Sind Kunststoff-3D-gedruckte Teile für die Kleinserien-Endproduktion geeignet?

Aus Sicht der Fertigung und des Ingenieurwesens sind Kunststoffteile aus dem 3D-Druck zunehmend eine praktikable Lösung für die Kleinserien-Endfertigung. Ihre Eignung hängt jedoch stark von der jeweiligen Technologie, der Materialauswahl und den Anwendungsanforderungen ab. Die Entscheidung erfordert eine sorgfältige Bewertung der Kompromisse zwischen Gestaltungsfreiheit, mechanischer Leistung, Oberflächenqualität und wirtschaftlichem Break-even im Vergleich zu traditionellen Verfahren wie dem Spritzgießen.

Geeignete 3D-Drucktechnologien für Endbauteile

Nicht alle 3D-Druckverfahren eignen sich gleichermaßen für die Serienproduktion. Zwei Technologien stechen hervor, wenn es darum geht, robuste und konsistente Bauteile zu fertigen:

Selektives Lasersintern (SLS) & Multi Jet Fusion (MJF): Diese pulverbasierten Verfahren sind wohl die besten Kandidaten für Kunststoff-Endbauteile. Sie erzeugen Komponenten mit hervorragenden, isotropen mechanischen Eigenschaften – das bedeutet, die Festigkeit ist in allen Richtungen gleich, da die Teile aus Pulver verschmolzen und nicht schichtweise mit Filamenten aufgebaut werden. Es müssen keine Stützstrukturen entfernt werden, wodurch hochkomplexe Geometrien möglich sind – ideal für die Kleinserienfertigung. Das Standardmaterial, Nylon PA12, bietet ein ausgewogenes Verhältnis von Festigkeit, Steifigkeit und leichter Flexibilität und eignet sich daher für funktionale Komponenten wie Scharniere, Gehäuse und Kanäle in Branchen von der Automobilindustrie bis zu Konsumgütern.

Fused Deposition Modeling (FDM): FDM kann ebenfalls für Endbauteile geeignet sein – mit wichtigen Einschränkungen. Es eignet sich ideal für Vorrichtungen, Halterungen und nicht sichtbare Strukturteile. Mit technischen Thermoplasten wie ABS, PC oder PEEK lassen sich sehr feste Bauteile herstellen. Ihre Festigkeit ist jedoch anisotrop – sie ist zwischen den gedruckten Schichten (Z-Achse) am schwächsten. Zudem ist die geschichtete Oberflächenstruktur in der Regel ohne umfangreiche Nachbearbeitung für sichtbare Teile nicht akzeptabel.

Wichtige Vorteile für die Kleinserienproduktion

• Keine Werkzeugkosten: Dies ist der wichtigste wirtschaftliche Vorteil für Kleinserien. Durch den Wegfall der hohen Kosten und langen Vorlaufzeiten für Werkzeugherstellung wird der 3D-Druck für Stückzahlen von einem bis zu mehreren hundert Teilen kosteneffizient.

• Gestaltungsfreiheit & Baugruppenintegration: Komplexe, integrierte Baugruppen können als ein einziges Teil gedruckt werden, wodurch Montagezeit, Gewicht und potenzielle Ausfallpunkte reduziert werden. Dies ist mit traditionellen Fertigungsmethoden nicht zu geringen Kosten möglich.

• Schnelle Iteration: Designs können nahezu sofort geändert und reproduziert werden, was eine kontinuierliche Produktverbesserung auch nach Markteinführung ermöglicht.

Einschränkungen und technische Überlegungen

1. Materialeinschränkungen: Obwohl die Materialvielfalt zunimmt, erreichen 3D-gedruckte Kunststoffe im Allgemeinen nicht die vollständigen Eigenschaftsprofile ihrer spritzgegossenen Pendants. Aspekte wie UV-Stabilität, Kriechbeständigkeit und chemische Verträglichkeit müssen für jede Anwendung sorgfältig geprüft werden.

2. Oberflächenfinish und Konsistenz: Die sichtbaren Schichtlinien bei FDM oder die leicht körnige Textur bei SLS/MJF sind für ästhetische Bauteile möglicherweise nicht akzeptabel. Eine glatte Oberfläche erfordert Nachbearbeitungsschritte wie Sandstrahlen, Gleitschleifen oder Lackieren, was zusätzliche Kosten und Zeit verursacht.

3. Wirtschaftlicher Break-even: Die Stückkosten beim 3D-Druck bleiben relativ konstant. Für einfachere Teile wird das Spritzgießen ab einer bestimmten Stückzahl (oft zwischen 100–500 Stück, abhängig von der Komplexität) wirtschaftlicher, da sich die hohen Werkzeugkosten über viele Teile amortisieren.

4. Zertifizierung und Normung: In regulierten Branchen wie der Medizintechnik ist der Weg zur Zertifizierung eines 3D-gedruckten Endbauteils komplexer als bei einem traditionell hergestellten Teil, da strenge Prozessvalidierungen und Chargenkontrollen erforderlich sind.

Richtlinien für die Umsetzung

Der Kunststoff-3D-Druck ist eine hervorragende Lösung für die Kleinserienproduktion, wenn:

• Die Bauteilgeometrien komplex sind oder teure Mehrteilformen erfordern würden.

• Das Produktionsvolumen zu gering ist, um die Investition in Werkzeuge zu rechtfertigen.

• Die Markteinführungszeit ein kritischer Faktor ist.

• Die Anwendung die spezifischen mechanischen und ästhetischen Eigenschaften des 3D-gedruckten Materials toleriert.

Für Teile, die eine überlegene Oberflächenqualität, engste Toleranzen oder die spezifischen Eigenschaften eines nicht druckbaren technischen Kunststoffs erfordern, bleibt die CNC-Bearbeitung von Kunststoffen eine überlegene, wenn auch oft teurere Option für kleine Stückzahlen.