Die Perfekte Spritzguss-
Kleinserie

Wie funktioniert der Spritzguss?

Spritzguss bei Stocker

Bei der Stocker Kunststoff GmbH sind wir sozusagen alte Hasen im Kunststoffspritzguss, denn der Gründer des Unternehmens baute den Spritzguss in Oberbayern schon in den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts auf. Ausgehend von Edling bei Wasserburg fertigen wir heute unterschiedlichste Spritzgussteile für eine Vielzahl von Auftraggebern in Bayern und Deutschland. Das Familienunternehmen in dritter Generation hat sich beständig weiterentwickelt und verfügt heute über modernste Druckmaschinen, die sowohl kleinste Werkstücke in höchster Präzision als auch große Werkstücke mit großer Stabilität und Belastbarkeit herstellt.

Die für den Spritzguss notwendigen Kavitäten, Hohlformen oder auch Werkzeuge genannten Prototypen aus Metall lassen wir von einem hochspezialisierten Partner anfertigen, der seinen Service für uns schnell und mit höchsten Ansprüchen durchführt. Wie im 3D Druck kommt bei der Konstruktion und Herstellung der Werkzeuge längst das 3D CAD zum Einsatz, das die Entwicklung bis hin zur Produktion des Prototypen beschleunigt und präzisiert.

Die Fertigung im Spritzguss

Die Fertigung im Spritzguss mit Kunststoff verläuft eigentlich nach einem Jahrhunderte alten Prinzip, nur dass damals kein Kunststoff, sondern Ton oder flüssiges Metall verwendet wurde. Der Kunststoff kommt meist in geschroteter Form als Pellets vor die Spritzgussmaschine und wird nach der Erhitzung in flüssiger Form in eine zweiteilige Kavität gepresst. Dieser sozusagen negative Prototyp ist meist aus Stahl, für Kleinserien manchmal auch aus Aluminium gefertigt. Mit dem Schließen der Kavität oder dem Werkzeug wird der Kunststoff in seine Form gepresst und kühlt ab bzw. vernetzt sich, je nach Methodik. Dann wird das fertige Formteil ausgeworfen und kann sofort verwendet oder weiterverarbeitet werden.

Dieses sehr einfache Prinzip hat sich in den letzten 60 Jahren erheblich weiterentwickelt. Hochkomplexe Werkzeuge, die z.B. mit Schiebern ausgestattet sind, erlauben sehr komplexe Formen. Verschiedene Kunststoffe lassen sich über verschiedene Einspritzdüsen bei sich drehenden Werkzeugen in sogenannte 2K-Formteile mit unterschiedlichen Eigenschaften pressen. Bis zu fünf Komponenten werden derzeit zu anspruchsvollen Formteilen verarbeitet, wobei Rest- oder temporäre Füllstoffe sofort zur Wiederaufbereitung transportiert werden. Computer und die KI sorgen dabei für eine Prozesskontrolle und ein Qualitätsmanagement on the fly.

Was sind die Vorteile im Kunststoffspritzguss?

Die Vorteile aus dem Spritzguss bestehen neben der Präzision und der Geschwindigkeit, mit der hohe Stückzahlen produziert werden können, vor allem im niedrigen Preis pro Stück. Dabei sind unendlich viele Gestaltungsmöglichkeiten z.B. der Oberflächen, Farben und weiterer Materialeigenschaften denkbar. Zwischen einer PET-Flasche und einem Hochpräzisionsteil für die Laser- oder Medizintechnik bestehen himmelweite Unterschiede, die im Spritzguss relativ problemlos zu überbrücken sind. Dazu kommt eine sagenhafte Vielfalt von Materialien, also Kunststoffen, die zum Einsatz kommen können.

Welche Kunststoffe kommen zum Einsatz?

Die in der Hauptsache für Spritzgussteile verwendeten Kunststoffe gehören zu den Gruppen der Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste. Diese drei Grundstoffe basieren im Prinzip auf einem unterschiedlichen Verhalten ihrer Moleküle, wie sie sich bei der Herstellung bzw. Polymerisation vernetzen. Thermoplaste wie Acrylglas, Polyethylen oder Polyamid verflüssigen sich bei Erhitzung und werden in das gleichfalls erhitzte Werkzeug gespritzt. Nach Abkühlung sind sie stabil, können aber später wieder eingeschmolzen werden. Duroplaste lassen sich nur einmal formen, verflüssigen sich zunächst, aber verfestigen sich dann ab ca. 130 Grad. Das Werkzeug muss also anders temperiert werden. Bei erneuter Erhitzung werden die Duroplaste spröde und brechen.

In ihrem Temperaturbereich aber sind sie außerordentlich schlagzäh und stabil. Die Elastomere kennt jeder von den Autoreifen. Sie verflüssigen sich ebenfalls bei Erhitzung und verfestigen sich beim Abkühlen. Dann jedoch bleiben sie elastisch, können leicht verformt werden und kehren in ihre ursprüngliche Form zurück. Unschätzbar z.B. bei Fußbällen. Diese bestehen allerdings aus drei verschiedenen Komponenten. Tatsächlich lassen sich heute diese Grund-Kunststoffe zu einer Vielzahl von verschiedenen Ausprägungen entwickeln. In der Datenbank für den Kunststoff-Fachmann finden sich etwa 100.000 verschiedene Arten mit verschiedenen Eigenschaften. Diese beziehen sich auf

• Optik und Oberflächenbeschaffenheit
• Mindest- und Höchsttemperaturen
• Kinetische Eigenschaften bei verschiedensten Bedingungen
• Widerstandsfähigkeit gegen Witterung, Chemikalien, UV-Licht usw.
• Verhalten bei Strahlung und Elektrizität

Je nach Kategorie, Ansprüchen und Ordnungszustand werden die Thermoplaste in amorphe und teilkristalline Gruppen unterteilt. Daneben unterscheidet man noch Standard-, Hochleistungs-, und technische Thermoplaste.

Der Werkzeugbau im Spritzguss

Wie oben schon angedeutet, steht und fällt der gesamte Spritzguss mit dem Werkzeugbau. Je nach Komplexität und Stand der Entwicklung für das einzelne Werkzeug, kann sich der Werkzeugbau teilweise über Wochen hinziehen und hohe Kosten verursachen. Je nach Stückzahl kann man um den Daumen immer mit 40 – 60% der Kosten für einen Auftrag mit einem Prototypen aus dem Werkzeugbau verknüpfen. Je höher die Stückzahl, die schließlich gefertigt wird, desto niedriger fällt der Anteil für den Werkzeugbau aus.

Daraus ergeben sich auch die Bedingungen und Möglichkeiten für die Produktion von Kleinserien. Im Prinzip lassen sich Werkzeuge aus Stahl und aus Aluminium herstellen. Der Werkzeugbau mit Stahl ist die traditionelle Form, denn Stahl reagiert viel besser in Bezug auf die Wärmeausdehnung, Formstabilität und damit auf die Standzeit. Speziell auch bei komplexen Strukturen oder eventuellen Nachbesserungen spielen diese Faktoren eine große Rolle. Auf der anderen Seite erfordert Stahl einen wesentlich größeren Aufwand und andere Werkzeuge in der Bearbeitung mit dementsprechend höheren Kosten.

Manche Spritzguss-Unternehmen setzen daher auf Aluminium für die Produktion von Kleinserien, wenn es sich um nicht sehr komplexe Spritzgussteile für Kleinserien mit geringen Ansprüchen handelt. Dafür werden dann teils extrem kurze Zeiten für die Konstruktion und Herstellung der Werkzeuge und letztendlich auch den Guss der Kleinserie zugesagt. Bei wenigen hundert oder tausend Formteilen kann diese Rechnung aufgehen. In den meisten Fällen allerdings würden wir dem Stahl den Vorzug geben. Letztendlich bleibt die Entscheidung für Kleinserien im Kunststoffspritzguss immer eine Frage des Einzelfalls. Immer hängt es vom Kunden und seinen Ansprüchen an die Spritzgussteile ab und sollte daher im Einzelfall geprüft und verhandelt werden. Dazu sind uns alle Anfragen natürlich willkommen.

Spritzguss Kleinserie und der 3D Druck

Der 3D Druck hat sich in nur 20 Jahren zu einer beherrschenden Technologie entwickelt, die längst nicht mehr nur Nischenprodukte im Rapid Prototyping herstellt. Für das Rapid Prototyping, also die schnelle Herstellung von Prototypen waren die 3D Drucker in den achtziger Jahren erdacht worden. Im Unterschied zu den entspanenden Verfahren arbeitet der 3D Druck im Rapid Prototyping mit dem Aufbau von Kunststoff. Während in der herkömmlichen Produktion ein Werkstück durch Fräsen oder Schleifen in die Form gebracht wird, spricht man beim 3D Druck von der additiven Fertigung. Je nach 3D Druck-Verfahren werden bei der Fertigung im 3D Drucker Formteile per Laser und Spritzdüse hergestellt.

Dabei übernimmt der Laser teils formgebende, teils verbindende Aufgaben, in dem er Materialschichten miteinander verschmilzt. So war der 3D Druck schon länger eingesetzt worden, um aus der Konstruktion im 3D CAD Prototypen aus Kunststoff herzustellen. Wenn diese Prototypen sich im Einsatz in einer Maschine bewährt hatten, konnten im Spritzguss tausende Spritzgussteile schnell und preiswert hergestellt werden. Daher die Bezeichnung Rapid Prototyping, denn obwohl die ersten 3D Drucker teils Tage für einen Prototypen benötigten, waren sie damit immer noch wesentlich schneller und billiger als alle anderen Verfahren.

Der 3D Druck zeigt große Vorteile in der Komplexität und Präzision, mit der einzelne Bauteile direkt nach der Konstruktion im 3D CAD erzeugt werden können. Dazu werden die Daten nur noch an den Laserdrucker gesendet, Material eingefüllt und los gehts. Die Geschwindigkeit hat sich stark erhöht. So können heute beim Zahnarzt Brücken und Implantate entstehen, die der Laser aus 3D Aufnahmen berechnet, während der Patient noch im Behandlungsstuhl sitzt. Das ist natürlich reines Prototyping, denn so erzeugte Prototypen werden ja auch nur einmal benötigt. Bei den Materialien ist der Kunststoff inzwischen um viele weitere ergänzt worden. Heute wird mit Pulver aus Metall ebenso gedruckt wie ganze Häuser aus Beton. Sensationell erscheint der 3D Drucktechnologie mit organischen Materialien, die sofort implantiert werden können.

Doch obwohl die Industrie speziell bei der Fertigung von Sonderwünschen und Kleinserien immer mehr auf die 3D Technologie und gigantische 3D Drucker setzt, bleibt der Spritzguss mit Kunststoff nach wie vor die tonangebende Produktionsform. Für Kleinserien kommt es dann wirklich auf die jeweiligen Definition an. Wie viel Stück umfasst eine Kleinserie tatsächlich? Bei einigen Dutzend Bauteilen kann der Spritzguss nicht mithalten, dafür ist der Aufwand im Werkzeugbau zu hoch. Aber je nach Spritzguss-Unternehmen und Ansprüchen an das Werkstück kann sich der Spritzguss schon ab wenigen hundert Stücken auch in Kleinserien lohnen. Denn sobald das Werkzeug hergestellt wurde, kann der 3D Druck mit der Produktionsgeschwindigkeit im Spritzguss nicht mithalten.

Sind Sie interessiert daran, ob sich Ihre Kleinserien-Produktion im Spritzguss lohnt? Kontaktieren Sie uns einfach. Im direkten Kontakt per Telefon oder Videokonferenz klären wir die näheren Einzelheiten.