Wie lassen sich additive Fertigung und Spritzgießen kombinieren?

Januar 02, 2023 | Lesedauer: 5 min

Es ist möglich, den gesamten Lebenszyklus Ihrer Teile zu beherrschen, indem Sie additive Fertigung und Spritzguss kombinieren. Werfen Sie einen Blick auf unseren 3-Schritt-Prozess und laden Sie das Whitepaper für weitere Details herunter.

Wählen Sie das Beste aus beiden Welten

Additive Manufacturing (AM) und Spritzgießen (IM) werden oft als zwei konkurrierende Kunststoffverarbeitungstechnologien dargestellt. Manchmal wird AM als disruptive Produktionstechnologie dargestellt, die konventionellen Angeboten Marktanteile wegnimmt. Das Spritzgießen ist jedoch eine ausgereifte, etablierte Technologie, die über fast ein Jahrhundert entwickelt wurde und hohe Qualität und Wiederholbarkeit in der Massenproduktion für verschiedene Anwendungen bietet - Chargen von bis zu 10 Millionen Teilen mit einer breiten Palette von Materialien sind realistische Erwartungen.

Umgekehrt ermöglicht die Additive Fertigung den Anwendern heute die wirtschaftliche Herstellung von massentauglichen Teilen, komplexen Geometrien und kleinen Losgrößen von bis zu 200.000 Teilen mit einer vollständig digitalen Wertschöpfungskette.

Nach Angaben der Europäischen Kommission wurde die fortgeschrittene Fertigung zunächst wie folgt definiert

"In der fortgeschrittenen Fertigung werden neue Technologien und innovative Spitzentechnologien wie Robotik, 3D-Druck, künstliche Intelligenz, Hochleistungscomputer und Modellierung eingesetzt, um komplexe Produkte herzustellen [...]". Die meisten Quellen heben "einen Schwerpunkt auf Innovation" als Kernelement ihrer Definition hervor. Die Autoren dieses Papiers erweitern die bestehende Definition um den folgenden Zusatz: "Fortgeschrittene Polymerherstellung bezieht sich auf die Fähigkeit, nahtlos zwischen traditionellen und modernen Kunststoffverarbeitungstechnologien zu wechseln, um während des gesamten Produktlebenszyklus Innovationen zu ermöglichen."

Um eine wirklich fortschrittliche Fertigung zu erreichen, müssen beide Technologien auf flexible Weise über den gesamten Fertigungszyklus hinweg kombiniert werden. Wie dies erreicht wird, hängt zum Teil von den technischen und wirtschaftlichen Anforderungen einer bestimmten Anwendung ab. Es ist auch wichtig, daran zu denken, dass die fortschrittliche Fertigung nicht als Sammelbegriff betrachtet werden sollte, und dass verschiedene Kombinationen von Produktionstechnologien in verschiedenen Phasen des Produktionslebenszyklus relevant sein werden.

Diesen Ansatz, der ein Gegenargument zum dargestellten "Kampf" zwischen AM und IM darstellt, haben wir von der EOS Beratungsabteilung Additive Minds in enger Zusammenarbeit mit KraussMaffei, einem führenden Hersteller von Spritzgießmaschinen, konzipiert. Gemeinsam haben wir einen Rahmen geschaffen, der Unternehmen dabei hilft, die aktuellen und zukünftigen Herausforderungen zu bewerten, denen sie sich bei verschiedenen Aspekten der Kunststoffherstellung gegenübersehen, und zu bestimmen, wie sie die beiden Verfahrenstechnologien am besten anwenden und integrieren können.

Der Rahmen hilft den Entscheidungsträgern bei der Auswahl einer geeigneten Kunststoffverarbeitungstechnologie, die von drei Kriterien abhängt: technische und wirtschaftliche Kriterien sowie die Bereitschaft ihres Unternehmens für eine fortschrittliche Fertigung. Das Ergebnis des Rahmens ist eine Reihe von Diagrammen, die zeigen, welche der folgenden Fertigungsszenarien geeignet wären:

Anwendung von AM für das Prototyping und Umstellung auf IM, wenn die Anlaufphase beginnt
Sowohl AM als auch IM sind technisch für Hochlauf- und Auslaufphasen geeignet. Wirtschaftliche Kriterien bestimmen, bei welcher Losgröße von AM zu IM gewechselt werden sollte
Eine Empfehlung für eine fertige AM-Lösung auf der Grundlage der angegebenen technologischen und wirtschaftlichen Kriterien
eine Empfehlung für eine vollständige IM-Lösung auf der Grundlage der angegebenen technischen und wirtschaftlichen Kriterien

Verwendung des Entscheidungsrahmens

Die Suche nach der am besten geeigneten Fertigungstechnologie für eine Anwendung kann eine Herausforderung sein, insbesondere wenn es darum geht, herauszufinden, ob man sich auf die konventionelle Fertigung wie das Spritzgießen oder zum Beispiel die industrielle additive Fertigung konzentrieren soll.

Der entwickelte Entscheidungsfindungsrahmen ist ein einfacher dreistufiger Prozess, der Sie bei der Auswahl der am besten geeigneten Fertigungstechnologie für jede Anwendung unterstützt. Durch Ausfüllen der Bewertungstabelle für eine bestimmte Anwendung und Lebenszyklusphase wird eine Reihe von Diagrammen erstellt, die vorschlagen, welches Fertigungsszenario in Betracht gezogen werden sollte

Schritt 1 - Bewertung der wirtschaftlichen und technischen Kriterien

Der erste Schritt besteht darin, eine Anwendung aus wirtschaftlicher und technischer Sicht zu bewerten, indem die abgebildete Bewertungstabelle ausgefüllt wird. Für jedes wirtschaftliche und technische Merkmal gibt es eine Punktzahl, die je nach ihrer Bedeutung die Empfehlungen des Rahmens beeinflusst.

Zu den wirtschaftlichen Faktoren gehören die Größe der Serie, die Herstellungszeit, die Frage, ob das Produkt in hohem Maße anpassbar ist, und die Lebenszyklusphase des Produkts. Zu den technischen Eigenschaften gehören die Größe der Teile, die Oberflächenqualität und die geforderten Toleranzen sowie die gesetzlichen Anforderungen und die Materialverfügbarkeit.

Vier der Merkmale in der Tabelle sind in blau/orange hervorgehoben. Diese sind als "Sternmerkmale" definiert. Wenn diese Merkmale zutreffen, würde das Szenario entweder zu einer vollständigen AM- oder IM-Lösung führen.

Ein Beispiel für ein solches Szenario ist eine Anwendung mit einer Seriengröße von mehr als 500k/Jahr. In diesem Fall überwiegen die Kosten für die Werkzeugherstellung und die Produktivität der IM jede AM-Lösung auf dem Markt. Erfordert die Anwendung hingegen eine Massenanpassung, dann überwiegen in einem AM-Szenario die Kosten für die Herstellung mehrerer Werkzeuge für kundenspezifische Anwendungen; daher wird die Anwendung auf ein reines AM-Produktionsszenario umgestellt.

Schritt 2 - Bewertung der organisatorischen Bereitschaft eines Unternehmens

Der letzte Abschnitt der Tabelle befasst sich mit der organisatorischen Bereitschaft. Letztlich ist dies der wichtigste Aspekt des Rahmens, da er die Fähigkeit eines Unternehmens definiert, Technologien zu bewerten und zwischen ihnen zu wechseln.

Dies ist wichtig, weil es wenig Sinn hätte, eine Kombination von Technologien vorzuschlagen, die eine Organisation realistischerweise nicht auf eine bestimmte Anwendung anwenden kann. Zu diesem Zweck beeinflussen Merkmale wie das Niveau der (unternehmensinternen) IM-Kenntnisse, die Risiken eines Technologiewechsels und die Offenheit für neue Technologien das vom Rahmen vorgeschlagene Szenario für dieselben wirtschaftlichen und technischen Kriterien. Die Ergebnisse dieses Abschnitts der Bewertung ordnen eine Organisation in eine der folgenden Stufen ein:

Niedrig - Die Organisation ist auf IM oder AM spezialisiert. Es verfügt über etablierte Produktionskapazitäten und Erfahrung im Betrieb der Produktionslinie.
Mittel - Die Organisation ist auf IM oder AM spezialisiert. Darüber hinaus verfügt es über das Wissen, die jeweils andere Technologie auf Anfänger- bis mittlerem Niveau anzuwenden. Entscheidungen zugunsten einer der beiden Technologien können auf der Grundlage einer einfachen Break-even-Analyse getroffen werden.
Hoch - Das Unternehmen ist auf beide Technologien spezialisiert und kann nahtlos zwischen konventioneller und moderner Kunststoffverarbeitungstechnik wechseln. Es verfügt über das notwendige Wissen über alle Materialien, fundierte Kenntnisse über die Prozesse beider Fertigungstechnologien und ein Verständnis für die verfügbare Produktionsleistung.

Schritt 3 - Analysieren der Ergebnisse

Nach Fertigstellung des Rahmens werden drei Diagramme erstellt, die auf dem im Whitepaper beschriebenen Stand der organisatorischen Bereitschaft basieren. Anhand der verschiedenen Diagramme werden die Auswirkungen der organisatorischen Bereitschaft deutlich und es wird hervorgehoben, wie wichtig es ist, ehrlich zu sagen, in welchem Stadium sich ein Hersteller auf seinem Weg zur fortschrittlichen Fertigung befindet. Die abschließenden Empfehlungen bieten einen Diskussionspunkt für alle Interessengruppen im gesamten Fertigungsprozess.

Komplementäre Fertigungstechnologien

AM- und IM-Fertigungstechnologien sind heute ein wichtiger Bestandteil der Vision einer fortschrittlichen Fertigung. Ein nahtloser Wechsel zwischen konventionellen und digitalen Fertigungstechnologien hängt von den Eigenschaften der Teile, wirtschaftlichen Aspekten, dem Lebenszyklusstadium und der übergreifenden organisatorischen Bereitschaft ab.

Mithilfe des in diesem Artikel beschriebenen schrittweisen Ansatzes können Hersteller den Übergang zu fortschrittlichen Fertigungstechniken, die Fertigungsverfahren kombinieren, erleichtern. Der Rahmen gibt Ihnen ein Werkzeug an die Hand, mit dem Sie die richtigen Fragen stellen und entscheiden können, ob Sie das Spritzgießen oder die additive Fertigung einsetzen wollen.