Spritzguss (IM) hat sich seit Jahrzehnten bewährt. Im späten 18. Jahrhundert patentiert, erlebte IM Jahrzehnte später einen Boom, als der Zweite Weltkrieg eine kostengünstige Massenproduktion erforderte. Man kann kaum sagen, dass es seitdem langsamer geworden ist. IM ist in modernen Fertigungsumgebungen nahezu allgegenwärtig und lässt sich vielleicht am besten als der Teufel beschreiben, den Sie kennen; Es hat seine Tücken und Einschränkungen, ist aber vertraut und im Allgemeinen zuverlässig. Könnte IM jedoch durch den Newcomer AM verdrängt werden?

Maßstab, Geschwindigkeit, Gleichmäßigkeit – Spritzguss erfüllt die richtigen Voraussetzungen für die Massenproduktion. Das Spritzgießen ist in der Lage, eine Vielzahl von Materialien zuverlässig zu verarbeiten und bietet Vorhersehbarkeit und Qualität.

Darüber hinaus gilt: Je häufiger das Verfahren eingesetzt wird, desto mehr Teile werden hergestellt und desto kostengünstiger wird die Lösung.

Während eine IM-Einrichtung eine enorme Vorabinvestition sein kann, ist der ROI mit zunehmender Nutzung enorm. Tatsächlich zeigen von Experten begutachtete Untersuchungen, dass „Spritzguss der beste Weg zur Massenproduktion kleiner, präziser Polymerkomponenten mit komplexen Formen ist.“

Spritzgießen ist ein gut verstandenes und bewährtes Herstellungsverfahren, das jedoch natürlich nicht ohne Einschränkungen ist. Der Lernaufwand und die Kosten für die Einrichtung einer IM-Installation sind erheblich, ebenso wie die Anlaufzeit bis zur tatsächlichen Erstellung eines neuen Designs.

So bekannt es auch sein mag, der Design-for-Manufacturing-Prozess für IM ist langwierig und oft nichtlinear. Als formbasierte Technologie ist IM auf abnehmbare Formen angewiesen, die die Fähigkeit zur Konstruktion für geringe Teilezahlen und komplexe Innengeometrien erschweren. Darüber hinaus kann die Herstellung dieser Formen die Produktionszeit um Wochen oder sogar Monate verlängern.

Insgesamt kann IM zuverlässig Teile mit bekannter Qualität in hoher Stückzahl produzieren – aber es dauert eine Weile. Wenn Endproduktserien mit geringeren Stückzahlen erforderlich sind, kann das Spritzgießen zu mehr Zeit und Formkosten führen, die den gewünschten ROI ausgleichen.

Da neuere Lösungen auf den Markt kommen und ihre Ansprüche unter Beweis stellen, ist der Spritzguss dabei, einen Teil seiner Dominanz in der Produktion zu verlieren.

Das neue Kind auf dem Produktionsblock, der 3D-Druck, kann eine aufregende Begegnung sein – neue Formen, komplexe Formen, Produktion von hohem Wert/kleiner Stückzahl, alles Schicht für Schicht nach immer anspruchsvolleren Standards aufgebaut. Der 3D-Druck wurde im 19. Jahrhundert entwickelt und hat moderne Patente bis in die 1980er Jahre. Er stellt die Herstellung von der ersten Schicht an neu dar. Mehr Aufsicht, Standards und Validierung führen dazu, dass die Technologie immer mehr in die Produktionswelt vordringt und endlich beginnt, die übertriebenen frühen Versprechen zu erfüllen.

Mit Möglichkeiten für Polymere, Metalle, Pasten und sogar Biomaterialien gibt es nur wenige Materialbereiche, die der 3D-Druck noch nicht erforscht hat. Natürlich gibt es eine große Kluft zwischen der Erkundung im Labor und der Anwendung in der realen Welt, und diese Kluft wird durch den 3D-Druck allmählich überbrückt.

Die Massenproduktion mit 3D-Druck hält in Bereichen Einzug, in denen sie kommerziell sinnvoll ist, wobei Hörgeräte der bedeutendste Bereich sind, in dem die Technologie schon früh weit verbreitet eingesetzt wurde. Verbraucher laufen auf Schuhen mit 3D-gedruckten Zwischensohlen, die sie im Einzelhandel gekauft haben, oder mit personalisierten Einlegesohlen, die über eine Smartphone-App an ihre Füße angepasst werden. Auch medizinische Produkte wie Prothesen und Orthesen können speziell für den Träger angefertigt werden. Der 3D-Druck wird zusammen mit traditionellen Techniken hergestellt und ergänzt einen übergreifenden Prozess zur Herstellung von Endprodukten der nächsten Generation.

Die AM-Vorteile für die Produktion sind vielfältig. Komplexe interne Strukturen können direkt in ein einzelnes fertiges Teil integriert werden, da das gesamte Produkt auf einmal hergestellt wird, wodurch die Anzahl der Teile sowie Schwachstellen bei der Verbindung reduziert werden. Leichtbau, beispielsweise durch Gitterstrukturen oder einfach durch eine geringere Teileanzahl, ist in gewichtsbewussten Branchen wie der Luft- und Raumfahrtindustrie und der Automobilindustrie wünschenswert, in denen es auf jedes Gramm ankommt. Eine schnellere Markteinführung ist ebenfalls ein wichtiger Aspekt, da 3D-Drucker die Produktion lokalisieren können. Wichtig ist, dass durch den 3D-Druck auch die Notwendigkeit von Werkzeugen entfällt, wodurch ein zeitintensiver Schritt in vielen Herstellungsprozessen entfällt. Außerdem kommen ständig weitere validierte Materialien auf den Markt und bringen bekannte Materialien in einen neuen Stall.

Darüber hinaus zeigt die Brückenproduktion zunehmend ihren Wert, da der 3D-Druck beginnt und das Spritzgießen in großem Maßstab fertigstellen kann. Besonders wichtig in den ersten Tagen der COVID-19-Pandemie, als persönliche Schutzausrüstung (PSA) und notwendige Teile für Beatmungsgeräte knapp waren und eine hohe Nachfrage bestanden, wurde der 3D-Druck verstärkt, um medizinisches Fachpersonal und Patienten mit dem auszustatten, was sie benötigen benötigt, während IM hochgefahren wurde, um der breiteren Nachfrage gerecht zu werden. Einige werden weiterhin verwendet, da der 3D-Druck möglicherweise die Wirksamkeit von Testgeräten verbessert.

AM bleibt trotz seines jüngsten Wachstums und seiner Reifung eine im Entstehen begriffene Technologie. Die erstmalige Einführung der Technologie erfordert eine große Lernkurve, da Produktdesigner, die sich gut mit DFM auskennen, in DfAM neue Fähigkeiten erwerben können – Design für die additive Fertigung. Risikoscheue Sektoren, in denen die Validierung von entscheidender Bedeutung ist und neue Installationen hinsichtlich Schulung und Investitionen teuer sind, zögern bei der Einführung, bevor sie einen vollständigen ROI kennen. Häufig hängt die Einführung von einem einzigen internen Verfechter ab, und Abteilungen, die AM nutzen, agieren in der Regel als eine Art Startup innerhalb eines etablierten Unternehmens.

Bei all den neuen Materialien, die in die AM kommen – Giganten wie Arkema, BASF, Evonik, Henkel, Sabic und viele mehr tauchen in die 3D-gedruckten Gewässer ein – ist das Gesamtportfolio im Vergleich zu dem, was für die traditionelle Fertigung verfügbar ist, exponentiell kleiner.

Auch wenn die Standards immer stärker ins Spiel kommen, hinken sie hinterher. Viele potenzielle Anwender können den 3D-Druck nicht einmal in Betracht ziehen, da Verteidigungs- und andere staatlich beauftragte Organisationen nur über begrenzte Prozesse verfügen. Bis mehr Standards anerkannt werden und mehr Unterstützung von allen Ebenen kommt – wie zum Beispiel mit der 2022 AM Forward-Initiative von Präsident Biden, die ihre Reichweite auf nationaler, lokaler und internationaler Ebene ausweitet – wird die Akzeptanz geringer bleiben als theoretisch möglich.

AM bleibt in vielerlei Hinsicht eine unbekannte Größe. Weniger Materialien, geringere Akzeptanz, weniger Schulung und langsamere absolute Geschwindigkeiten pro Teil ergeben zusammen eine schwierige Formel für die Akzeptanz. Der Eindruck, dass einige „Big Player“ ihre AM-Investitionen behalten und als „Geheimsoße“ als Wettbewerbsgeheimnis nutzen, hindert viele AM-Anbieter auch daran, ihre größten Erfolgsgeschichten zu verkünden.

Der größte Vorteil der additiven Fertigung ist vielleicht auch ihr größter Nachteil: Der Sweet Spot liegt in der hochwertigen Produktion mit geringem Volumen. Dem steht der Sweet Spot des Spritzgießens gegenüber, der genau das Gegenteil bewirkt.

Wann wäre es also sinnvoll, von IM auf AM umzusteigen – und wann nicht?

Eine kurze Checkliste, wann es sinnvoll ist, die Produktion auf AM umzustellen, würde Teile umfassen, die unter einige dieser Kategorien fallen:

Das Wichtigste, was Sie bei der Einführung von AM beachten sollten, ist eines: Nur weil Sie es können, heißt das nicht immer, dass Sie es auch sollten. Am sinnvollsten ist es, beim Spritzgießen zu bleiben für:

Der stärkste Anwendungsfall für jeden Herstellungsprozess ist im Grunde unkompliziert. Nutzen Sie, was Sinn macht. Es gibt keine einheitliche Lösung für jede Herausforderung. Jedes Teil, jedes Endprodukt hat einzigartige Spezifikationen und sollte im Idealfall individuell angegangen werden. Nehmen Sie sich die Zeit, die genauen Anforderungen zu verstehen, verfügbare Lösungen zu erkunden und herauszufinden, was für Ihre Anwendung im Hinblick auf Kosten, Zeit, Fachwissen und Endprodukt am sinnvollsten ist.

Das Ermitteln und Verstehen des Break-Even-Punkts des Kosten-Quantitäts-Verhältnisses wird häufig die Entscheidung beeinflussen, wann welcher Herstellungsprozess eingeführt werden soll. Ab Losgrößen von 2 bis 25 bis 250 bis 250.000 sind die Überlegungen natürlich unterschiedlich.

Wie einige der größten Anwendungen von heute, wie die 3D-gedruckte Zwischensohle von adidas, zeigen, besteht die beste ultimative Lösung darin, die Technologien einzusetzen, die sinnvoll sind, wo sie sinnvoll sind. Oftmals handelt es sich dabei eher um eine ergänzende Lösung als um eine Entweder-Oder-Lösung. Beispielsweise bieten 3D-gedruckte Spritzgussformen eine interessante Kombination wünschenswerter Eigenschaften für eine Gesamtlösung.

Über den Autor

Sarah Goehrke ist die Gründerin des AM-spezifischen Vertragsdienstleistungsunternehmens Additive Integrity; ist Mitglied des Vorstands und Leiterin von DEI bei Women in 3D Printing; und sitzt im Beirat der Additive Manufacturing Coalition. Sie konzentriert sich in der additiven Fertigungsindustrie auf Fortschritte in den Bereichen Diversität, Nachhaltigkeit und Ökosystempositionierung mit einem verstärkten Fokus auf Botschaften. Goehrke ist seit 2014 führend in der 3D-Druckbranche und war zuvor als geschäftsführender Herausgeber von Fabbaloo tätig. Chefredakteur von 3DPrint.com; und Senior Director, Strategic Communications and Ecosystems beim Marktführer für ultraschnellen 3D-Druck Nexa3D. Durch Additive Integrity hat sie mit mehr als zwei Dutzend Unternehmen aus der gesamten Branche zusammengearbeitet, zu Publikationen wie Forbes.com beigetragen und auf drei Kontinenten Keynotes gehalten. Sie engagiert sich zutiefst und aktiv für die Förderung von Vielfalt, Gerechtigkeit und Inklusion in der 3D-Druckbranche. Goehrke hat einen Bachelor-Abschluss in Englisch und Theater vom Muskingum College sowie ein Zertifikat in Diversity & Inclusion for HR von der Cornell University.

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