Kunststoff – Spitzguss und 3D – Druck – große Freunde?

Source: Deutsche Nachrichten
Die Technologien Kunststoffspritzguss und Kunststoff-3D-Druck (additive Fertigung) werden oft als Konkurrenten wahrgenommen, obwohl sie in Wahrheit komplementäre Stärken und Schnittmengen aufweisen. Diese Wahrnehmung basiert auf Marktpositionierungen, aber auch auf Missverständnissen über Anwendungsbereiche, Wirtschaftlichkeit und technische Möglichkeiten beider Verfahren.

Warum sie als Konkurrenten gelten

1. Zielgruppenüberschneidung bei Prototypen und Kleinserien
   – Beide Verfahren werden für Prototypenbau, Produktentwicklung und Kleinserien eingesetzt. In diesem Bereich konkurrieren sie direkt – besonders, wenn es darum geht, schnell und kostengünstig erste Bauteile zu fertigen.
2. Kosten- und Zeitfaktoren
   – 3D-Druck punktet bei Einzelstücken durch geringe Vorlaufkosten (kein Werkzeug nötig), während der Spritzguss erst bei höheren Stückzahlen wirtschaftlich wird. Das kann den Eindruck erwecken, der 3D-Druck „verdränge“ den Spritzguss – vor allem im frühen Produktentwicklungsstadium.
3. Marketing und Positionierung
   – Hersteller und Dienstleister in beiden Bereichen vermarkten ihre Verfahren oft mit dem Anspruch, das jeweils andere zu ersetzen oder obsolet zu machen. Diese Rhetorik fördert die Konkurrenzwahrnehmung.
4. Digitalisierung vs. klassische Fertigung
   – Der 3D-Druck steht symbolisch für die „digitale Fertigung“ und Industrie 4.0, während der Spritzguss traditionell mit Werkzeugbau, Produktionslinien und Skaleneffekten assoziiert wird. Daraus ergibt sich ein kultureller Gegensatz – „Retro vs. Hightech“.

Gemeinsame Schnittmengen und Synergien

Trotz vermeintlicher Konkurrenz gibt es viele Anwendungsbereiche wo sich beide Technologien ergänzen und große Vorteile bieten.

1. Hybride Entwicklungsprozesse
   – In der Produktentwicklung werden oft 3D-gedruckte Prototypen eingesetzt, um spätere Spritzgussbauteile zu simulieren. Dadurch lassen sich Design, Passform und Funktion schnell validieren, bevor teure Werkzeuge gebaut werden.
2. Werkzeuge und Einsätze aus dem 3D-Druck
   – Der Werkzeug- und Formenbau nutzt zunehmend additive Fertigung für:
   Prototypenwerkzeuge aus Kunststoff oder Metall
   Form-Einsätze in Metall-3D-Druck mit konturnaher Kühlung
   Reparaturen oder Modifikationen bestehender Werkzeuge
3. Kleinserien und individualisierte Komponenten im hybriden Fertigungsverfahren
   – Der 3D-Druck kann für Kleinserien oder individualisierte Teile eingesetzt werden, während der Spritzguss die Grundkörper produziert. Zum Beispiel:
   Standard-Gehäuse im Spritzguss + kundenindividuelle Frontblenden im 3D-Druck
   Massenbauteil + individualisiertes Zubehör
4. Materialentwicklung
   – Beide Technologien treiben die Entwicklung neuer Kunststoffe und Füllstoffe voran – z. B. bio-basierte, recycelte oder hochfeste Materialien. Manchmal sind dieselben Rohstoffe in beiden Verfahren nutzbar.
5. Fachwissen und Designprinzipien
   – Das Verständnis von Fertigungsrichtlinien (z. B. Wandstärken, Entformungsschrägen, Fließverhalten) kann vom Spritzguss auf den 3D-Druck übertragen werden – und umgekehrt. Design for Manufacturing (DfM) entwickelt sich in beiden Bereichen weiter und führt zur besseren Optimierung ganzer Prozessketten.

Gerade im Formenbau gewinnen die löslichen 3D-Druck-Einmalformen zunehmend an Bedeutung in der Produktentwicklung von Kunststoffbauteilen. Hersteller sind immer mehr gezwungen, auf Kundenbedürfnisse innerhalb kürzester Zeit einzugehen, die Entwicklungszeit und -kosten zu reduzieren um einen Wettbewerbsvorteil im Time-to Market zu realisieren.

1. Kurzer Abriss der Entwicklung im 3D-Druck

Die Idee, temporäre, wasserlösliche Formen für Gieß- und Formverfahren zu nutzen, geht zurück auf Gießtechniken wie das Wachsausschmelzverfahren. Mit dem Durchbruch des 3D-Drucks wasserlöslicher Materialien (v. a. PVA, BVOH) ab ca. 2014 eröffnete sich ein neues Feld: komplexe Negativformen für die Kunststoffverarbeitung.

2. Hauptakteure & Technologien

AddiFab – Freeform Injection Molding (FIM)

• Technologie: DLP-3D-Druck löslicher Formen (photopolymerbasiert), die mit Standard-Spritzgussmaschinen genutzt und anschließend aufgelöst werden.
• Vorteile:
  – Kombination aus präziser Oberflächenqualität (durch DLP) und Einsatz handelsüblicher Kunststoffe im Spritzguss.
  – Formen halten den hohen Drücken & Temperaturen des Spritzgusses kurzzeitig stand.
  – Ermöglicht die Produktion echter Spritzgussteile ohne Metallform.
• Nachteile:
  – Formen sind einmalig nutzbar.
  – Chemisch löslich, nicht mit einfachem Wasser – oft organische Lösungsmittel nötig.
  – Kosten pro Form relativ hoch und daher eher für Kleinserien, medizinische Anwendungen oder validierte Prototypen geeignet.

Nexa3D – xMOLD/Xilogiq-Lösungen

• Technologie: Hochauflösender LSPc-3D-Druck (Lubricant Sublayer Photocuring) mit löslichen Formmaterialien (xMOLD).
• Vorteile:
  – Sehr hohe Druckgeschwindigkeit und Auflösung.
  – Spritzgussformen innerhalb weniger Stunden druckbar.
• – Integration in automatisierte Kleinserienfertigung möglich.
• Nachteile:
• – Auch hier sind die Formen nur einmalig verwendbar.
  – Auflösung der Formen oft auf chemischer Basis, nicht rein wasserlöslich.
  – Noch relativ neue Technologie, mit begrenzter Verfügbarkeit im industriellen Umfeld.

Weitere Anbieter und Entwicklungen

• Voxeljet: Bindemittel-3D-Druck löslicher Sandkerne (v. a. für Metallguss, Automotive).
• MOWIFLEX® (Kuraray): Wasserlösliches, druckbares Thermoplast mit höherer Temperaturbeständigkeit.
• Forschungsprojekte bei Fraunhofer IGCV, MIT, ETH Zürich: Fokus auf innenliegende Hohlräume, Fluidstrukturen, patientenspezifische Anwendungen.

3. Industrielle AnwendungenBranche / Beispielanwendungen

Medizintechnik / Patientenindividuelle Implantate, Einwegformen für Biokompatibilitätstests

Automobil / Luftfahrt / Komplexe Fluidkanäle (z. B. Ladeluft, Kühlung), Leichtbaukomponenten

Konsumgüter / Design / Einzelstücke, ästhetische Geometrien, Rapid Tooling

Forschung & Entwicklung / Funktionsteile in Originalmaterial ohne Werkzeugkosten

Mikrosystemtechnik / Kleinste Strukturen und Hinterschneidungen, z. B. Kanalsysteme in Lab-on-a-Chip

4. Technische und wirtschaftliche Herausforderungen

Herausforderung / Erklärung

Mechanische Belastbarkeit / Lösliche Formen sind fragil, müssen aber hohe Einspritzdrücke (je nach Verfahren) aushalten

Thermische Limitierung / Nur bestimmte Materialien (z. B. photogehärtete Kunststoffe) überstehen die Temperaturen gängiger Thermoplaste

Einmalverwendung / Formen sind nach dem Entformen zerstört – für Serienfertigung (noch) nicht wirtschaftlich

Chemische Auflösung / Viele Systeme benötigen Lösungsmittel statt Wasser – mit Umwelt- und Arbeitsschutzaspekten

Oberflächenqualität / Starke Abhängigkeit vom Druckverfahren (FDM, SLA, DLP); Nachbearbeitung oft nötig

5. Zukunftsausblick

Trends & Chancen

• Hybridprozesse: Kombination von löslichen 3D-Formen mit Low-Pressure-Molding oder Desktop-Spritzguss (z. B. HoliPress).
• Nachhaltige Materialien: Entwicklung wasserlöslicher, biologisch abbaubarer Materialien für Medizin & Konsumgüter.
• Softwareintegration: Automatisierte Formgenerierung inkl. Entformungssimulation, Auflösungspfad-Design, Materialauswahl.
• Kleinserienfertigung on demand: Besonders in Branchen mit kurzer Produktlebensdauer oder hoher Individualisierung.

Limitierungen bleiben vorerst

• Kosten pro Teil bleiben hoch – sinnvoll nur, wenn klassische Werkzeuge technisch oder wirtschaftlich nicht infrage kommen.
• Automatisierung der Auflösung und Wiederverwertung gelöster Formmaterialien sind noch im Entwicklungsstadium.
• Materialvielfalt der löslichen Druckwerkstoffe ist im Vergleich zu funktionalen Thermoplasten eingeschränkt.

Die Verwendung von 3D-gedruckten Formen – insbesondere wasserlöslichen Formen – für die Verarbeitung von Kunststoffen eröffnet spannende Möglichkeiten, bringt aber auch spezifische Herausforderungen mit sich. Diese betreffen sowohl die Produktentwicklung als auch die Verfahrensentwicklung. Hier eine strukturierte Übersicht:

Technische Herausforderungen

1.Materialkompatibilität

• Wasserlösliche Druckmaterialien wie PVA (Polyvinylalkohol) sind oft nicht hitzebeständig und daher ungeeignet für klassische Thermoplaste im Spritzguss (z. B. > 200 °C).
• Nur niedrigschmelzende Kunststoffe wie Wachs, Silikone oder bestimmte Biopolymere können ohne Zerstörung des Formmaterials verarbeitet werden.
• Auch die chemische Wechselwirkung zwischen Form und Kunststoff muss geprüft werden (z. B. Feuchtigkeitsaufnahme, Haftung).2. Formstabilität und Genauigkeit

 

• Wasserlösliche Materialien neigen zu Verzug, Schrumpfung und geringer mechanischer Festigkeit.
• Bei hohen Einspritzdrücken oder Viskositäten können die Formen versagen oder undicht werden.
• Die Maßhaltigkeit ist oft geringer als bei gefrästen oder metallischen Formen – kritisch bei engen Toleranzen.3. Auflösbarkeit und Rückstandsfreiheit

• Die vollständige Auflösung der Form nach dem Guss ist essenziell – insbesondere bei komplexen Geometrien oder innenliegenden Hohlräumen.
• Rückstände im Bauteil können die Oberfläche, Funktion oder Biokompatibilität negativ beeinflussen.

Verfahrensbezogene Herausforderungen

1. Anpassung der Prozessparameter

• Temperatur, Druck und Zykluszeiten müssen deutlich reduziert werden, um die Form nicht zu beschädigen.
• Es braucht oft spezielle Einspritzanlagen oder manuelle Verfahren (z. B. Niederdruckspritzguss oder Gießen).

2. Lösungsbadmanagement

Die Auflösung der Form braucht oft warmes Wasser, Bewegung und Zeit – das erschwert den Durchsatz und die Automatisierung.

• Das Wasser muss regelmäßig gewechselt werden, da gelöste PVA-Anteile die Viskosität erhöhen und die Auflösung verlangsamen.

3.Umgang mit Feuchtigkeit

Wasserlösliche Formmaterialien sind hygroskopisch – sie ziehen Wasser aus der Luft und verlieren mechanische Eigenschaften.

Lagerung und Verarbeitung erfordern trockene Bedingungen (z. B. mit Trockenschränken oder versiegelten Behältern).

 Herausforderungen in der Produktentwicklung

1. Design for Dissolvable Molds

• Produkte müssen entformungsgerecht für wasserlösliche Formen gestaltet werden – z. B. mit Fließhilfen, Entlüftungen, dünnwandigen Bereichen.
• Bei komplexen Strukturen mit Hinterschneidungen müssen Auflösepfade eingeplant werden.2. Wirtschaftlichkeit
  
• Der Formeinsatz ist einmalig, das heißt: Für jedes Teil muss eine neue Form 3D-gedruckt werden.
• Daher ist das Verfahren teuer und langsam im Vergleich zu herkömmlichem Spritzguss, aber bei Einzelteilen oder komplexen Geometrien mitunter alternativlos.3. Oberflächenqualität und Nachbearbeitung

• Die Formqualität bestimmt die Bauteiloberfläche. FDM-gedruckte Formen hinterlassen oft sichtbare Layer-Linien.
• Nachbearbeitung (z. B. Schleifen, Beschichten) der Formen oder Bauteile kann erforderlich sein – und erhöht den Aufwand.

Fazit

Spritzguss und 3D-Druck stehen nicht in grundsätzlicher Konkurrenz, sondern erfüllen unterschiedliche Rollen in der Wertschöpfungskette der Kunststoffverarbeitung. Die Zukunft liegt in der intelligenten Kombination beider Verfahren: Der 3D-Druck liefert Geschwindigkeit, Flexibilität und Individualisierung; der Spritzguss bietet Präzision, Reproduzierbarkeit und Skaleneffekte.

Unternehmen, die beide Technologien beherrschen oder strategisch verknüpfen, können flexibler auf Marktanforderungen reagieren, Entwicklungszeiten verkürzen und ressourcenschonender produzieren.

Wasserlösliche 3D-gedruckte Formen, insbesondere durch Anbieter wie AddiFab und Nexa3D, verschieben die Grenzen zwischen Rapid Prototyping und echtem Kunststoffspritzguss. Sie ermöglichen funktionale Einzelteile aus Originalmaterialien ohne klassische Werkzeuge, sind aber noch auf Nischenanwendungen fokussiert, bei denen Designfreiheit und Geschwindigkeit wichtiger sind als Stückkosten.

Die nächsten Jahre werden zeigen, ob durch Materialverbesserungen, bessere Auflösungstechniken und ökonomische Skalierung eine breitere industrielle Anwendung realistisch wird.

3D-gedruckte wasserlösliche Formen sind ideal für:

• Komplexe Geometrien mit Hinterschneidungen oder innenliegenden Kanälen
• Einzelstücke oder sehr kleine Serien
• Materialversuche und Designstudien

Aber sie erfordern eine sorgfältige Anpassung von Material, Prozess und Design. Besonders die Kombination aus geringer thermischer Belastbarkeit, mechanischer Fragilität und Auflösungsanforderungen stellt hohe Anforderungen an Entwickler.

Um den Herausforderungen der Einführung von 3-gedruckten löslichen und festen Formen zu beschleunigen, Erfahrungskosten zu minimieren und Entwicklungsschleifen kostengünstig und effizient durchzuführen, bietet Udo Eckloff, der Generalimporteur für Deutschland und Österreich für HoliMaker-Produkte aus Frankreich durch die Kooperation Lasse G. Staal, CEO mit 3DPMolds – dem dänischen Spezialisten für 3D-Druckformen und Entwickler löslicher Werkzeugmaterialien, ein wirkungsvolles Einsteigerpaket bestehen aus allen notwendigen Komponenten für eine komplette Desktop-Fabrik für die Inhouse-Fertigung von Formen und Spritzgussteilen im Entwicklungsbereich.

Anycubic Drucker und Wasch- und Härtegerät, Kompressor zum rückstandsfreien Trocknen der Werkstücke und Formen, eine manuelle Spritzgießmaschine HoliPress16plus, Ultraschallreinigungsgeräte zum Entformen und Reinigen einschließlich der spezifischen Reinigungsmittel, je 2 kg von löslichem und dauerhaften Formharz, 3 kg recyceltes PP für die ersten Übungsschritte sowie alle benötigten Handhabungsutensilien.

Die Kosten hierfür liegen unter 5.000 € und sind eine unerlässliche Hilfe für Unternehmen und Institutionen, die sich ernsthaft mit dem Einstieg in den 3D-Druck-Formenbau beschäftigen.

Neben der Hardware liefern beide Unternehmen auch Expertise über Prozess, Herstellung und Implementierung der Prozesskette in die industrielle Fertigung.