3D-Druck, Formenbau oder Spritzguss? Der wirtschaftlich passende Weg zum fertigen Kunststoffteil

Wer ein Kunststoffteil entwickeln und fertigen lassen möchte, steht früher oder später vor einer grundlegenden Frage: Welches Herstellungsverfahren ist für das eigene Projekt technisch geeignet und zugleich wirtschaftlich sinnvoll?

Eine allgemeingültige Antwort darauf gibt es nicht. Für einen ersten Prototyp kann der 3D-Druck genau richtig sein. Bei einer wiederkehrenden Serie führt dagegen häufig kein Weg am Spritzguss vorbei. Dazwischen liegen zahlreiche Möglichkeiten: Funktionsmuster, Vakuumguss, einfache Aluminiumformen, Kleinserienwerkzeuge oder eine Kombination mehrerer Verfahren.

Die wirtschaftlichste Lösung ergibt sich deshalb nicht allein aus der Stückzahl. Auch die Bauteilgeometrie, das gewünschte Material, die Belastung im späteren Einsatz, die benötigte Oberfläche, der Zeitplan und die Wahrscheinlichkeit künftiger Änderungen spielen eine Rolle.

Die Fertigung beginnt nicht mit dem Verfahren, sondern mit der Anforderung

„Machen wir das im 3D-Druck oder im Spritzguss?“ Diese Frage wird bei neuen Kunststoffprojekten oft sehr früh gestellt. Manchmal zu früh.

Denn bevor über ein Fertigungsverfahren gesprochen wird, sollte feststehen, was das Bauteil überhaupt leisten muss. Ein Gehäuse, das lediglich Elektronik vor Staub schützt, stellt andere Anforderungen als ein Bauteil, das dauerhaft mit heißem Wasser, Reinigungsmitteln oder mechanischen Kräften in Kontakt kommt. Ebenso macht es einen Unterschied, ob zehn Teile für einen ersten Feldversuch benötigt werden oder über mehrere Jahre hinweg jeweils 50.000 Stück.

Ein guter Fertigungsweg beginnt deshalb mit einer sauberen Bestandsaufnahme. Genau hier setzt auch die technische Beratung von BKT an. Im ersten Schritt werden nicht Maschinen und Verfahren ausgewählt, sondern Funktion, Einsatzbedingungen und wirtschaftliche Ziele des Projekts geklärt.

Welche Funktion muss das Kunststoffteil erfüllen?

Die spätere Funktion bestimmt einen großen Teil der technischen Anforderungen. Dabei reicht es nicht, das Bauteil lediglich mit Begriffen wie „stabil“, „hitzebeständig“ oder „präzise“ zu beschreiben. Solche Angaben sind verständlich, lassen aber noch zu viel Interpretationsspielraum.

Hilfreicher sind konkrete Fragen:

• Welche Kräfte wirken auf das Teil?
• Wird es regelmäßig bewegt, gebogen oder verschraubt?
• Kommt es mit Wasser, Ölen, Kraftstoffen oder Reinigungsmitteln in Berührung?
• Muss es im Innenraum oder dauerhaft im Freien funktionieren?
• Welcher Temperaturbereich ist zu erwarten?
• Ist eine elektrische Isolierung erforderlich?
• Gibt es Vorgaben zum Brandverhalten?
• Muss das Bauteil für Lebensmittelkontakt oder medizinische Anwendungen geeignet sein?
• Welche anderen Komponenten werden daran befestigt?
• Welche Maße und Toleranzen sind für die Funktion tatsächlich notwendig?

Ein kleiner Clip kann konstruktiv anspruchsvoller sein als ein deutlich größeres Gehäuse. Muss der Clip wiederholt einrasten, darf er weder zu steif noch zu weich sein. Die Geometrie muss die auftretende Verformung aufnehmen können, und der Werkstoff darf auch nach vielen Betätigungen nicht verspröden. Bei einem Gehäusedeckel können dagegen Dichtigkeit, Oberflächenbild und Maßhaltigkeit im Vordergrund stehen.

Neben der technischen Funktion müssen je nach Produkt auch Normen, Kennzeichnungspflichten oder gesetzliche Vorgaben berücksichtigt werden. Der Leitfaden zur Produktentwicklung der IHK Bodensee-Oberschwaben empfiehlt deshalb, Sicherheitsanforderungen, CE-Vorgaben, Umweltanforderungen und die technische Dokumentation bereits während der Entwicklung zu prüfen. Werden solche Punkte erst kurz vor dem Serienstart betrachtet, sind Änderungen häufig aufwendiger und teurer.

Am Ende dieses ersten Schrittes sollte kein bestimmtes Fertigungsverfahren stehen, sondern ein möglichst klares Anforderungsprofil. Erst auf dieser Grundlage lässt sich beurteilen, welche Kombination aus Konstruktion, Werkstoff und Herstellungsprozess sinnvoll ist.

Welche Stückzahlen werden heute und künftig benötigt?

Die Stückzahl ist ein wichtiger wirtschaftlicher Faktor. Für sich allein betrachtet sagt sie allerdings noch nicht genug aus.

Benötigt ein Unternehmen einmalig 300 Teile, kann eine werkzeuglose Fertigung interessant sein. Werden dieselben 300 Teile jedes Jahr über einen Zeitraum von zehn Jahren benötigt, verändert sich die Rechnung. Aus einer überschaubaren Einzelbestellung entsteht dann ein Gesamtbedarf von 3.000 Stück, möglicherweise zuzüglich Ersatzteilen, Varianten und wachsender Nachfrage.

Deshalb sollten bei der Planung mehrere Mengenszenarien betrachtet werden:

• Wie viele Teile werden für Entwicklung und Tests benötigt?
• Ist eine Vorserie vorgesehen?
• Mit welcher Menge startet die Markteinführung?
• Wie hoch ist der erwartete Jahresbedarf?
• Sind saisonale Schwankungen oder größere Einzelabrufe zu erwarten?
• Wie lange soll das Produkt voraussichtlich angeboten werden?
• Wird es verschiedene Farben, Größen oder Ausführungen geben?
• Müssen nach dem Serienende Ersatzteile verfügbar bleiben?

Gerade bei neuen Produkten sind belastbare Absatzprognosen nicht immer möglich. Das ist normal. Trotzdem hilft eine realistische Spanne. Ein Projekt mit einem erwarteten Bedarf zwischen 500 und 1.000 Teilen verlangt eine andere Fertigungsstrategie als ein Produkt, bei dem der Jahresbedarf zwischen 5.000 und 50.000 Stück schwanken kann.

Auch die Geschwindigkeit des Hochlaufs spielt eine Rolle. Manchmal ist es wirtschaftlich sinnvoll, die ersten verkaufsfähigen Teile additiv herzustellen und parallel das Spritzgusswerkzeug aufzubauen. Das Unternehmen kann früher liefern, erste Markterfahrungen sammeln und muss den Serienstart nicht vollständig vom Werkzeugbau abhängig machen.

In anderen Fällen ist schon zu Beginn klar, dass eine größere Serie benötigt wird. Dann sollte die Konstruktion von Anfang an auf den späteren Spritzguss ausgerichtet sein. Ein Umweg über eine rein additive Konstruktion kann sonst zusätzliche Anpassungen verursachen.

Welche Anforderungen bestehen an Material, Oberfläche und Belastbarkeit?

Bei Kunststoffteilen wird der Werkstoff gelegentlich schon zu Beginn festgelegt: „Das Teil soll aus ABS sein“ oder „Wir verwenden bisher immer Polyamid“. Dafür kann es gute Gründe geben. Trotzdem lohnt sich die Frage, welche Eigenschaften wirklich benötigt werden.

Die Auswahl ist groß. Kunststoffe können hart oder elastisch, transparent oder eingefärbt, besonders gleitfähig, chemikalienbeständig, elektrisch isolierend oder für hohe Temperaturen geeignet sein. Durch Glasfasern, Mineralien oder andere Zusatzstoffe lassen sich bestimmte Eigenschaften weiter verändern. Gleichzeitig beeinflusst der Werkstoff die Konstruktion, die Verarbeitung und häufig auch die Werkzeugauslegung.

Ein glasfaserverstärkter Kunststoff kann beispielsweise eine hohe Steifigkeit bieten, beansprucht das Spritzgusswerkzeug aufgrund seiner abrasiven Wirkung aber stärker als ein ungefülltes Material. Ein weicher Kunststoff kann sich angenehm anfühlen, stellt jedoch andere Anforderungen an Entformung und Bauteilgeometrie. Transparente Teile wiederum verzeihen weder ungünstige Fließwege noch sichtbare Bindenähte oder eine ungeeignete Oberflächenstruktur.

Hinzu kommt die Frage, welche Oberfläche tatsächlich gebraucht wird. Ein Funktionsbauteil im Inneren einer Maschine muss nicht zwangsläufig dieselben optischen Anforderungen erfüllen wie ein sichtbares Bedienelement. Hohe Ansprüche an Glanz, Struktur, Farbe und Fehlerfreiheit können die Werkzeugherstellung, den Spritzgussprozess und die Qualitätssicherung deutlich beeinflussen.

Material und Oberfläche dürfen deshalb nicht getrennt von der Konstruktion betrachtet werden. Bereits bei der 3D-CAD-Konstruktion eines Kunststoffteils sollten unter anderem Wandstärken, Radien, Übergänge, Verrippungen, Befestigungspunkte und Entformungsmöglichkeiten auf den vorgesehenen Werkstoff und die spätere Fertigung abgestimmt werden.

Dabei gilt: Nicht jede theoretisch mögliche Anforderung ist für das Produkt auch notwendig. Eine zu eng gewählte Toleranz, ein überdimensionierter Werkstoff oder eine unnötig aufwendige Oberfläche erhöhen die Kosten, ohne automatisch einen praktischen Mehrwert zu schaffen. Die beste Lösung ist nicht die technisch maximal mögliche, sondern diejenige, die den realen Einsatz zuverlässig abdeckt.

Warum Zielpreis, Lieferzeit und Produktlebensdauer früh berücksichtigt werden sollten

Der gewünschte Stückpreis ist wichtig. Er sollte jedoch nie isoliert betrachtet werden.

Ein 3D-gedrucktes Bauteil kann ohne Werkzeug hergestellt werden, verursacht dafür aber bei jedem weiteren Teil vergleichsweise ähnliche Fertigungskosten. Beim Spritzguss ist es umgekehrt. Zunächst entstehen Kosten für Konstruktion und Werkzeugbau. Sobald die Serie läuft, können die einzelnen Teile jedoch schnell und wiederholgenau produziert werden.

Für eine belastbare Entscheidung sollten deshalb die Gesamtkosten des Projekts betrachtet werden. Dazu gehören unter anderem:

• Entwicklung und Konstruktion
• Prototypen und Prüfungen
• Werkzeugherstellung
• Material und Fertigungszeit
• Rüstkosten und Einfahrkosten
• Nachbearbeitung und Veredelung
• Montage weiterer Komponenten
• Qualitätssicherung
• Verpackung und Logistik
• Mögliche Werkzeugänderungen
• Wartung und Reparaturen
• Ersatzteilversorgung

Auch der Zeitplan beeinflusst den Fertigungsweg. Wird innerhalb weniger Tage ein Muster für eine Kundenpräsentation benötigt, spricht vieles für ein additives Verfahren. Geht es um die zuverlässige Belieferung einer langjährigen Serie, werden Prozessstabilität, Wiederholgenauigkeit und Werkzeugverfügbarkeit wichtiger.

Die erwartete Produktlebensdauer sollte ebenfalls früh einbezogen werden. Die Nationale Kreislaufwirtschaftsstrategie des Bundesumweltministeriums hebt hervor, dass bereits die Designphase und Konstruktionsphase maßgeblich über Materialeinsatz, Reparierbarkeit und Recyclingfähigkeit entscheiden. Für ein Kunststoffteil bedeutet das zum Beispiel: Lässt sich das Produkt später zerlegen? Können einzelne Komponenten ersetzt werden? Lassen sich Funktionen in einem Bauteil zusammenführen, ohne die Reparatur unnötig zu erschweren?

Wer Zielpreis, Lieferzeit und Lebensdauer früh zusammen betrachtet, verhindert eine typische Fehlentscheidung. Ein Verfahren wird ausgewählt, weil es bei der ersten Bestellung günstig erscheint, obwohl es über den gesamten Produktlebenszyklus deutlich höhere Kosten verursacht.

Die wichtigsten Fertigungsverfahren im Überblick

3D-Druck, Formenbau und Spritzguss werden häufig als konkurrierende Möglichkeiten dargestellt. In der Praxis ergänzen sie sich jedoch oft.

Ein additiv gefertigter Prototyp kann dazu dienen, die Konstruktion vor dem Werkzeugbau zu prüfen. Der Formenbau schafft anschließend die technische Grundlage für den Spritzguss. Selbst während einer laufenden Serie kann der 3D-Druck weiterhin sinnvoll sein, etwa für Montagehilfen, Prüfaufnahmen, Ersatzteile oder selten benötigte Varianten.

Wirtschaftlich wird ein Projekt deshalb nicht dadurch, dass ein einziges Verfahren möglichst konsequent eingesetzt wird. Entscheidend ist, welches Verfahren in der jeweiligen Projektphase den größten Nutzen bietet.

3D-Druck: flexibel vom Einzelteil bis zur Kleinserie

Bei der additiven Fertigung entsteht ein Bauteil direkt aus digitalen 3D-Daten. Statt Material aus einem Rohling herauszuarbeiten oder es in ein Werkzeug einzuspritzen, wird das Teil Schicht für Schicht aufgebaut.

Der Begriff 3D-Druck umfasst dabei sehr unterschiedliche Verfahren. Sie unterscheiden sich unter anderem durch das verwendete Material, die erreichbare Oberfläche, die Bauteilfestigkeit, die Genauigkeit und die Kosten.

Zu den bei Kunststoffteilen häufig eingesetzten Verfahren gehören:

• Fused Deposition Modeling, kurz FDM
• Selektives Lasersintern, kurz SLS
• Stereolithografie, kurz SLA
• Weitere harzbasierte oder pulverbasierte Verfahren

Das Fraunhofer IGCV beschreibt die additive Fertigung als grundlegend anderen Ansatz gegenüber abtragenden und formgebundenen Verfahren. Bauteile werden unmittelbar aus digitalen Daten schichtweise aufgebaut. Daraus entstehen vor allem bei komplexen Geometrien und schnellen Entwicklungszyklen neue Möglichkeiten.

Beim FDM-Verfahren wird ein thermoplastischer Kunststoff aufgeschmolzen und schichtweise abgelegt. Das Verfahren eignet sich unter anderem für Anschauungsmuster, Vorrichtungen und bestimmte Funktionsbauteile.

Beim selektiven Lasersintern wird Kunststoffpulver mit einem Laser verbunden. Da das umgebende Pulver das Bauteil während des Fertigungsprozesses stützt, lassen sich viele komplexe Geometrien ohne zusätzliche Stützkonstruktionen herstellen.

Die Stereolithografie arbeitet dagegen mit flüssigem Kunstharz, das gezielt ausgehärtet wird. Ihre Stärke liegt häufig in feinen Details und glatten Oberflächen. Das macht sie beispielsweise für Designmodelle, Urmodelle und sehr detailreiche Prototypen interessant.

Welches Verfahren geeignet ist, hängt also nicht nur davon ab, ob ein Teil gedruckt werden soll. Bereits innerhalb des 3D-Drucks muss eine technische und wirtschaftliche Auswahl getroffen werden.

Formenbau: die Grundlage für eine wirtschaftliche Serienfertigung

Der Formenbau wird manchmal lediglich als notwendige Vorbereitung für den Spritzguss wahrgenommen. Tatsächlich entscheidet das Werkzeug wesentlich darüber, wie zuverlässig und wirtschaftlich die spätere Serie produziert werden kann.

Im Spritzgusswerkzeug entsteht die endgültige Form des Bauteils. Das Werkzeug muss den eingespritzten Kunststoff aufnehmen, gleichmäßig füllen, kontrolliert abkühlen und das erstarrte Teil anschließend sicher freigeben. Dafür besteht es je nach Bauteil nicht nur aus zwei einfachen Formhälften.

Mögliche Bestandteile sind unter anderem:

• Formeinsätze und Kavitäten
• Kerne
• Schieber für Hinterschneidungen
• Auswerfer
• Angusssysteme
• Heißkanalkomponenten
• Kühlkanäle und Temperierkanäle
• Führungen und Verriegelungen
• Sensoren zur Prozessüberwachung

Ein einfacher Artikel mit günstiger Trennebene kann möglicherweise in einem vergleichsweise schlichten Auf-Zu-Werkzeug gefertigt werden. Seitliche Öffnungen, Gewinde, starke Hinterschneidungen oder besondere Oberflächen führen dagegen schnell zu einem komplexeren Aufbau.

Der Werkzeugbau ist daher keine vom Produkt getrennte Disziplin. Konstruktion des Bauteils, Werkzeugkonzept und späterer Spritzgussprozess müssen zusammenpassen. BKT fertigt die benötigten Spritzgusswerkzeuge im eigenen Werkzeugbau und Formenbau. Dadurch können Konstruktion, Bemusterung, Änderungen und Serienfertigung direkt aufeinander abgestimmt werden.

Eine frühe Abstimmung zahlt sich vor allem dann aus, wenn konstruktive Änderungen die Werkzeugkomplexität reduzieren. Manchmal genügt bereits eine veränderte Trennebene oder die Anpassung einer seitlichen Kontur, um einen zusätzlichen Schieber zu vermeiden. Die Funktion des Produkts bleibt erhalten, während Werkzeugkosten und Wartungsaufwand sinken.

Spritzguss: reproduzierbare Qualität bei höheren Stückzahlen

Beim Spritzguss wird Kunststoffgranulat in der Maschine erwärmt und aufgeschmolzen. Die Kunststoffschmelze wird anschließend unter Druck in das geschlossene Werkzeug eingespritzt. Dort füllt sie die Kavität aus, kühlt ab und erstarrt. Nach dem Öffnen des Werkzeugs wird das fertige Teil entnommen oder automatisch ausgeworfen. Danach beginnt der nächste Zyklus.

Die Grundlagenübersicht von Kunststoffe.de zum Spritzgießen ordnet das Verfahren als einen der wichtigsten Verarbeitungsprozesse für Kunststoffe ein. Der Grund dafür liegt in der Verbindung aus Formfreiheit, Wiederholgenauigkeit und hoher Ausbringung.

Ist der Prozess sauber ausgelegt und stabil eingerichtet, können große Mengen gleichartiger Teile mit kurzen Zykluszeiten hergestellt werden. Auch technische Kunststoffe, verstärkte Materialien und Bauteile mit anspruchsvollen Geometrien lassen sich verarbeiten.

Zu den typischen Vorteilen gehören:

• Niedrige Stückkosten bei geeigneten Seriengrößen
• Gleichbleibende Geometrie und Oberfläche
• Hohe Wiederholgenauigkeit
• Große Auswahl an thermoplastischen Kunststoffen
• Integration von Rippen, Clips, Domen und Befestigungspunkten
• Umspritzen von Einlegeteilen
• Herstellung von Hart-Weich-Verbindungen im Mehrkomponentenspritzguss
• Weitgehend automatisierbare Produktion

Dem stehen die anfänglichen Aufwendungen für Konstruktion, Werkzeugbau und Bemusterung gegenüber. Änderungen sind nach der Werkzeugherstellung zwar oft noch möglich, aber in der Regel aufwendiger als eine Anpassung des CAD-Modells vor dem Werkzeugbau.

Deshalb ist der Spritzguss vor allem dann stark, wenn die Geometrie ausreichend abgesichert ist und die benötigte Menge die anfängliche Investition rechtfertigt. BKT begleitet solche Projekte von der Konstruktion bis zur Spritzguss-Serienfertigung.

Warum nicht jedes Kunststoffteil nur einem Verfahren zugeordnet werden kann

In der Praxis verläuft ein Kunststoffprojekt selten nach dem einfachen Muster: Verfahren auswählen, Teile herstellen, fertig.

Häufig beginnt die Entwicklung mit mehreren 3D-gedruckten Varianten. Dabei werden Abmessungen, Haptik, Montage und Funktion geprüft. Nach der konstruktiven Freigabe folgt ein Werkzeug für eine Vorserie oder direkt für die spätere Serienfertigung. Während das Werkzeug gebaut wird, können additiv gefertigte Teile bereits für Präsentationen, Einbauversuche oder vorbereitende Prüfungen genutzt werden.

Auch zwischen 3D-Druck und klassischem Spritzguss gibt es Zwischenlösungen. Beim Vakuumguss wird zunächst ein Urmodell hergestellt, von dem eine flexible Form abgenommen wird. Damit können kleinere Serien mit einer spritzgussähnlichen Anmutung gefertigt werden, ohne sofort in ein dauerhaftes Serienwerkzeug zu investieren.

Eine weitere Möglichkeit sind vereinfachte Werkzeuge aus Aluminium oder additiv gefertigte Werkzeugeinsätze. Sie können sinnvoll sein, wenn Teile aus dem vorgesehenen Serienmaterial benötigt werden, die Stückzahl aber noch niedrig ist. Solche Lösungen sind allerdings nicht automatisch für jedes Bauteil geeignet. Material, Druck, Temperatur, Geometrie und erforderliche Standzeit müssen zusammenpassen.

Ein sinnvoller Projektablauf könnte beispielsweise so aussehen:

1. Anschauungsmuster zur Beurteilung der äußeren Form
2. Funktionsprototyp für Einbauversuche und Montagetests
3. Überarbeitete Konstruktion mit spritzgussgerechten Details
4. Vorserie aus einem einfachen Werkzeug
5. Serienwerkzeug passend zum bestätigten Mengenbedarf
6. 3D-Druck für spätere Sonderteile oder Produktionshilfen

Das ist kein fester Standardablauf. Bei einem technisch einfachen Serienprodukt können einzelne Schritte entfallen. Bei sicherheitsrelevanten oder besonders komplexen Bauteilen sind dagegen zusätzliche Iterationen, Prüfungen und Bemusterungen notwendig.

Wann ist 3D-Druck der wirtschaftlich passende Weg?

Die größte Stärke des 3D-Drucks liegt in seiner Flexibilität. Aus einer digitalen Konstruktion kann innerhalb kurzer Zeit ein reales Bauteil entstehen, ohne dass zuvor ein formgebendes Werkzeug hergestellt werden muss.

Das macht additive Verfahren jedoch nicht automatisch zur günstigsten Lösung. Wirtschaftlich sind sie vor allem dann, wenn ihre Flexibilität einen konkreten Vorteil schafft. Dazu gehören weniger Entwicklungsrisiko, ein früherer Markteintritt, geringe Anfangsinvestitionen oder die Möglichkeit, Teile herzustellen, die mit konventionellen Verfahren nur schwer umsetzbar wären.

Prototypen und Funktionsmuster schnell herstellen

Ein CAD-Modell lässt sich am Bildschirm drehen, messen und aus unterschiedlichen Perspektiven betrachten. Ob ein Bauteil in der Hand gut funktioniert, sich problemlos montieren lässt oder im vorgesehenen Bauraum tatsächlich zugänglich ist, zeigt sich trotzdem oft erst am realen Muster.

Genau hier liegt ein klassischer Einsatzbereich des 3D-Drucks. Der VDI zählt in seinem Statusreport zur industriellen additiven Fertigung Prototypen, Fertigungsmittel und Endprodukte zu den etablierten Anwendungen additiver Verfahren.

Allerdings ist Prototyp nicht gleich Prototyp. Ein frühes Anschauungsmodell soll möglicherweise nur Proportionen und Design vermitteln. Ein Einbaumuster muss dagegen geometrisch ausreichend genau sein. Bei einem Funktionsprototyp stehen Belastbarkeit, Beweglichkeit, Dichtigkeit oder das Zusammenspiel mit anderen Komponenten im Mittelpunkt.

Vor der Fertigung sollte deshalb geklärt werden, welche Frage das Muster beantworten soll:

• Stimmen Form und Proportionen?
• Passt das Teil in den vorgesehenen Bauraum?
• Sind Schrauben, Stecker und Bedienelemente erreichbar?
• Funktionieren Rastnasen oder Gelenke?
• Kann das Bauteil montiert und wieder demontiert werden?
• Reicht die mechanische Festigkeit für einen Versuch?
• Soll die spätere Oberfläche möglichst realistisch dargestellt werden?
• Muss das Muster lackiert, bedruckt oder anderweitig veredelt werden?

Davon hängt ab, welches additive Verfahren und welcher Werkstoff geeignet sind. Ein optisch überzeugendes SLA-Modell kann für einen Belastungstest ungeeignet sein. Ein robustes SLS-Bauteil erfüllt möglicherweise die funktionalen Anforderungen, bildet aber nicht ohne Nachbearbeitung die gewünschte Serienoberfläche ab.

Mit der Musterfertigung von BKT lassen sich unterschiedliche Ziele abdecken, vom ersten Anschauungsmodell bis zum funktionsfähigen Bauteil für Einbauversuche und Montagetests.

Einzelteile und Kleinserien ohne Werkzeugkosten fertigen

Bei additiven Verfahren entfällt die Investition in ein klassisches Formwerkzeug. Das ist besonders attraktiv, wenn nur wenige Teile benötigt werden oder noch nicht sicher ist, ob die Konstruktion unverändert bleibt.

Typische Anwendungsfälle sind:

• Einzelanfertigungen
• Ersatzteile
• Kundenspezifische Varianten
• Testserien
• Betriebsmittel und Montagehilfen
• Kleinserien mit unregelmäßigem Bedarf
• Bauteile für ältere Maschinen
• Produkte mit häufig wechselnder Geometrie

Dabei sollte „ohne Werkzeugkosten“ nicht mit „nahezu kostenlos“ verwechselt werden. Auch beim 3D-Druck entstehen Aufwendungen für Datenprüfung, Maschinenzeit, Material, Vorbereitung, Nachbearbeitung und Qualitätssicherung.

Der Preis hängt unter anderem vom Bauteilvolumen, der Bauhöhe, dem ausgewählten Verfahren und der Auslastung des Bauraums ab. Beim SLS können mehrere unterschiedliche Teile gemeinsam in einem Bauraum angeordnet werden. Beim FDM beeinflussen Schichtdicke, Stützstrukturen und Druckdauer die Kalkulation. Bei harzbasierten Verfahren kommen Reinigung und Nachhärtung hinzu.

Für eine einmalige Kleinserie kann diese Kostenstruktur sehr vorteilhaft sein. Bei regelmäßig wiederkehrenden Mengen steigt jedoch irgendwann der Anteil der laufenden Fertigungskosten so stark, dass ein Werkzeug trotz Anfangsinvestition günstiger wird.

Deshalb sollte nicht gefragt werden, ob 3D-Druck grundsätzlich günstig ist. Die bessere Frage lautet: Wie viel kostet die benötigte Gesamtmenge, einschließlich möglicher Wiederholbestellungen, Varianten und Nachbearbeitung?

Komplexe Geometrien und kurzfristige Änderungen umsetzen

Additive Verfahren benötigen keine klassische Entformungsrichtung. Dadurch können Hohlräume, innenliegende Kanäle, Gitterstrukturen oder geometrisch komplexe Übergänge hergestellt werden, die im Spritzguss nur mit aufwendigen Werkzeugfunktionen oder überhaupt nicht umsetzbar wären.

Diese Freiheit ist vor allem dann wirtschaftlich interessant, wenn mehrere Einzelteile zu einem Bauteil zusammengeführt werden können. Weniger Einzelteile bedeuten unter Umständen weniger Montageaufwand, weniger Verbindungselemente und weniger Schnittstellen.

Auch kurzfristige Änderungen lassen sich vergleichsweise einfach umsetzen. Wird bei einem Einbauversuch festgestellt, dass eine Bohrung versetzt werden muss oder eine Kontur mit einem Nachbarbauteil kollidiert, wird zunächst das digitale Modell angepasst. Danach kann eine neue Variante gefertigt werden, ohne ein vorhandenes Serienwerkzeug ändern zu müssen.

Das erleichtert iterative Entwicklungsprozesse. Statt möglichst lange theoretisch an einer vermeintlich perfekten Lösung zu arbeiten, können Varianten hergestellt, getestet und auf Grundlage realer Ergebnisse verbessert werden.

Diese Flexibilität sollte allerdings nicht dazu führen, die spätere Fertigung aus dem Blick zu verlieren. Soll das Bauteil später im Spritzguss entstehen, muss die Konstruktion rechtzeitig auf die dort geltenden Anforderungen übertragen werden. Eine im 3D-Druck problemlos herstellbare Hinterschneidung kann im Spritzguss einen zusätzlichen Schieber erfordern. Eine komplexe Innengeometrie lässt sich möglicherweise gar nicht entformen.

3D-Druck und Spritzguss sollten deshalb nicht unabhängig voneinander geplant werden. Der Prototyp darf die Entwicklung beschleunigen. Er sollte aber auf einen realistischen Serienprozess hinführen.

Technische und wirtschaftliche Grenzen des 3D-Drucks

Der industrielle 3D-Druck hat sich deutlich weiterentwickelt. Dennoch hat jedes Verfahren Grenzen.

Die mechanischen Eigenschaften können von der Bauteilorientierung und dem schichtweisen Aufbau beeinflusst werden. Oberflächen müssen je nach Verfahren nachbearbeitet werden. Bestimmte Kunststoffe sind nicht oder nur eingeschränkt verfügbar. Auch Maßhaltigkeit, Dichtigkeit, Langzeitverhalten und Reproduzierbarkeit müssen für den jeweiligen Anwendungsfall geprüft werden.

Das Fraunhofer IPK nennt neben den Gestaltungsmöglichkeiten und kürzeren Entwicklungszeiten ausdrücklich auch die Vielzahl unterschiedlicher Verfahren, Werkstoffe und Kostenstrukturen als Herausforderung bei der Auswahl.

Zu den typischen Grenzen gehören:

• Längere Fertigungszeiten pro Teil bei größeren Mengen
• Begrenzte Bauräume
• Sichtbare Schichten oder raue Oberflächen
• Notwendige Stützstrukturen
• Nachbearbeitung und Reinigung
• Richtungsabhängige Materialeigenschaften
• Eingeschränkte Auswahl an Original-Serienwerkstoffen
• Schwankungen zwischen Maschinen, Chargen und Baujobs
• Zusätzlicher Prüfaufwand bei regulierten Anwendungen

Dabei unterscheiden sich die Verfahren deutlich. Selektives Lasersintern eignet sich beispielsweise für belastbare Prototypen und komplexe Kleinserien. Die Stereolithografie kann sehr feine Details und hochwertige Modelloberflächen liefern, verwendet jedoch andere Werkstoffsysteme als der klassische Thermoplast-Spritzguss.

Die Grenze zwischen wirtschaftlichem 3D-Druck und wirtschaftlichem Spritzguss lässt sich daher nicht mit einer festen Stückzahl bestimmen. Ein großes, einfaches Bauteil kann schon bei geringen Mengen für den 3D-Druck ungünstig sein. Ein kleines, komplexes Teil kann dagegen auch in einer beachtlichen Kleinserie additiv interessant bleiben.

Wann lohnt sich ein Spritzgusswerkzeug?

Ein Spritzgusswerkzeug ist eine Investition in die spätere Produktion. Ob sich diese Investition lohnt, hängt davon ab, wie viele Teile benötigt werden, wie lange das Produkt gefertigt werden soll und welche Anforderungen an Qualität, Material und Lieferfähigkeit bestehen.

Die Frage sollte deshalb nicht lauten: „Wie teuer ist das Werkzeug?“ Sinnvoller ist: „Welche Gesamtkosten entstehen mit diesem Werkzeug über die geplante Laufzeit, und welche Alternativen gibt es?“

Der Zusammenhang zwischen Werkzeugkosten und Stückzahl

Beim 3D-Druck entstehen vergleichsweise geringe Anfangskosten, dafür bleiben die Fertigungskosten jedes einzelnen Teils relativ hoch. Beim Spritzguss muss zunächst das Werkzeug finanziert werden. Anschließend können die Teile mit kurzen, wiederholbaren Zyklen produziert werden.

Vereinfacht verteilt sich die Werkzeugkosteninvestition auf die gesamte produzierte Menge. Bei 500 Teilen wirkt sie sich deutlich stärker auf den rechnerischen Stückpreis aus als bei 50.000 Teilen.

Trotzdem gibt es keine feste Stückzahl, ab der sich Spritzguss immer lohnt. Die Wirtschaftlichkeit hängt unter anderem von folgenden Faktoren ab:

• Größe und Gewicht des Bauteils
• Komplexität der Geometrie
• Anzahl der Hinterschneidungen
• Verwendeter Kunststoff
• Erforderliche Oberfläche
• Toleranzen
• Werkzeugmaterial
• Anzahl der Kavitäten
• Zykluszeit
• Nachbearbeitung
• Erwartete Werkzeugstandzeit

Bei kleinen, einfach aufgebauten Teilen kann ein Werkzeug bereits bei einer überschaubaren Stückzahl wirtschaftlich werden. Ein großes Bauteil mit mehreren Schiebern und aufwendiger Oberfläche benötigt dagegen möglicherweise eine deutlich höhere Menge, bevor die niedrigeren laufenden Stückkosten die Werkzeugkosten ausgleichen.

Hinzu kommt, dass Werkzeugpreise nicht allein aus Größe und Material abgeleitet werden können. Die WBA Werkzeugbau Akademie zeigt in ihrer Studie zur Kalkulation im Werkzeugbau, wie anspruchsvoll die belastbare Vorhersage von Konstruktionsaufwänden und Fertigungsaufwänden sein kann. Für den Kunden bedeutet das: Ein seriöses Werkzeugangebot setzt eine ausreichend genaue Bauteilprüfung und Anforderungsprüfung voraus.

Welche Anforderungen die Konstruktion erfüllen muss

Ein Bauteil, das im 3D-Druck funktioniert, ist nicht automatisch spritzgussgerecht konstruiert. Im Spritzguss muss flüssiger Kunststoff die gesamte Kavität füllen, kontrolliert abkühlen und anschließend aus dem Werkzeug entformt werden können.

Bereits kleine konstruktive Details haben deshalb Auswirkungen auf das Werkzeug und den späteren Prozess.

Gleichmäßige Wandstärken: Große Unterschiede führen zu ungleichmäßiger Abkühlung. Dadurch können Einfallstellen, Verzug oder innere Spannungen entstehen.

Ausreichende Entformungsschrägen: Senkrechte Flächen benötigen in vielen Fällen eine leichte Schräge, damit sich das erstarrte Bauteil aus dem Werkzeug lösen lässt.

Geeignete Radien: Scharfe Ecken erschweren den Materialfluss und können Spannungsspitzen im Bauteil erzeugen. Übergänge sollten daher kunststoffgerecht gestaltet werden.

Sinnvoll angeordnete Rippen und Dome: Sie können das Bauteil versteifen oder Schraubverbindungen aufnehmen, dürfen aber nicht zu unnötigen Materialanhäufungen führen.

Beherrschbare Hinterschneidungen: Seitliche Öffnungen, Haken oder Vertiefungen können zusätzliche Schieber oder bewegliche Kerne erforderlich machen.

Durchdachte Trennebene: Die Lage der Werkzeugtrennung beeinflusst Werkzeugaufbau, sichtbare Trennlinien und Entformung.

Geeignete Anspritzung: Der Kunststoff muss alle Bereiche des Bauteils zuverlässig erreichen. Anspritzpunkt und Fließweg wirken sich auf Füllverhalten, Bindenähte und Oberfläche aus.

Die frühe spritzgussgerechte CAD-Konstruktion ist deshalb einer der wichtigsten Hebel, um spätere Werkzeugänderungen zu vermeiden. Anpassungen an einem digitalen Modell sind in der Regel wesentlich günstiger als Änderungen an bereits gehärteten und fertig bearbeiteten Formeinsätzen.

Werkzeugkonzept, Kavitäten und erwartete Standzeit

Nicht jedes Spritzgusswerkzeug muss für Millionen Teile ausgelegt sein. Das Werkzeugkonzept sollte zur erwarteten Menge, zum Bauteil und zur geplanten Produktlaufzeit passen.

Für eine Vorserie kann ein einfaches Werkzeug mit einer Kavität ausreichen. Bei größeren Mengen kann ein Mehrkavitätenwerkzeug sinnvoll sein, das in jedem Zyklus mehrere identische Teile produziert. Dadurch steigt die Ausbringung, gleichzeitig werden Werkzeug und Prozess jedoch anspruchsvoller.

Weitere Entscheidungen betreffen beispielsweise:

• Aluminium oder Werkzeugstahl
• Eine oder mehrere Kavitäten
• Kaltkanal oder Heißkanal
• Einfache Form oder Werkzeug mit Schiebern
• Wechseleinsätze und Varianteinsätze
• Manuelle oder automatische Entnahme
• Integration von Einlegeteilen
• Sensorik zur Prozessüberwachung

Die richtige Kavitätenzahl ergibt sich nicht allein aus dem Jahresbedarf. Auch verfügbare Maschinengröße, Zykluszeit, Werkzeugabmessungen, benötigte Liefermengen und Prozesssicherheit müssen berücksichtigt werden. Ein Werkzeug mit vielen Kavitäten erzielt eine hohe Ausbringung, verursacht aber höhere Anfangskosten und verlangt eine gleichmäßige Füllung aller Formnester.

Auch die erwartete Standzeit beeinflusst die Auslegung. Ein Werkzeug für wenige Tausend Teile kann anders aufgebaut werden als ein Werkzeug, das über Jahre hinweg eine hohe sechsstellige oder siebenstellige Menge produzieren soll. Verstärkte Kunststoffe, hohe Temperaturen und komplexe Bewegungen erhöhen möglicherweise den Verschleiß.

Das Fraunhofer IPK nennt Verschleißbeständigkeit und den integrierten Werkzeuglebenszyklus als zentrale Themen für moderne Spritzgusswerkzeuge. Damit wird deutlich: Nicht nur die Herstellung des Werkzeugs zählt, sondern auch seine zuverlässige Nutzung, Wartung und Anpassbarkeit während der gesamten Serie.

Warum ein günstiges Werkzeug nicht immer die wirtschaftlichste Lösung ist

Ein niedriger Werkzeugpreis wirkt zunächst attraktiv. Er sagt jedoch wenig darüber aus, welche Kosten später in der Produktion entstehen.

Ein einfaches Werkzeug kann für eine kleine Serie vollkommen ausreichen. Wird es dagegen zu knapp ausgelegt, können längere Zykluszeiten, höherer Ausschuss, häufigere Reparaturen oder eine eingeschränkte Prozessstabilität den anfänglichen Preisvorteil schnell aufzehren.

Bei der wirtschaftlichen Bewertung sollten deshalb auch folgende Fragen gestellt werden:

• Wie schnell kann das Werkzeug produzieren?
• Wie gleichmäßig werden die Kavitäten gefüllt?
• Wie zuverlässig funktioniert die Entformung?
• Wie hoch ist der erwartete Wartungsaufwand?
• Sind besonders belastete Komponenten austauschbar?
• Können Varianten durch Wechseleinsätze abgebildet werden?
• Wie aufwendig sind spätere Reparaturen?
• Sind Ersatzteile und Werkzeugdaten verfügbar?
• Lässt sich das Werkzeug auf geeigneten Maschinen flexibel einsetzen?
• Wie wird die Qualität während der Serie überwacht?

Auch eine ungünstige Kühlung kann langfristig teuer werden. Benötigt das Bauteil in jedem Zyklus mehrere Sekunden länger zum Abkühlen, summiert sich dieser Unterschied über eine große Serie zu vielen zusätzlichen Maschinenstunden.

Ähnlich verhält es sich mit der Entformung. Ein Werkzeug, bei dem Teile regelmäßig hängen bleiben oder manuell entnommen werden müssen, verursacht laufende Kosten und erhöht das Risiko von Beschädigungen. Eine durchdachte Werkzeugauslegung kann dagegen eine stabile automatisierte Fertigung ermöglichen.

BKT verbindet den eigenen Werkzeugbau und Formenbau direkt mit der Spritzgussproduktion. Dadurch wird das Werkzeug nicht nur aus Sicht seiner Herstellung betrachtet, sondern als Teil des späteren Produktionsprozesses.

Wirtschaftlich ist daher nicht automatisch das Werkzeug mit dem niedrigsten Angebotspreis. Wirtschaftlich ist das Werkzeug, das die benötigte Menge in der geforderten Qualität zuverlässig produziert, mit angemessenen Investitionskosten, stabilen Zykluszeiten und einem zur Produktlaufzeit passenden Aufbau.

Wann ist Spritzguss die richtige Entscheidung?

Spritzguss spielt seine Stärken dort aus, wo Kunststoffteile nicht nur einmal, sondern wiederholt und in gleichbleibender Qualität benötigt werden. Das gilt für einige Hundert Bauteile ebenso wie für große Serien. Ob sich das Verfahren rechnet, hängt von der Geometrie, dem Werkzeugkonzept, dem Material und der geplanten Gesamtmenge ab.

Die Entscheidung für den Spritzguss ist deshalb mehr als eine Entscheidung für eine bestimmte Maschine. Sie ist eine Entscheidung für einen reproduzierbaren Produktionsprozess. Konstruktion, Werkzeug, Material und Fertigungsparameter müssen so aufeinander abgestimmt sein, dass jedes Bauteil die vereinbarten Anforderungen erfüllt.

Gleichbleibende Bauteilqualität in der Serie

Bei einem einzelnen Prototyp lässt sich eine kleine Abweichung manchmal noch durch Nacharbeit ausgleichen. In einer laufenden Serie wäre das weder zuverlässig noch wirtschaftlich. Dort müssen Maße, Funktion und Oberfläche über viele Produktionszyklen hinweg möglichst konstant bleiben.

Der Spritzguss bietet dafür gute Voraussetzungen. Sobald Werkzeug und Prozess eingerichtet sind, läuft jeder Zyklus nach demselben Grundprinzip ab. Das Material wird aufgeschmolzen, mit definierten Parametern eingespritzt, im Werkzeug abgekühlt und anschließend entformt.

Zu den relevanten Prozessgrößen gehören unter anderem:

• Materialtemperatur
• Werkzeugtemperatur
• Einspritzgeschwindigkeit
• Einspritzdruck
• Nachdruck und Nachdruckzeit
• Kühlzeit
• Dosierung
• Entformungsablauf

Diese Werte werden für das jeweilige Bauteil ermittelt und dokumentiert. Bei einer späteren Produktion kann auf die freigegebenen Einstellungen zurückgegriffen werden. Das erleichtert die Wiederholfertigung und reduziert den Aufwand beim erneuten Anfahren des Werkzeugs.

Das Kunststoff-Zentrum SKZ beschreibt den Spritzguss als Verfahren, mit dem große Stückzahlen direkt verwendbarer Formteile kostengünstig hergestellt werden können. Gleichzeitig weist das Institut darauf hin, dass Prozess und Werkzeugtechnik je nach Bauteil sehr komplex ausfallen können.

Die Reproduzierbarkeit entsteht also nicht allein durch das Verfahren. Sie setzt ein geeignetes Werkzeug, einen beherrschten Prozess und eine laufende Qualitätssicherung voraus.

Bei der Spritzguss-Serienfertigung von BKT werden die ermittelten Fertigungsparameter gespeichert. Dadurch lassen sich freigegebene Bauteile auch bei späteren Abrufen unter vergleichbaren Bedingungen erneut produzieren.

Wie umfangreich die Prüfung sein muss, hängt vom Produkt ab. Bei einem einfachen Abstandshalter können wenige Maße und eine Sichtprüfung genügen. Bei einem Bauteil für die Automobilindustrie, Elektrotechnik oder Medizintechnik können zusätzliche Prüfmerkmale, dokumentierte Messungen und kundenspezifische Freigaben erforderlich sein.

Kurze Zykluszeiten und niedrige Stückkosten

Nach der Herstellung des Werkzeugs besteht der wesentliche wirtschaftliche Vorteil des Spritzgusses in der kurzen Fertigungszeit pro Bauteil. Während ein 3D-Drucker ein Teil über einen längeren Zeitraum Schicht für Schicht aufbaut, entsteht ein Spritzgussteil innerhalb eines wiederkehrenden Zyklus.

Dieser Zyklus umfasst mehrere Schritte:

1. Das Werkzeug schließt.
2. Die Kunststoffschmelze wird eingespritzt.
3. Das Material wird durch Nachdruck verdichtet.
4. Das Bauteil kühlt im Werkzeug ab.
5. Das Werkzeug öffnet.
6. Das fertige Teil wird entformt.

Bei vielen Bauteilen nimmt die Abkühlung einen großen Teil der Zykluszeit ein. Deshalb ist die Temperierung des Werkzeugs wirtschaftlich besonders relevant. Wird die Wärme schnell und gleichmäßig abgeführt, kann sich die Zykluszeit verkürzen. Gleichzeitig sinkt das Risiko von Verzug, Einfallstellen oder unterschiedlichen Bauteileigenschaften.

Auch die Zahl der Kavitäten beeinflusst die Ausbringung. Bei einem Werkzeug mit einer Kavität entsteht pro Zyklus ein Bauteil. Ein Werkzeug mit vier Kavitäten fertigt im gleichen Zyklus vier Teile. Die höhere Ausbringung kann die Stückkosten senken, erhöht jedoch die Investition in das Werkzeug und die Anforderungen an eine gleichmäßige Formfüllung.

Die niedrigsten Stückkosten entstehen daher nicht automatisch mit dem größtmöglichen Werkzeug. Das Werkzeugkonzept muss zur benötigten Menge, zur Maschinengröße, zur Lieferplanung und zur erwarteten Laufzeit passen.

Das VDI Zentrum Ressourceneffizienz betrachtet die gesamte Prozesskette des Spritzgießens und zeigt, dass bereits die Formteilauslegung Einfluss auf Materialeinsatz und Energiebedarf hat. Ein wirtschaftlicher Prozess beginnt somit lange vor dem ersten Produktionszyklus.

Neben der reinen Maschinenzeit wirken sich weitere Punkte auf die Stückkosten aus:

• Materialverbrauch und Bauteilgewicht
• Anguss und möglicher Materialverlust
• Ausschussquote
• Rüstaufwand
• Automatisierungsgrad
• Entnahme und Nachbearbeitung
• Prüfaufwand
• Verpackung und Logistik

Eine geringfügige konstruktive Anpassung kann über die gesamte Serienlaufzeit eine große Wirkung entfalten. Wird beispielsweise eine unnötige Materialanhäufung entfernt, sinkt nicht nur das Bauteilgewicht. Häufig verkürzt sich auch die Abkühlzeit.

Große Materialauswahl und vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten

Im Spritzguss können zahlreiche thermoplastische Kunststoffe verarbeitet werden. Dadurch lässt sich das Material auf den späteren Einsatz abstimmen. Möglich sind unter anderem harte, elastische, transparente, chemikalienbeständige, temperaturbeständige oder glasfaserverstärkte Werkstoffe.

Die Materialwahl beeinflusst viele Eigenschaften des fertigen Teils:

• Steifigkeit und Festigkeit
• Schlagzähigkeit
• Elastizität
• Temperaturbeständigkeit
• Chemikalienbeständigkeit
• Gleitverhalten
• Brandverhalten
• Farbe und Oberflächenwirkung
• Elektrische Eigenschaften

Gleichzeitig bietet der Spritzguss viele Möglichkeiten zur Funktionsintegration. Rippen können ein Bauteil versteifen. Dome nehmen Schrauben auf. Clips und Rastnasen ermöglichen eine Montage ohne zusätzliche Verbindungselemente. Beschriftungen, Logos oder Oberflächenstrukturen können direkt über das Werkzeug abgebildet werden.

Auch Einlegeteile aus Metall lassen sich umspritzen. Gewindebuchsen, Kontakte oder andere Funktionselemente werden dabei in das Werkzeug eingelegt und während des Spritzvorgangs mit dem Kunststoff verbunden. So kann aus mehreren Arbeitsschritten ein weitgehend integrierter Fertigungsprozess entstehen.

Beim Zwei-Komponenten-Spritzguss werden zwei Kunststoffe in einem Bauteil kombiniert. Ein typisches Beispiel ist die Verbindung eines festen Grundkörpers mit einer weichen Dichtlippe. Auch Griffflächen, Dämpfungselemente oder flexible Funktionsbereiche lassen sich auf diese Weise integrieren.

BKT setzt solche Hart-Weich-Verbindungen und Metall-Kunststoff-Verbindungen unter anderem für Anwendungen in der Automobilindustrie um. Durch die direkte Verbindung im Fertigungsprozess kann eine nachträgliche Montage entfallen oder deutlich vereinfacht werden.

Diese Gestaltungsfreiheit hat allerdings Grenzen. Jede integrierte Funktion muss fertigungsgerecht ausgelegt sein. Ein besonders komplexes Bauteil kann zwar mehrere Einzelteile ersetzen, gleichzeitig aber ein aufwendigeres Werkzeug und einen anspruchsvolleren Prozess benötigen.

Deshalb sollte die Funktionsintegration nicht zum Selbstzweck werden. Sie ist dann sinnvoll, wenn sie die Montage vereinfacht, Fehlerquellen reduziert, Bauraum spart oder die Gesamtfunktion verbessert.

Voraussetzungen für eine wirtschaftliche Spritzgussfertigung

Spritzguss ist besonders leistungsfähig, wenn die wesentlichen Projektgrundlagen geklärt sind. Dazu gehört zunächst eine ausreichend stabile Konstruktion. Solange sich Maße, Anschlussstellen oder die grundsätzliche Funktion regelmäßig ändern, besteht ein erhöhtes Risiko teurer Werkzeuganpassungen.

Vor dem Werkzeugbau sollten deshalb möglichst klare Antworten auf folgende Fragen vorliegen:

• Ist die Funktion des Bauteils geprüft?
• Sind Einbauraum und Schnittstellen bekannt?
• Steht der vorgesehene Werkstoff fest?
• Sind die wirklich notwendigen Toleranzen definiert?
• Ist die gewünschte Oberfläche beschrieben?
• Gibt es verbindliche Prüfmerkmale?
• Wie hoch sind Startmenge, Jahresbedarf und Gesamtbedarf?
• Welche Varianten werden benötigt?
• Wie soll das Teil geliefert und weiterverarbeitet werden?

Auch die Mengenerwartung sollte realistisch sein. Eine exakte Prognose ist nicht immer möglich. Für die Werkzeugauslegung reicht häufig bereits eine belastbare Spanne. Wichtig ist zu wissen, ob das Werkzeug einige Tausend Teile, mehrere Hunderttausend Teile oder eine noch größere Menge zuverlässig herstellen soll.

Eine weitere Voraussetzung ist die Bereitschaft, nicht nur den Werkzeugpreis zu betrachten. Ein geeignetes Serienwerkzeug muss zur geplanten Laufzeit passen, gut zu warten sein und stabile Zykluszeiten ermöglichen. Zu knapp ausgelegte Werkzeuge führen später möglicherweise zu Stillständen, Reparaturen oder erhöhtem Ausschuss.

Bei BKT werden die Anforderungen bereits in der Projektberatung gemeinsam betrachtet. So lässt sich vor der Investition klären, ob direkt ein Serienwerkzeug sinnvoll ist oder ob zunächst Prototypen, eine Vorserie oder ein einfacheres Werkzeug benötigt werden.

Der Spritzguss ist dann die richtige Entscheidung, wenn Konstruktion und Bedarf ausreichend gefestigt sind und die Vorteile der wiederholbaren Serienproduktion die anfängliche Investition rechtfertigen.

3D-Druck oder Spritzguss: Welche Faktoren entscheiden?

Die Entscheidung zwischen 3D-Druck und Spritzguss wird häufig auf die Stückzahl reduziert. Das greift zu kurz. Zwei Bauteile mit derselben Bestellmenge können aufgrund ihrer Größe, Geometrie, Oberfläche oder Materialanforderungen völlig unterschiedliche Fertigungswege benötigen.

Eine sinnvolle Bewertung betrachtet daher mehrere Faktoren gemeinsam. Erst aus ihrem Zusammenspiel ergibt sich, welches Verfahren für das konkrete Projekt die bessere Lösung darstellt.

Stückzahl und Wiederholbedarf

Bei kleinen Mengen hat der 3D-Druck einen offensichtlichen Vorteil: Es wird kein klassisches Formwerkzeug benötigt. Nach der Prüfung und Aufbereitung der 3D-Daten kann die Fertigung beginnen.

Der Spritzguss verursacht dagegen zunächst Kosten für Konstruktion, Werkzeugbau und Bemusterung. Mit steigender Gesamtmenge verteilen sich diese Anfangskosten jedoch auf immer mehr Bauteile. Gleichzeitig sinken die laufenden Fertigungskosten pro Teil.

Die entscheidende Größe ist deshalb nicht nur die erste Bestellung. Relevant ist der Bedarf über den gesamten betrachteten Zeitraum.

Ein Beispiel: Für einen ersten Markttest werden 150 Teile benötigt. Wenn unklar ist, ob das Produkt später weitergeführt wird, kann eine additive Kleinserie sinnvoll sein. Besteht dagegen bereits ein verbindlicher Auftrag über weitere 10.000 Teile, sollte der geplante Serienprozess von Anfang an berücksichtigt werden.

Auch unregelmäßige Bedarfe sprechen nicht automatisch gegen ein Werkzeug. Werden über mehrere Jahre immer wieder identische Teile abgerufen, kann sich Spritzguss trotz kleiner Einzelbestellungen rechnen.

Das Kunststoff-Zentrum SKZ ordnet additive Verfahren unter anderem bei Kleinserien, komplexen Strukturen und kurzen Entwicklungswegen ein. Für die Entscheidung bleibt jedoch entscheidend, wie oft und in welcher Gesamtmenge das Bauteil tatsächlich benötigt wird.

Auf der BKT Seite zur Spritzguss-Serienfertigung wird deutlich, dass sich Spritzguss je nach Bauteilkomplexität bereits bei vergleichsweise überschaubaren Mengen rechnen kann. Eine feste Stückzahl für alle Projekte gibt es dennoch nicht.

Bauteilgröße und Geometrie

Die Größe eines Bauteils beeinflusst beide Verfahren. Beim 3D-Druck begrenzen Bauraum, Bauhöhe und Fertigungszeit die Wirtschaftlichkeit. Ein großes Teil belegt viel Maschinenraum und benötigt häufig eine lange Druckzeit.

Beim Spritzguss bestimmen Bauteilgröße und benötigtes Schussgewicht unter anderem die Werkzeugabmessungen und die erforderliche Maschinengröße. Große projizierte Flächen benötigen eine entsprechend hohe Schließkraft, damit das Werkzeug während des Einspritzens geschlossen bleibt.

Auch die Geometrie wird in beiden Verfahren unterschiedlich bewertet.

Der 3D-Druck ermöglicht beispielsweise:

• Innenliegende Kanäle
• Komplexe Hohlräume
• Gitterstrukturen
• Individuelle Varianten
• Geometrien ohne klassische Entformungsrichtung

Im Spritzguss muss das Bauteil nach dem Abkühlen aus dem Werkzeug entnommen werden können. Hinterschneidungen, seitliche Öffnungen und innenliegende Konturen können dafür Schieber, Kerne oder andere bewegliche Werkzeugelemente erfordern.

Das bedeutet nicht, dass komplexe Teile grundsätzlich ungeeignet für den Spritzguss sind. Viele anspruchsvolle Geometrien lassen sich zuverlässig herstellen. Die Komplexität muss jedoch konstruktiv und im Werkzeugkonzept berücksichtigt werden.

Das Fraunhofer IPT betont bei Kunststoffbauteilen den Zusammenhang zwischen Werkzeugqualität, Formgenauigkeit, Oberfläche und Herstellkosten. Gerade bei anspruchsvollen Geometrien darf daher nicht nur das Bauteil selbst betrachtet werden.

Materialeigenschaften und Belastung

Das spätere Einsatzmaterial kann die Entscheidung stark beeinflussen. Für viele 3D-Druckverfahren steht eine gute Auswahl technischer Werkstoffe zur Verfügung. Trotzdem entspricht ein gedrucktes Material nicht automatisch dem späteren Spritzgusswerkstoff.

Unterschiede können sich zeigen bei:

• Festigkeit
• Bruchdehnung
• Temperaturbeständigkeit
• Chemikalienbeständigkeit
• UV-Beständigkeit
• Dichtigkeit
• Langzeitverhalten
• Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften

Ein 3D-gedruckter Prototyp kann geometrisch passen und trotzdem ein anderes Verhalten zeigen als das spätere Spritzgussteil. Das gilt besonders bei Rastfunktionen, dauerhafter Belastung, Dichtflächen oder thermisch beanspruchten Bauteilen.

Für frühe Versuche muss das kein Problem sein. Wichtig ist, dass der Zweck des Prototyps klar definiert wird. Soll nur die Einbausituation geprüft werden, kann ein abweichender Werkstoff ausreichen. Soll das Bauteil dagegen eine reale Dauerbelastung bestehen, muss das Material deutlich näher an den späteren Anforderungen liegen.

Manchmal wird gerade deshalb eine kleine Vorserie im Spritzguss gefertigt. Ein einfacheres Werkzeug ermöglicht dann Bauteile aus dem vorgesehenen Serienwerkstoff, bevor in ein dauerhaftes Serienwerkzeug investiert wird.

Oberflächenqualität und Toleranzen

Die gewünschte Oberfläche ist ein weiterer wichtiger Unterschied. Je nach 3D-Druckverfahren können Schichtlinien, eine leicht raue Oberfläche oder Spuren von Stützstrukturen sichtbar bleiben. Durch Schleifen, Strahlen, Färben, Lackieren oder Beschichten lässt sich das Ergebnis verbessern. Diese Schritte verursachen jedoch zusätzlichen Aufwand.

Der Spritzguss bildet die Oberfläche des Werkzeugs ab. Eine polierte Kavität kann eine glänzende Oberfläche erzeugen. Eine eingebrachte Struktur kann das Bauteil mattieren oder ihm eine definierte Haptik geben.

Auch hier gilt: Die gewünschte Oberfläche muss früh beschrieben werden. Begriffe wie „hochwertig“ oder „sauber“ reichen für eine technische Abstimmung nicht aus.

Hilfreich sind Referenzteile, Vergleichsmuster oder konkrete Angaben zu:

• Glanzgrad
• Struktur
• Farbe
• Sichtbaren Trennlinien
• Zulässigen Anspritzpunkten
• Nachbearbeitung
• Bedruckung oder Lackierung

Bei den Toleranzen sollte zwischen funktional notwendigen und lediglich gewünschten Werten unterschieden werden. Zu enge Vorgaben können beide Verfahren verteuern. Im 3D-Druck steigt möglicherweise der Prüfaufwand oder es wird eine mechanische Nachbearbeitung nötig. Im Spritzguss können Werkzeugpräzision, Prozessführung und Materialschwindung höhere Anforderungen verursachen.

Für Bauteile, die nach der Fertigung lackiert, bedruckt, montiert oder konfektioniert werden sollen, kann die BKT Leistung Veredelung und Verpackung bereits in die Projektplanung einbezogen werden.

Entwicklungszeit und Änderungswahrscheinlichkeit

Wenn sich eine Konstruktion noch häufig ändert, ist der 3D-Druck meistens im Vorteil. Das digitale Modell kann angepasst und eine neue Variante ohne Änderung eines klassischen Werkzeugs hergestellt werden.

Diese Flexibilität ist besonders in frühen Entwicklungsphasen wertvoll. Sie ermöglicht es, mehrere Lösungen zu vergleichen und Erkenntnisse aus realen Versuchen direkt in die nächste Version einfließen zu lassen.

Beim Spritzguss verlängern Werkzeugkonstruktion, Werkzeugbau und Bemusterung den Weg zum ersten Serienteil. Dafür steht nach der Freigabe ein leistungsfähiger Prozess für wiederkehrende Mengen zur Verfügung.

Die Wahl hängt daher auch vom aktuellen Reifegrad des Produkts ab:

• Ist die Geometrie noch offen, spricht vieles für 3D-Druck.
• Sind nur kleinere Details offen, kann der Werkzeugbau möglicherweise bereits vorbereitet werden.
• Ist das Bauteil freigegeben und der Mengenbedarf bestätigt, gewinnt der Spritzguss an Bedeutung.

In zeitkritischen Projekten können beide Verfahren parallel eingesetzt werden. Erste Teile entstehen additiv, während Konstruktion und Bau des Spritzgusswerkzeugs bereits laufen. Das verkürzt nicht automatisch jeden Terminplan, kann aber eine frühere Bemusterung, Präsentation oder Markterprobung ermöglichen.

Werkzeugkosten, Stückkosten und Gesamtkosten

Der Vergleich einzelner Stückpreise führt häufig zu falschen Ergebnissen. Beim 3D-Druck sind die anfänglichen Kosten meist gering, während jedes weitere Teil erneut Maschinenzeit beansprucht. Beim Spritzguss entsteht zunächst die Werkzeugkosteninvestition, anschließend können die laufenden Stückkosten deutlich niedriger ausfallen.

Für einen belastbaren Vergleich sollten mindestens folgende Kosten berücksichtigt werden:

• Aufbereitung oder Erstellung der CAD-Daten
• Prototypen und Entwicklungsschleifen
• Werkzeug oder Fertigungsvorrichtungen
• Material
• Maschinenzeit
• Nachbearbeitung
• Prüfung und Dokumentation
• Montage
• Verpackung
• Lagerhaltung
• Ersatzteilversorgung
• Mögliche spätere Änderungen

Auch der Zeitpunkt der Kosten spielt eine Rolle. Ein Werkzeug bindet zu Beginn mehr Kapital. Der 3D-Druck verteilt die Fertigungskosten stärker auf die einzelnen Abrufe. Für ein junges Produkt mit unsicherer Nachfrage kann das ein Vorteil sein, selbst wenn der einzelne Druck später teurer ist.

Bei einer stabilen, lang laufenden Serie zählt dagegen die Summe über die gesamte Produktionszeit. Ein Unterschied von wenigen Cent oder Euro pro Bauteil kann sich bei großen Mengen stärker auswirken als die anfängliche Werkzeugkosteninvestition.

Eine gute Entscheidung beantwortet deshalb nicht nur die Frage nach dem günstigsten ersten Bauteil. Sie betrachtet den gesamten Weg vom Prototyp bis zum letzten benötigten Ersatzteil.

Der Übergang vom Prototyp zur Serienfertigung

Ein erfolgreicher Prototyp ist ein wichtiger Meilenstein. Er ist aber noch keine Garantie dafür, dass das Bauteil unverändert in Serie gefertigt werden kann.

Zwischen einem funktionsfähigen Muster und einem stabilen Serienprozess liegen mehrere Schritte. Die Erkenntnisse aus Tests müssen ausgewertet, die Konstruktion an das vorgesehene Fertigungsverfahren angepasst und die späteren Qualitätsmerkmale abgesichert werden.

Erkenntnisse aus Prototypen gezielt nutzen

Ein Prototyp sollte immer eine konkrete Frage beantworten. Sonst besteht die Gefahr, dass zwar ein anschauliches Muster entsteht, daraus aber keine belastbare Entscheidung für das weitere Projekt abgeleitet werden kann.

Je nach Entwicklungsstand können unterschiedliche Punkte geprüft werden:

• Passt das Bauteil in den vorgesehenen Bauraum?
• Funktioniert die Montage?
• Sind Bedienelemente gut erreichbar?
• Halten Rastnasen und Clips der vorgesehenen Bewegung stand?
• Entspricht die Haptik den Erwartungen?
• Sind Wandstärken und Verstärkungen ausreichend?
• Entstehen Kollisionen mit anderen Komponenten?
• Lässt sich das Produkt warten oder demontieren?

Die Ergebnisse sollten nicht nur mündlich festgehalten werden. Sinnvoll ist eine klare Dokumentation, in der jede geprüfte Variante, die beobachtete Abweichung und die daraus abgeleitete Änderung erfasst werden.

Ein Beispiel: Bei einem Gehäuse zeigt der Einbauversuch, dass ein Stecker nur schwer erreichbar ist. Die Position wird im CAD-Modell verändert und mit einem zweiten Prototyp überprüft. Erst nach erfolgreichem Test wird diese Geometrie für den Werkzeugbau freigegeben.

Die Musterfertigung von BKT dient genau diesem Zweck. Ein reales Bauteil macht sichtbar, wo Konstruktion, Passform oder Bedienung noch verbessert werden können, bevor die kostenintensivere Serienumsetzung beginnt.

Konstruktion für den Spritzguss optimieren

Ein additiv gefertigter Prototyp folgt anderen Fertigungsregeln als ein Spritzgussteil. Für den Übergang in die Serie muss die Konstruktion deshalb überprüft und gegebenenfalls angepasst werden.

Typische Themen sind:

• Gleichmäßige Wandstärken
• Entformungsschrägen
• Radien und Übergänge
• Position und Ausführung von Rippen
• Gestaltung von Schraubdomen
• Trennebene des Werkzeugs
• Anspritzung
• Auswerferpositionen
• Hinterschneidungen
• Materialschwindung

Manche Änderungen sind von außen kaum sichtbar, haben für die spätere Produktion aber eine große Bedeutung. Eine kleine Entformungsschräge kann verhindern, dass das Bauteil beim Öffnen des Werkzeugs beschädigt wird. Ein angepasster Übergang zwischen zwei Wandstärken kann Einfallstellen und Verzug reduzieren.

Auch die Position von Rippen und Domen muss geprüft werden. Zu massive Bereiche kühlen langsamer ab und können sich an der gegenüberliegenden Sichtfläche abzeichnen. Zu dünne Strukturen werden möglicherweise nicht vollständig gefüllt.

Bei der 3D-CAD-Konstruktion von BKT können solche Anforderungen bereits vor dem Werkzeugbau berücksichtigt werden. Das Ziel ist nicht, die ursprüngliche Idee unnötig zu verändern. Die Konstruktion soll so angepasst werden, dass Funktion und Gestaltung in einem stabilen Serienprozess umsetzbar sind.

Material und Bauteilverhalten prüfen

Der Prototypenwerkstoff und der spätere Serienwerkstoff können sich deutlich unterscheiden. Deshalb müssen Testergebnisse richtig eingeordnet werden.

Ein gedrucktes Muster kann beispielsweise zeigen, dass die Abmessungen stimmen und die Montage funktioniert. Ob das spätere Bauteil nach mehreren Jahren unter Temperatur, Feuchtigkeit oder mechanischer Belastung dieselben Eigenschaften behält, lässt sich daraus nicht automatisch ableiten.

Vor der Serienfreigabe sollten deshalb die für den Einsatz relevanten Eigenschaften geprüft werden. Dazu können gehören:

• Statische Belastung
• Wiederholte Betätigung
• Temperaturwechsel
• Kontakt mit Chemikalien oder Reinigungsmitteln
• UV-Belastung
• Dichtigkeit
• Verschleiß
• Maßänderung durch Feuchtigkeitsaufnahme
• Montage mit den tatsächlichen Gegenbauteilen

Das Fraunhofer IWS zeigt am Beispiel skalierbarer Kunststoffprodukte, warum Anforderungen verschiedener Herstellungsverfahren bereits in der Planungsphase berücksichtigt werden sollten. So lässt sich vermeiden, dass ein Produkt beim Wechsel von der Prototypenfertigung zur Serie konstruktiv noch einmal vollständig neu begonnen werden muss.

Für kritische Anwendungen kann es sinnvoll sein, erste Teile aus dem tatsächlichen Serienmaterial zu fertigen. Dafür kommen je nach Projekt einfache Aluminiumwerkzeuge, Prototypenwerkzeuge oder spezielle Werkzeugeinsätze infrage.

Vorserie und Bemusterung absichern

Wenn das Werkzeug fertiggestellt ist, beginnt nicht sofort die reguläre Serienlieferung. Zunächst wird das Werkzeug bemustert. Dabei werden erste Teile unter definierten Bedingungen hergestellt und geprüft.

Während der Bemusterung zeigt sich unter anderem:

• Ob das Werkzeug vollständig gefüllt wird
• Ob Luft oder Gase sicher entweichen können
• Ob Bindenähte an kritischen Stellen entstehen
• Ob das Bauteil ohne Beschädigung entformt wird
• Ob Maße und Toleranzen eingehalten werden
• Ob Oberfläche und Farbe den Vorgaben entsprechen
• Ob der Prozess stabil wiederholt werden kann

Die ersten Teile können Hinweise auf notwendige Werkzeugkorrekturen geben. Möglicherweise muss eine Kontur angepasst, die Entlüftung verbessert oder ein Maß nachgearbeitet werden. Solche Korrekturen sind ein normaler Teil der Industrialisierung, besonders bei komplexen Bauteilen.

Nach erfolgreicher Optimierung werden Teile unter seriennahen Bedingungen gefertigt. Je nach Branche und Kundenanforderung erfolgt anschließend eine formale Freigabe.

Der VDA Band 2 zur Produktionsprozess- und Produktfreigabe beschreibt für die Automobilindustrie, wie die Qualitätsfähigkeit eines Prozesses unter Serienbedingungen und die Konformität des Produkts anhand von Dokumenten, Aufzeichnungen und Mustern nachgewiesen werden.

Nicht jedes Kunststoffprojekt benötigt ein vollständiges Verfahren nach VDA Vorgaben. Das Grundprinzip ist dennoch übertragbar: Vor dem Serienstart sollte nachgewiesen sein, dass nicht nur ein einzelnes gutes Muster, sondern der vorgesehene Produktionsprozess zuverlässig passende Teile liefert.

BKT verbindet den eigenen Werkzeugbau und Formenbau mit der anschließenden Serienproduktion. Dadurch können Erkenntnisse aus der Bemusterung direkt in Werkzeug und Prozess einfließen.

Den richtigen Zeitpunkt für den Verfahrenswechsel bestimmen

Der Wechsel vom 3D-Druck zum Spritzguss sollte weder unnötig früh noch unnötig spät erfolgen.

Ein früher Werkzeugbau kann sinnvoll sein, wenn die Konstruktion stabil ist und die benötigte Menge feststeht. Wird das Werkzeug dagegen bestellt, obwohl wesentliche Funktionen noch ungeprüft sind, steigt das Risiko späterer Änderungen.

Ein zu später Wechsel kann ebenfalls teuer werden. Werden bereits größere wiederkehrende Mengen additiv gefertigt, obwohl das Bauteil längst serienreif ist, können die laufenden Stückkosten den wirtschaftlichen Vorteil der werkzeuglosen Fertigung aufzehren.

Für den Wechsel sprechen typischerweise folgende Anzeichen:

• Die grundlegende Geometrie ist freigegeben.
• Einbau und Funktion wurden geprüft.
• Der Serienwerkstoff ist festgelegt.
• Die Mengenerwartung rechtfertigt ein Werkzeug.
• Die Varianten sind bekannt.
• Qualitätsmerkmale und Toleranzen sind definiert.
• Der Termin für die Serienlieferung steht fest.

Es muss trotzdem keinen harten Schnitt geben. Während das Werkzeug gebaut und bemustert wird, kann der 3D-Druck weiterhin Teile für Tests, Präsentationen oder erste Kundenbedarfe liefern. Beide Verfahren übernehmen dann für eine begrenzte Zeit unterschiedliche Aufgaben im selben Projekt.

Warum die wirtschaftlichste Lösung häufig aus mehreren Verfahren besteht

3D-Druck, Formenbau und Spritzguss werden oft getrennt kalkuliert und beauftragt. Für ein Kunststoffprojekt ist jedoch nicht entscheidend, welches einzelne Verfahren am meisten kann. Entscheidend ist, wie die Verfahren sinnvoll aufeinander aufbauen.

Eine durchgängige Fertigungsstrategie nutzt den 3D-Druck dort, wo Geschwindigkeit und Flexibilität gefragt sind. Der Formenbau schafft anschließend die Grundlage für die geplante Serie. Der Spritzguss übernimmt die wiederkehrende Produktion, während additive Verfahren später weiterhin Sonderaufgaben erfüllen können.

3D-Druck für Entwicklung und erste Bauteile

In frühen Projektphasen geht es häufig darum, schnell zu lernen. Passt das Bauteil? Funktioniert die Montage? Ist die Form verständlich? Sind Anschlüsse und Bedienelemente richtig positioniert?

Für solche Fragen muss nicht sofort ein Werkzeug gebaut werden. Additiv gefertigte Modelle können innerhalb kurzer Zeit konkrete Antworten liefern.

Der 3D-Druck eignet sich in dieser Phase unter anderem für:

• Anschauungsmuster
• Einbaumuster
• Funktionsprototypen
• Variantenvergleiche
• Montageversuche
• Kundenpräsentationen
• Erste Feldtests

Auch erste verkaufsfähige Teile können additiv entstehen, sofern Material, Qualität und Wirtschaftlichkeit zum Anwendungsfall passen. Das kann einen früheren Markteintritt ermöglichen oder die Zeit bis zur Verfügbarkeit des Serienwerkzeugs überbrücken.

BKT bietet dafür verschiedene additive Verfahren an. Das selektive Lasersintern eignet sich beispielsweise für belastbare Prototypen und Kleinserien mit komplexen Geometrien. Für feine Details und hochwertige Modelloberflächen kann die Stereolithografie interessant sein.

Formenbau passend zur geplanten Seriengröße

Nach der konstruktiven Absicherung stellt sich die Frage, welches Werkzeug für den nächsten Projektschritt benötigt wird. Nicht jedes Produkt muss sofort mit einem aufwendigen Serienwerkzeug starten.

Je nach Bedarf kommen unterschiedliche Konzepte infrage:

• Einfache Prototypenwerkzeuge
• Werkzeuge aus Aluminium
• Werkzeuge mit additiv gefertigten Einsätzen
• Stahlwerkzeuge für kleinere und mittlere Serien
• Gehärtete Serienwerkzeuge mit hoher Standzeit
• Werkzeuge mit mehreren Kavitäten
• Werkzeuge mit Wechsel- oder Varianteinsätzen

Ein einfaches Werkzeug kann sinnvoll sein, wenn zunächst eine Vorserie aus dem späteren Originalmaterial benötigt wird. Es ermöglicht realitätsnahe Prüfungen, ohne bereits jede Anforderung einer langjährigen Großserie abzubilden.

Sobald Mengenbedarf und Produktlaufzeit feststehen, kann das Werkzeug gezielt darauf ausgelegt werden. Ein höherer Anfangsaufwand ist dann sinnvoll, wenn dadurch Zykluszeit, Prozesssicherheit, Wartung und Lieferfähigkeit über viele Jahre verbessert werden.

Im Werkzeugbau und Formenbau von BKT können sowohl einfache Werkzeugkonzepte als auch Serienwerkzeuge mit Schiebern, mehreren Kavitäten oder besonderen Entformungsfunktionen umgesetzt werden.

Spritzguss für die laufende Produktion

Ist das Bauteil freigegeben und das Werkzeug bemustert, übernimmt der Spritzguss die laufende Fertigung. Seine Aufgabe ist nun nicht mehr die schnelle Veränderung einzelner Varianten, sondern die zuverlässige Wiederholung des bestätigten Ergebnisses.

Der Serienprozess wird auf folgende Ziele ausgerichtet:

• Gleichbleibende Bauteilqualität
• Stabile Zykluszeiten
• Geringer Ausschuss
• Planbare Liefermengen
• Nachvollziehbare Prozessparameter
• Wirtschaftlicher Materialeinsatz

Je nach Produkt kann sich an die eigentliche Fertigung eine weitere Prozesskette anschließen. Teile werden beispielsweise bedruckt, lackiert, montiert, gekennzeichnet oder kundenspezifisch verpackt.

Wird dieser Schritt bereits bei der Konstruktion berücksichtigt, lassen sich spätere Abläufe vereinfachen. Positionierhilfen, Montagepunkte, Rastverbindungen oder geeignete Oberflächen können direkt in das Bauteil integriert werden.

BKT verbindet die Serienfertigung im Spritzguss mit der anschließenden Veredelung, Montage und Verpackung. Dadurch kann statt eines einzelnen Kunststoffteils eine einbaufertige oder verkaufsfertig konfektionierte Lösung entstehen.

3D-Druck als Ergänzung bei Ersatzteilen und Sondervarianten

Mit dem Start der Spritzgussserie verliert der 3D-Druck nicht automatisch seine Bedeutung. Er kann weiterhin Aufgaben übernehmen, für die eine Änderung oder Erweiterung des Serienwerkzeugs unverhältnismäßig wäre.

Dazu gehören beispielsweise:

• Selten benötigte Sondervarianten
• Individuelle Kundenanpassungen
• Ersatzteile nach dem Ende der Serie
• Montagehilfen
• Prüfaufnahmen
• Greifer und Vorrichtungen
• Versuchsteile für eine Produktweiterentwicklung

Ein Serienwerkzeug ist auf eine definierte Geometrie ausgelegt. Für fünf Sonderteile pro Jahr lohnt sich ein zusätzlicher Werkzeugeinsatz möglicherweise nicht. Sind die Anforderungen mit einem additiven Werkstoff erfüllbar, kann der 3D-Druck diese kleine Menge flexibel abdecken.

Auch bei älteren Produkten ist der digitale Fertigungsweg interessant. Liegen keine CAD-Daten mehr vor, kann ein vorhandenes Muster vermessen und als digitales Modell neu aufgebaut werden. Anschließend lässt sich prüfen, ob das Ersatzteil additiv gefertigt oder als Grundlage für ein neues Werkzeug verwendet wird.

Die Kombination verhindert, dass jede seltene Variante die Serienproduktion belastet. Das Spritzgusswerkzeug bleibt auf die wirtschaftlich relevante Hauptmenge ausgerichtet, während Sonderbedarfe einen eigenen Fertigungsweg erhalten.

Hybride Fertigungsstrategien über den Produktlebenszyklus

Eine hybride Fertigungsstrategie bedeutet nicht zwingend, dass zwei Verfahren gleichzeitig an demselben Bauteil arbeiten. Häufig besteht die Kombination darin, für jede Phase des Produktlebenszyklus das passende Verfahren einzusetzen.

Ein möglicher Ablauf sieht so aus:

1. Die erste Idee wird als 3D-Modell konstruiert.
2. Mehrere Prototypen werden additiv gefertigt und getestet.
3. Eine kleine Vorserie entsteht aus dem vorgesehenen Serienmaterial.
4. Nach der Freigabe wird ein dauerhaftes Spritzgusswerkzeug gebaut.
5. Die Hauptmenge wird im Spritzguss produziert.
6. Sondervarianten und Produktionshilfen entstehen weiterhin im 3D-Druck.
7. Nach dem Serienende werden seltene Ersatzteile bei Bedarf additiv gefertigt.

Darüber hinaus können Verfahren auch technisch direkt miteinander verbunden werden. Das Fraunhofer IPA untersucht hybride Fertigungsketten, in denen konventionelle und additive Prozesse ihre jeweiligen Stärken einbringen. Ziel ist es unter anderem, hohe Produktivität mit zusätzlichen Funktionen und komplexen Geometrien zu verbinden.

Auch im Werkzeugbau gibt es solche Überschneidungen. Additiv gefertigte Werkzeugeinsätze können für Prototypen oder kleine Serien eingesetzt werden. Metallisch gedruckte Einsätze ermöglichen zudem Kühlkanäle, die näher an der Bauteilkontur verlaufen, als dies mit klassischen Bohrungen möglich wäre.

Für den Kunden zählt am Ende nicht, wie viele Verfahren beteiligt waren. Entscheidend ist, dass das Bauteil zum richtigen Zeitpunkt, in der geforderten Qualität und zu vertretbaren Gesamtkosten verfügbar ist.

Genau darin liegt der Vorteil einer durchgängigen Betrachtung: 3D-Druck, Formenbau und Spritzguss werden nicht gegeneinander ausgespielt. Sie werden so kombiniert, dass jeder Projektschritt mit dem dafür geeigneten Verfahren umgesetzt wird.

Welche Fehler Kunststoffprojekte unnötig teuer machen

Viele Mehrkosten entstehen nicht erst an der Spritzgussmaschine. Ihre Ursache liegt häufig deutlich früher: Anforderungen bleiben unklar, die Konstruktion wird ohne Blick auf das spätere Fertigungsverfahren erstellt oder die Beteiligten stimmen sich erst dann ab, wenn wichtige Entscheidungen bereits getroffen wurden.

Solche Fehler lassen sich nicht in jedem Projekt vollständig vermeiden. Sie können aber deutlich reduziert werden, wenn Konstruktion, Materialauswahl, Musterfertigung, Werkzeugbau und Serienproduktion als zusammenhängender Prozess betrachtet werden.

Die Deutsche Gesellschaft für Qualität weist darauf hin, dass Qualität bereits im Produktdesign entsteht und Fehler umso kostengünstiger behoben werden können, je früher sie erkannt werden. Für Kunststoffteile gilt das in besonderem Maße. Eine Änderung im CAD-Modell ist meist unkompliziert. Eine Änderung an einem fertigen Spritzgusswerkzeug kann dagegen erheblichen Aufwand verursachen.

Zu frühe Festlegung auf ein Fertigungsverfahren

Manche Projekte starten mit einer bereits feststehenden Lösung: Das Teil soll unbedingt gedruckt werden, weil kein Werkzeug gewünscht ist. Oder es soll sofort im Spritzguss entstehen, weil später eine größere Menge erwartet wird.

Eine solche Vorgabe kann richtig sein. Problematisch wird sie, wenn die Entscheidung getroffen wurde, bevor Funktion, Stückzahl, Material und Produktlebensdauer ausreichend geklärt sind.

Ein Beispiel: Für ein neues technisches Gerät werden zunächst 200 Gehäuse benötigt. Da die Stückzahl niedrig erscheint, wird der 3D-Druck gewählt. Nach wenigen Monaten steigt der Bedarf auf mehrere Tausend Stück. Die bisherige Konstruktion ist allerdings nicht spritzgussgerecht. Wandstärken, Hinterschneidungen und Befestigungspunkte müssen überarbeitet werden. Ein Teil der bisherigen Entwicklungsarbeit beginnt erneut.

Auch die umgekehrte Situation kommt vor. Ein Unternehmen investiert früh in ein Serienwerkzeug. Nach den ersten Anwendungstests zeigt sich, dass das Produkt noch grundlegende Änderungen benötigt. Das Werkzeug muss aufwendig angepasst oder teilweise neu gefertigt werden.

Vor der Verfahrensentscheidung sollten deshalb mindestens folgende Punkte bekannt sein:

• Funktion des Bauteils
• Vorgesehener Einsatzbereich
• Erwartete Stückzahlen
• Wahrscheinlichkeit späterer Änderungen
• Gewünschter Serienwerkstoff
• Anforderungen an Oberfläche und Toleranzen
• Zeitplan bis zur ersten Lieferung
• Geplante Produktlebensdauer

Fehlen wichtige Angaben, sollte zunächst ein flexibler Entwicklungsschritt gewählt werden. Das kann ein 3D-gedrucktes Muster, eine kleine Testserie oder eine konstruktive Machbarkeitsprüfung sein.

In der Beratung von BKT wird deshalb nicht nur geprüft, ob ein Bauteil grundsätzlich herstellbar ist. Im Mittelpunkt steht auch die Frage, welcher Fertigungsweg zur aktuellen Projektphase und zur erwarteten Entwicklung des Produkts passt.

Unklare Anforderungen und fehlende Mengenszenarien

Beschreibungen wie „möglichst stabil“, „optisch hochwertig“ oder „für eine größere Serie“ reichen für eine belastbare Fertigungsplanung nicht aus. Was für eine Person stabil oder hochwertig ist, kann von einer anderen völlig anders bewertet werden.

Je genauer die Anforderungen beschrieben sind, desto besser lassen sich Material, Konstruktion, Werkzeug und Prüfverfahren darauf abstimmen.

Statt „temperaturbeständig“ sollte beispielsweise angegeben werden:

• Welche Mindesttemperatur tritt auf?
• Welche Höchsttemperatur tritt auf?
• Wie lange wirkt die Temperatur auf das Bauteil ein?
• Handelt es sich um eine dauerhafte oder kurzfristige Belastung?
• Tritt die Temperatur gemeinsam mit mechanischer Belastung auf?

Auch die Angabe der Stückzahl sollte nicht nur die erste Bestellung umfassen. Für die wirtschaftliche Bewertung sind mehrere Szenarien hilfreich:

• Menge für Prototypen und Tests
• Menge für die Markteinführung
• Voraussichtlicher Jahresbedarf
• Möglicher Höchstbedarf
• Geplante Laufzeit des Produkts
• Bedarf an Ersatzteilen
• Anzahl möglicher Varianten

Es ist nicht notwendig, jede Menge exakt vorherzusagen. Eine realistische Spanne ist meist hilfreicher als eine scheinbar genaue Zahl, die auf unsicheren Annahmen beruht.

Zur systematischen Absicherung von Entwicklungsprojekten können Methoden wie die Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse eingesetzt werden. Die DGQ beschreibt die FMEA als ein Werkzeug, mit dem mögliche Fehler, ihre Ursachen und ihre Folgen frühzeitig untersucht werden. Der Umfang einer solchen Analyse hängt vom Bauteil und von dessen Einsatz ab. Das Grundprinzip ist jedoch auch für kleinere Projekte nützlich: Was könnte schiefgehen, welche Folgen hätte das und wie lässt sich das Risiko vor der Serie reduzieren?

Konstruktion ohne Berücksichtigung der späteren Fertigung

Ein Bauteil kann am Bildschirm überzeugend aussehen und seine vorgesehene Funktion erfüllen. Trotzdem kann es für den Spritzguss ungeeignet oder nur mit einem unnötig aufwendigen Werkzeug herstellbar sein.

Typische konstruktive Ursachen für vermeidbare Mehrkosten sind:

• Starke Unterschiede bei den Wandstärken
• Fehlende Entformungsschrägen
• Unnötige Hinterschneidungen
• Ungünstig angeordnete Rippen und Dome
• Zu enge Toleranzen
• Schwer erreichbare Innenkonturen
• Ungeeignete Trennebenen
• Unrealistische Oberflächenanforderungen
• Fehlender Platz für Anspritzung und Auswerfer

Ein häufiger Fehler besteht darin, eine Konstruktion zunächst vollständig ohne Beteiligung des späteren Fertigungspartners auszuarbeiten. Erst danach wird geprüft, wie sie produziert werden kann.

Oft lassen sich durch kleine Änderungen erhebliche Vereinfachungen erreichen. Wird eine seitliche Öffnung geringfügig versetzt, kann möglicherweise ein Schieber entfallen. Wird eine massive Wand durch Rippen ersetzt, sinken Materialeinsatz und Abkühlzeit. Wird eine unnötig enge Toleranz angepasst, kann der Prozess stabiler werden.

Bei der 3D-CAD-Konstruktion von BKT werden deshalb nicht nur Form und Funktion betrachtet. Auch die spätere Werkzeugherstellung, Entformung, Materialschwindung und wirtschaftliche Fertigung fließen in die Ausarbeitung ein.

Betrachtung des Stückpreises statt der Gesamtkosten

Der Stückpreis ist leicht vergleichbar. Gerade deshalb erhält er bei der Lieferantenauswahl oft besonders viel Aufmerksamkeit. Für die tatsächliche Wirtschaftlichkeit eines Kunststoffprojekts reicht er jedoch nicht aus.

Ein Angebot kann einen niedrigen Teilepreis enthalten, aber hohe Werkzeugkosten, lange Lieferzeiten oder zusätzlichen Aufwand für Montage und Prüfung verursachen. Ein anderes Angebot weist möglicherweise einen etwas höheren Stückpreis aus, enthält dafür aber bereits Nachbearbeitung, Qualitätssicherung oder kundenspezifische Verpackung.

Zu den Gesamtkosten können gehören:

• Konstruktion und Datenaufbereitung
• Muster und Funktionsprüfungen
• Werkzeugherstellung
• Werkzeugänderungen
• Material
• Fertigungszeit
• Rüstkosten
• Ausschuss
• Nachbearbeitung
• Veredelung
• Montage
• Prüfung und Dokumentation
• Verpackung und Transport
• Lagerhaltung
• Werkzeugwartung
• Ersatzteilversorgung

Auch ein früherer Liefertermin kann wirtschaftlich relevant sein. Erlaubt eine additive Vorserie einen früheren Markteintritt, kann ihr höherer Teilepreis durch den zeitlichen Vorteil gerechtfertigt sein.

Bei einer lang laufenden Serie ist dagegen häufig die Prozessleistung entscheidend. Eine kürzere Zykluszeit, weniger Ausschuss oder eine integrierte Montagefunktion können über die gesamte Produktionsmenge größere Einsparungen bewirken als ein niedrigerer Werkzeugpreis.

Getrennte Abstimmung von Konstruktion, Werkzeugbau und Produktion

Wenn Konstruktion, Werkzeugbau und Serienfertigung von unterschiedlichen Unternehmen durchgeführt werden, kann ein Projekt trotzdem erfolgreich verlaufen. Voraussetzung ist jedoch eine klare Abstimmung der Verantwortlichkeiten und technischen Schnittstellen.

Probleme entstehen vor allem dann, wenn Informationen nur teilweise weitergegeben werden. Der Werkzeugbauer kennt möglicherweise nicht alle Funktionsanforderungen. Der spätere Spritzgießer war an der Werkzeugauslegung nicht beteiligt. Änderungen am Bauteil werden nicht vollständig dokumentiert oder erreichen nicht alle Beteiligten.

Typische Folgen sind:

• Rückfragen und zusätzliche Abstimmungsschleifen
• Unklare Zuständigkeiten bei Abweichungen
• Werkzeugkonzepte, die nicht optimal zur Produktionsmaschine passen
• Verlust wichtiger Erkenntnisse aus der Bemusterung
• Spätere Änderungen an Bauteil und Werkzeug
• Verzögerungen beim Serienstart

Eine durchgängige Prozessverantwortung erleichtert den Informationsfluss. Erkenntnisse aus der Musterfertigung können direkt in die Konstruktion einfließen. Erfahrungen aus dem Werkzeugbau werden bei der Serienplanung berücksichtigt. Beobachtungen aus der Produktion können wiederum für Werkzeugpflege und spätere Produktänderungen genutzt werden.

BKT verbindet Konstruktion, Werkzeugbau und Spritzguss-Serienfertigung innerhalb einer Prozesskette. Dadurch bleibt das Projektwissen über die verschiedenen Fertigungsstufen hinweg erhalten.

So entsteht bei BKT der passende Fertigungsweg

Ein wirtschaftlicher Fertigungsweg lässt sich nicht aus einer allgemeinen Tabelle ablesen. Er entsteht aus den konkreten Anforderungen des Bauteils und aus der Frage, in welcher Phase sich das Projekt befindet.

Manche Kunden kommen mit einer ersten Idee oder einem vorhandenen Musterteil zu BKT. Andere verfügen bereits über vollständige CAD-Daten und benötigen ein Spritzgusswerkzeug. Wieder andere suchen einen Partner, der eine laufende Serie übernimmt, ein bestehendes Werkzeug optimiert oder eine Baugruppe montagefertig liefert.

Der Projektablauf wird deshalb nicht starr vorgegeben. Die einzelnen Schritte werden so zusammengestellt, wie sie für das jeweilige Bauteil sinnvoll sind.

Anforderungen und Projektziele gemeinsam klären

Am Anfang steht die Frage, was der Kunde am Ende tatsächlich benötigt. Dabei geht es nicht nur um die äußere Form eines Kunststoffteils.

Gemeinsam werden unter anderem folgende Punkte betrachtet:

• Funktion des Bauteils
• Einsatzbedingungen
• Mechanische Belastung
• Temperatur und Umwelteinflüsse
• Kontakt mit Chemikalien oder anderen Stoffen
• Montage und Verbindung mit weiteren Komponenten
• Gewünschte Stückzahlen
• Oberfläche, Farbe und Haptik
• Prüfanforderungen
• Terminvorstellungen
• Wirtschaftliche Zielsetzung

Nicht jede Frage muss zu Projektbeginn abschließend beantwortet sein. Wichtig ist, offene Punkte zu erkennen und festzulegen, wie sie vor der nächsten Investitionsentscheidung geklärt werden.

In der technischen Beratung von BKT kann dafür eine vorhandene Zeichnung, eine Skizze, ein Musterteil oder zunächst nur die Beschreibung einer Idee als Ausgangspunkt dienen.

Bauteil, Werkstoff und Konstruktion bewerten

Sobald die Anforderungen bekannt sind, wird geprüft, wie das Bauteil konstruktiv und werkstoffseitig umgesetzt werden kann.

Bei vorhandenen CAD-Daten wird unter anderem betrachtet:

• Ist die Geometrie mit dem vorgesehenen Verfahren herstellbar?
• Sind die Wandstärken sinnvoll gewählt?
• Kann das Bauteil sicher entformt werden?
• Wo können Trennebene, Anspritzung und Auswerfer liegen?
• Sind Rippen, Dome und Rastfunktionen richtig dimensioniert?
• Welche Werkzeugfunktionen werden benötigt?
• Sind die vorgegebenen Toleranzen technisch notwendig?

Liegen noch keine Konstruktionsdaten vor, kann auf Grundlage einer Skizze oder eines vorhandenen Bauteils ein digitales Modell aufgebaut werden. Bei bestehenden Teilen kommt auch eine Vermessung und Rekonstruktion der Geometrie infrage.

Die Materialauswahl erfolgt anhand der tatsächlichen Anforderungen. Dabei werden nicht nur Festigkeit und Temperaturbeständigkeit betrachtet. Auch Verarbeitung, Schwindung, Oberflächenwirkung, Verfügbarkeit, Kosten und mögliche Zulassungen können eine Rolle spielen.

Die 3D-CAD-Konstruktion bei BKT verbindet deshalb Produktgestaltung und Fertigungsplanung. Ziel ist ein Bauteil, das seine Funktion erfüllt und zugleich mit vertretbarem Werkzeugaufwand zuverlässig hergestellt werden kann.

Prototypen und Funktionsmuster herstellen

Bevor ein Spritzgusswerkzeug gebaut wird, kann ein reales Muster wichtige Fragen beantworten. Welche Art von Muster benötigt wird, hängt vom Entwicklungsstand ab.

Ein Anschauungsmodell dient vor allem zur Bewertung von Form, Größe und Gestaltung. Ein Einbaumuster prüft Schnittstellen und Bauraum. Ein Funktionsprototyp muss darüber hinaus bestimmte mechanische oder technische Aufgaben erfüllen.

Je nach Anforderung können unterschiedliche Verfahren eingesetzt werden:

• FDM für schnelle und wirtschaftliche Modelle
• SLS für komplexe und belastbare Kunststoffteile
• SLA für feine Details und glatte Modelloberflächen
• Vakuumguss für kleinere Serien mit seriennaher Anmutung
• Prototypenwerkzeuge für erste Teile aus einem thermoplastischen Serienmaterial

Mit der Musterfertigung von BKT wird die digitale Konstruktion greifbar. Fehler bei Passform, Bedienung oder Montage können erkannt werden, bevor sie in ein Werkzeug übernommen werden.

Werkzeugkonzept und Serienprozess planen

Nach der Freigabe des Bauteils wird das Werkzeug passend zur geplanten Produktion ausgelegt. Dabei wird nicht nur festgelegt, wie die Bauteilgeometrie im Werkzeug abgebildet wird.

Zum Werkzeugkonzept gehören unter anderem:

• Werkzeugmaterial
• Anzahl der Kavitäten
• Trennebene
• Angusskonzept
• Kühlung und Temperierung
• Schieber und bewegliche Kerne
• Auswerfersystem
• Wechsel- und Varianteinsätze
• Vorgesehene Produktionsmaschine
• Geplante Automatisierung
• Erwartete Standzeit

Ein Werkzeug für eine kleine Vorserie benötigt möglicherweise einen anderen Aufbau als ein Werkzeug für mehrere Hunderttausend Teile. Die Auslegung muss deshalb immer zur erwarteten Laufzeit und zum wirtschaftlichen Ziel passen.

Im eigenen Werkzeugbau und Formenbau von BKT können Werkzeugkonstruktion, Fertigung, Bemusterung und spätere Anpassungen direkt mit der vorgesehenen Spritzgussproduktion abgestimmt werden.

Spritzgussteile fertigen, veredeln und montieren

Nach dem Werkzeugbau folgt die Bemusterung. Dabei werden erste Bauteile hergestellt, vermessen und bewertet. Prozessparameter werden angepasst, bis Werkzeug und Fertigungsprozess das gewünschte Ergebnis stabil liefern.

Nach der Freigabe kann die reguläre Spritzguss-Serienfertigung beginnen. Die festgelegten Parameter bilden die Grundlage für spätere Produktionsabrufe.

Je nach Produkt endet der Auftrag nicht mit dem Entformen des Kunststoffteils. Weitere Arbeitsschritte können direkt angeschlossen werden:

• Bedrucken
• Lackieren
• Beschichten
• Montieren von Zukaufteilen
• Einsetzen von Dichtungen
• Verschrauben oder Fügen
• Prüfen kompletter Baugruppen
• Kundenspezifisches Verpacken

Über die Leistung Veredelung und Verpackung kann BKT einzelne Formteile zu einer einbaufertigen oder verkaufsfertig vorbereiteten Lösung weiterverarbeiten.

Den Fertigungsweg bei veränderten Anforderungen anpassen

Produkte bleiben nicht immer unverändert. Absatzmengen steigen oder sinken, Kunden wünschen zusätzliche Varianten oder ein Werkstoff muss ersetzt werden. Auch nach dem Serienstart kann der Fertigungsweg deshalb angepasst werden.

Mögliche Veränderungen sind:

• Wechsel von einer additiven Kleinserie zum Spritzguss
• Erweiterung eines Werkzeugs um Varianteinsätze
• Aufbau eines Werkzeugs mit höherer Ausbringung
• Änderung des Materials
• Integration zusätzlicher Funktionen
• Automatisierung von Entnahme oder Montage
• Additive Fertigung seltener Ersatzteile

Ein dokumentierter Prozess erleichtert solche Anpassungen. CAD-Daten, Werkzeugunterlagen, Prüfmerkmale und freigegebene Fertigungsparameter bleiben nachvollziehbar.

Die DIN beschreibt Qualitätsmanagementsysteme als Grundlage für strukturierte Prozesse, verlässliche Produktqualität und Kundenzufriedenheit. BKT arbeitet nach einem Qualitätsmanagementsystem gemäß DIN EN ISO 9001:2015 und dokumentiert die Prozesskette von der Projektplanung bis zur Fertigung.

Welche Informationen für eine erste Projekteinschätzung benötigt werden

Eine Anfrage muss nicht vollständig ausgearbeitet sein, damit ein erstes Gespräch sinnvoll ist. Je mehr Informationen vorliegen, desto genauer können jedoch Machbarkeit, Fertigungsweg, Kosten und Zeitbedarf eingeschätzt werden.

Es ist auch kein Problem, wenn einzelne Angaben noch fehlen. Wichtig ist, deutlich zu machen, welche Punkte bereits feststehen und an welchen Stellen noch Beratung benötigt wird.

Die VDI 2221 zur Entwicklung technischer Produkte und Systeme beschreibt Produktentwicklung als strukturierten, häufig iterativen Prozess. Anforderungen, Lösungsansätze und Arbeitsergebnisse werden dabei schrittweise konkretisiert. Eine erste Anfrage ist deshalb kein unveränderlicher Endstand, sondern der Einstieg in die technische Klärung.

Zeichnung, CAD-Daten oder vorhandenes Musterteil

Am hilfreichsten sind dreidimensionale CAD-Daten. Häufig verwendete Austauschformate sind STEP oder IGES. Sie ermöglichen eine genaue Prüfung der Geometrie und können als Grundlage für Konstruktion, Musterfertigung und Werkzeugplanung dienen.

Auch zweidimensionale Zeichnungen sind wertvoll, besonders wenn sie folgende Informationen enthalten:

• Hauptabmessungen
• Toleranzen
• Funktionsmaße
• Materialvorgaben
• Oberflächenangaben
• Prüfmerkmale

Liegen noch keine technischen Daten vor, kann eine Skizze für den Einstieg ausreichen. Wichtig ist, Maße, Funktionen und Anschlussstellen so verständlich wie möglich zu kennzeichnen.

Ein vorhandenes Musterteil ist ebenfalls eine gute Grundlage. Es kann vermessen, auf seine Funktion untersucht und bei Bedarf als digitales Modell rekonstruiert werden.

Bei der 3D-CAD-Konstruktion von BKT können aus Entwürfen, Mustern oder Skizzen präzise digitale Modelle für die weitere Entwicklung erstellt werden.

Gewünschte Stückzahlen und Abrufmengen

Für die Auswahl des Fertigungsverfahrens sollte nicht nur die aktuelle Bestellmenge genannt werden. Hilfreich ist eine Einschätzung des gesamten Bedarfs.

Dazu gehören:

• Anzahl der benötigten Prototypen
• Menge einer möglichen Vorserie
• Erste Bestellmenge
• Geplanter Jahresbedarf
• Voraussichtliche Gesamtmenge
• Größe einzelner Abrufe
• Anzahl der Varianten
• Zeitraum der Ersatzteilversorgung

Bei neuen Produkten kann die Nachfrage unsicher sein. In diesem Fall sollten ein realistisches Mindest- und ein mögliches Höchstszenario genannt werden.

Ein Beispiel:

• 50 Teile für einen Feldtest
• 500 Teile für die Markteinführung
• Erwarteter Jahresbedarf zwischen 3.000 und 8.000 Teilen
• Geplante Laufzeit von fünf Jahren

Mit dieser Angabe lässt sich wesentlich besser beurteilen, ob zunächst eine additive Fertigung, ein einfaches Werkzeug oder direkt ein dauerhaftes Serienwerkzeug sinnvoll ist.

Einsatzbereich und technische Anforderungen

Für die Materialauswahl und Konstruktion muss bekannt sein, welchen Bedingungen das Bauteil ausgesetzt wird.

Wichtige Angaben können sein:

• Innen- oder Außeneinsatz
• Temperaturbereich
• Mechanische Kräfte
• Stöße und Vibrationen
• Dauerhafte oder wechselnde Belastung
• Kontakt mit Wasser, Öl, Kraftstoff oder Reinigungsmitteln
• UV-Belastung
• Elektrische Anforderungen
• Brandverhalten
• Lebensmittelkontakt
• Medizinische oder branchenspezifische Anforderungen

Auch die Einbausituation sollte beschrieben werden. Wird das Teil verschraubt, verklebt, eingerastet oder umspritzt? Welche Gegenbauteile sind vorhanden? Muss eine Dichtung aufgenommen werden? Darf sich das Bauteil unter Belastung verformen?

Die IHK Regensburg empfiehlt für die Produktentwicklung, wesentliche Kundenanforderungen, Leistungsdaten, Zeitplanung, Produktlebensdauer, Normen und Projektkosten strukturiert zu erfassen. Eine solche Anforderungsliste erleichtert nicht nur die Anfrage. Sie hilft auch dabei, spätere Änderungen und Missverständnisse zu vermeiden.

Material-, Farb- und Oberflächenwünsche

Wenn bereits ein bestimmter Kunststoff vorgegeben ist, sollte neben der Werkstoffbezeichnung möglichst auch der genaue Typ genannt werden. Angaben wie „Polyamid“ oder „ABS“ beschreiben nur eine Werkstoffgruppe. Innerhalb dieser Gruppen existieren zahlreiche Varianten mit unterschiedlichen Eigenschaften.

Ist noch kein Material festgelegt, sollten stattdessen die benötigten Eigenschaften beschrieben werden:

• Hart oder flexibel
• Schlagzäh oder besonders steif
• Transparent oder eingefärbt
• Temperaturbeständig
• Chemikalienbeständig
• UV-beständig
• Elektrisch isolierend
• Flammgeschützt
• Für Lebensmittelkontakt geeignet

Für die Farbe sind vorhandene Referenzteile, RAL Angaben oder andere definierte Farbsysteme hilfreich. Dabei ist zu berücksichtigen, dass das Erscheinungsbild durch Material, Werkzeugoberfläche, Bauteilgeometrie und Licht beeinflusst wird.

Auch die Oberfläche sollte möglichst konkret beschrieben werden. Soll sie glänzend, matt, genarbt, poliert oder lackiert sein? Handelt es sich um ein sichtbares Designteil oder um ein innenliegendes Funktionsbauteil?

Wenn eine spätere Bedruckung, Lackierung oder Montage geplant ist, sollte dies bereits in der Anfrage erwähnt werden. Über die Veredelung und Verpackung bei BKT können solche Schritte direkt in den Gesamtprozess einbezogen werden.

Zeitplan und geplanter Serienstart

Für die Terminplanung ist nicht nur das gewünschte Lieferdatum relevant. Wichtig sind auch die einzelnen Meilensteine des Projekts.

Dazu können gehören:

• Termin für das erste Muster
• Geplanter Funktionstest
• Kundenpräsentation oder Messe
• Freigabe der Konstruktion
• Werkzeugbestellung
• Erstbemusterung
• Freigabe der Serienteile
• Beginn der regulären Lieferung

Ein realistischer Terminplan berücksichtigt, dass zwischen einzelnen Schritten Entscheidungen und mögliche Korrekturen liegen. Wird ein Muster getestet, sollte Zeit für die Auswertung und eine mögliche Konstruktionsänderung vorgesehen werden.

Bei einem dringenden Bedarf kann geprüft werden, ob erste Teile additiv gefertigt werden, während das Spritzgusswerkzeug entsteht. Ob diese parallele Vorgehensweise sinnvoll ist, hängt von den Anforderungen an das Bauteil ab.

Für eine erste Einschätzung können die vorhandenen Informationen über den BKT Bauteilkonfigurator übermittelt werden. Bei offenen technischen Fragen bietet sich eine direkte Kontaktaufnahme mit BKT an.

Zusammenfassung: Entscheidend ist nicht das einzelne Verfahren, sondern der passende Gesamtprozess

3D-Druck, Formenbau und Spritzguss erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Keines dieser Verfahren ist grundsätzlich besser oder wirtschaftlicher als die anderen.

Der 3D-Druck überzeugt durch Flexibilität, geringe Anfangsinvestitionen und schnelle Änderungen. Der Formenbau schafft die technische Grundlage für eine wiederholbare Serienproduktion. Der Spritzguss ermöglicht bei geeigneten Stückzahlen kurze Zykluszeiten und wirtschaftliche Teilekosten.

Die beste Lösung entsteht, wenn nicht nur der nächste Fertigungsschritt betrachtet wird. Konstruktion, Werkstoff, Werkzeug, Serienprozess, Montage und Produktlebensdauer sollten von Beginn an zusammengedacht werden.

Technische Anforderungen zuverlässig erfüllen

Ein wirtschaftliches Kunststoffteil muss zuerst zuverlässig funktionieren. Ein niedriger Preis hilft wenig, wenn das Bauteil unter realen Einsatzbedingungen versagt, nicht montiert werden kann oder die geforderten Maße nicht einhält.

Deshalb beginnt die Verfahrensauswahl mit dem Anforderungsprofil:

• Welche Funktion muss erfüllt werden?
• Welche Belastungen treten auf?
• Welcher Werkstoff ist geeignet?
• Welche Toleranzen sind notwendig?
• Welche Oberfläche wird benötigt?
• Wie lange soll das Produkt eingesetzt werden?

Erst danach lässt sich beurteilen, ob ein gedrucktes Teil genügt, ein Vakuumguss sinnvoll ist oder ein Spritzgusswerkzeug benötigt wird.

Investitionskosten und Stückkosten gemeinsam betrachten

Ein Fertigungsverfahren darf nicht nur anhand seiner Anfangskosten beurteilt werden. Der 3D-Druck vermeidet zwar ein klassisches Werkzeug, benötigt aber für jedes weitere Teil erneut Maschinenzeit. Der Spritzguss verursacht eine anfängliche Investition, kann dafür bei wiederkehrenden Mengen deutlich niedrigere laufende Teilekosten ermöglichen.

Eine vollständige Wirtschaftlichkeitsbetrachtung umfasst daher:

• Entwicklungskosten
• Prototypen und Prüfungen
• Werkzeugkosten
• Materialkosten
• Fertigungskosten
• Nachbearbeitung
• Montage und Verpackung
• Ausschuss und Qualitätssicherung
• Wartung und Änderungen
• Ersatzteile über die Produktlaufzeit

Je nach Projekt kann auch eine Kombination wirtschaftlich sein. Erste Teile entstehen additiv. Nach Bestätigung des Bedarfs übernimmt der Spritzguss die Hauptmenge. Sondervarianten und seltene Ersatzteile bleiben im 3D-Druck.

Vom ersten Entwurf bis zum fertigen Kunststoffteil durchgängig planen

Viele spätere Kosten werden bereits in der Entwicklung festgelegt. Wandstärken beeinflussen Materialverbrauch und Abkühlzeit. Hinterschneidungen bestimmen die Werkzeugkomplexität. Die Wahl der Verbindungstechnik entscheidet über den Montageaufwand. Materialkombinationen wirken sich auf Reparierbarkeit und Recycling aus.

Das Umweltbundesamt nennt Haltbarkeit, Reparierbarkeit und Recyclingfähigkeit als wichtige Aspekte einer kreislauforientierten Produktgestaltung. Auch diese Eigenschaften entstehen nicht erst am Ende des Produktlebens. Sie müssen bei Konstruktion und Materialauswahl berücksichtigt werden.

Eine durchgängige Projektplanung verbindet deshalb technische, wirtschaftliche und ökologische Anforderungen. Genau hier liegt der Vorteil eines Fertigungspartners, der mehrere Prozessschritte zusammenführen kann.

BKT begleitet Kunststoffprojekte von der ersten Beratung über Konstruktion, Musterfertigung und Formenbau bis zur Spritzguss-Serienfertigung, Veredelung und Montage.

Häufig gestellte Fragen

Wann ist 3D-Druck günstiger als Spritzguss?

3D-Druck ist häufig günstiger, wenn nur wenige Bauteile benötigt werden, die Konstruktion noch nicht endgültig feststeht oder mehrere Varianten getestet werden sollen. Da kein klassisches Formwerkzeug notwendig ist, bleiben die Anfangskosten überschaubar.

Mit steigender Stückzahl gewinnt der Spritzguss an Wirtschaftlichkeit. Der genaue Übergang hängt von Größe, Geometrie, Material, Nachbearbeitung und Werkzeugaufwand ab. Ein kleines Bauteil kann früher wirtschaftlich im Spritzguss hergestellt werden als ein großes, komplexes Formteil.

Das Fraunhofer IGCV beschreibt die additive Fertigung vor allem als werkzeuglosen, digitalen Aufbauprozess. Diese Flexibilität ist einer ihrer wichtigsten wirtschaftlichen Vorteile, solange die laufende Fertigungszeit pro Bauteil nicht durch hohe Mengen zum Kostennachteil wird.

Ab welcher Stückzahl lohnt sich ein Spritzgusswerkzeug?

Eine allgemein gültige Mindeststückzahl gibt es nicht. Bei einem einfachen und kleinen Bauteil kann sich Spritzguss bereits bei einigen Hundert Teilen rechnen. Ein großes oder sehr komplexes Bauteil benötigt möglicherweise eine deutlich höhere Menge.

BKT nennt für die eigene Spritzguss-Serienfertigung je nach Bauteilkomplexität häufig einen wirtschaftlich interessanten Bereich ab etwa 200 bis 1.000 Stück. Diese Angabe ist eine Orientierung und ersetzt keine individuelle Kalkulation.

Für die Entscheidung sollten Werkzeugkosten, Teilepreis, Gesamtmenge, Produktlaufzeit und mögliche Varianten gemeinsam betrachtet werden.

Kann ein 3D-gedruckter Prototyp später direkt im Spritzguss gefertigt werden?

Die digitalen Grunddaten können häufig weiterverwendet werden. Die Konstruktion muss vor dem Werkzeugbau jedoch auf ihre Spritzgusstauglichkeit geprüft werden.

Im 3D-Druck sind Geometrien möglich, die sich nicht ohne Weiteres aus einem Werkzeug entformen lassen. Für den Spritzguss können daher Anpassungen erforderlich sein, zum Beispiel bei:

• Wandstärken
• Entformungsschrägen
• Hinterschneidungen
• Radien
• Rippen und Domen
• Trennebene
• Anspritzung

Auch das Materialverhalten unterscheidet sich. Ein gedrucktes Muster kann die Passform bestätigen, bildet aber nicht automatisch Festigkeit, Oberfläche und Langzeitverhalten des späteren Spritzgussteils ab.

Welche Kosten entstehen beim Formenbau?

Die Werkzeugkosten hängen stark vom Bauteil und von der geplanten Produktion ab. Zu den wichtigsten Einflussgrößen gehören:

• Größe des Bauteils
• Komplexität der Geometrie
• Anzahl der Kavitäten
• Benötigte Schieber und Kerne
• Werkzeugmaterial
• Anguss- und Heißkanalsystem
• Kühlung
• Oberflächenanforderungen
• Toleranzen
• Erwartete Standzeit

Ein einfaches Werkzeug für eine kleine Serie kann deutlich günstiger sein als ein Mehrkavitätenwerkzeug für eine langjährige Großserie. Für eine belastbare Kalkulation werden deshalb mindestens die Bauteilgeometrie, die Stückzahlen, der vorgesehene Werkstoff und die Qualitätsanforderungen benötigt.

Wie lange dauert die Entwicklung eines Spritzgussteils?

Die Dauer hängt vom Ausgangsstand und von der Komplexität des Projekts ab. Liegen bereits freigegebene CAD-Daten vor, kann direkt mit der Werkzeugplanung begonnen werden. Bei einer neuen Produktidee müssen zunächst Konstruktion, Materialauswahl und Funktionsprüfung erfolgen.

Zum vollständigen Ablauf können gehören:

1. Anforderungsanalyse
2. CAD-Konstruktion
3. Prototypenfertigung
4. Tests und Überarbeitung
5. Werkzeugkonstruktion
6. Werkzeugbau
7. Erstbemusterung
8. Korrekturen und Freigabe
9. Serienstart

Bei einfachen Bauteilen können einzelne Schritte schnell abgeschlossen werden oder entfallen. Komplexe, sicherheitsrelevante oder regulierte Produkte benötigen mehr Prüfungen und Abstimmung.

Können bestehende Kunststoffteile ohne CAD-Daten nachgefertigt werden?

Ja, häufig kann ein vorhandenes Bauteil vermessen und digital rekonstruiert werden. Dieses Vorgehen wird als Reverse Engineering bezeichnet.

Dabei wird zunächst geprüft, welche Maße für die Funktion entscheidend sind und ob das vorhandene Teil durch Verschleiß, Verformung oder Beschädigung von seiner ursprünglichen Geometrie abweicht. Anschließend entsteht ein neues CAD-Modell.

Auf dieser Grundlage kann das Ersatzteil je nach Menge und Anforderung im 3D-Druck gefertigt oder für ein neues Spritzgusswerkzeug konstruktiv aufbereitet werden.

Übernimmt BKT auch Veredelung und Montage?

Ja. BKT kann Kunststoffteile nach der Fertigung weiterverarbeiten und komplette Baugruppen bereitstellen.

Mögliche Leistungen sind unter anderem:

• Lackierung
• Bedruckung
• Beschichtung
• Montage von Einzelteilen
• Einsetzen von Zukaufkomponenten
• Konfektionierung
• Kundenspezifische Verpackung

Die Veredelung, Montage und Verpackung kann direkt mit der Spritzgussproduktion verbunden werden. Dadurch reduziert sich die Zahl der Schnittstellen, und der Kunde erhält auf Wunsch eine einbaufertige oder verkaufsfertig vorbereitete Lösung.

Die Fachübersicht von Kunststoffe.de zeigt, wie vielseitig der Spritzguss für die Herstellung komplexer Formteile eingesetzt wird. Ob er für ein konkretes Bauteil wirtschaftlich sinnvoll ist, entscheidet sich jedoch immer anhand der individuellen Anforderungen und der geplanten Gesamtmenge.

Sie planen ein Kunststoffteil und sind beim Fertigungsweg noch unsicher?

BKT prüft gemeinsam mit Ihnen, welche Kombination aus 3D-Druck, Musterfertigung, Formenbau und Spritzguss technisch geeignet und wirtschaftlich sinnvoll ist. Eine Skizze, ein vorhandenes Muster oder eine erste Beschreibung Ihrer Anforderungen genügt für den Einstieg.

Nehmen Sie Kontakt mit BKT auf und lassen Sie Ihr Kunststoffprojekt unverbindlich einschätzen.