Schnelle Prototyping-Verfahren für Kunststoffteile: Schneller Vergleich und Auswahl

Entwickeln Sie ein neues Produkt mit Kunststoffkomponenten und versuchen dabei, Kosten, Lieferzeiten und eine gleichbleibende Qualität von Charge zu Charge zu gewährleisten? Sollten Sie zur Validierung zunächst 3D-Druck oder CNC-Bearbeitung einsetzen oder direkt zum Vakuumgießen oder Schnellspritzgießen übergehen?

Wir greifen auf mehr als 20 Jahre Erfahrung im Prototypenbau zurück und vergleichen im Schnellverfahren sieben Methoden zur Herstellung von Kunststoffprototypen, um Ihnen zu helfen, Versuch und Irrtum zu reduzieren.

1. Schnellprototyping-Methoden im Überblick

Die folgende Tabelle bietet einen allgemeinen Vergleich für typische Projekte. Die tatsächliche Genauigkeit, die Kosten und die Lieferzeit können je nach Bauteilgröße, struktureller Komplexität, Oberflächenbeschaffenheit, Material und Lieferantenkapazität variieren.

2. Allgemeine Kunststoff-Rapid-Prototyping-Verfahren

3D Druck

Der 3D-Druck baut Bauteile Schicht für Schicht aus einem 3D-Modell auf, ohne dass eine Form benötigt wird. Bei Designänderungen kann das Modell einfach aktualisiert und erneut gedruckt werden. Dadurch eignet sich diese Methode besonders für schnelle Iterationen in den frühen Phasen der Produktentwicklung.

Gängige 3D-Druckverfahren:

FDM: Beim FDM-Verfahren wird thermoplastisches Filament geschmolzen und Schicht für Schicht extrudiert. Es ist relativ kostengünstig und eignet sich gut für Konzeptmodelle, größere Bauteile und erste Montagetests.

SLA oder DLP: Licht wird zur Aushärtung von flüssigem Harz verwendet. Diese Verfahren erzeugen glatte Oberflächen und feine Details und eignen sich daher für detaillierte Prototypen.

SLS: Ein Laser verschmilzt Nylon- oder TPU-Pulver. Da keine zusätzlichen Stützstrukturen erforderlich sind, eignet sich das Verfahren hervorragend für komplexe Geometrien, Schnappverbindungen und funktionale Prototypen.

MJF: Bei diesem Verfahren wird hauptsächlich Nylonpulver verwendet. Es bietet eine relativ hohe Produktionseffizienz und gleichbleibende mechanische Eigenschaften und eignet sich daher für Funktionstests und die Kleinserienfertigung.

PolyJet: Es ermöglicht die Herstellung hochdetaillierter Modelle mit mehreren Farben oder Kombinationen aus starren und flexiblen Materialien, allerdings ist die Langzeitbeständigkeit der Materialien in der Regel begrenzt.

Gängige Materialien: PLA, ABS, ASA, PETG, PA11, PA12, TPU, Fotopolymerharze, ABS-ähnliche, PP-ähnliche und Hochtemperaturharze sowie kohlenstofffaser- oder glasfaserverstärkte Druckmaterialien.

Es ist wichtig zu beachten, dass ein „ABS-ähnliches Harz“ nur einige Eigenschaften von ABS simuliert. Es ist nicht dasselbe wie echtes ABS in Spritzgussqualität.

CNC Dienstleister

Die CNC-Bearbeitung entfernt Material von Kunststoffplatten, -blöcken oder -stäben, um das benötigte Bauteil herzustellen. Da sie mit massiven technischen Kunststoffen arbeitet, ist sie im Allgemeinen zuverlässiger als der herkömmliche 3D-Druck für die Prüfung von Abmessungen, Festigkeit und Materialeigenschaften.

Gängige Materialien: ABS, PC, POM, PMMA, PA, PEEK, PE, PP, PVC und PTFE.

Die CNC-Bearbeitung eignet sich zwar zur Validierung realer Materialeigenschaften, doch ein CNC-bearbeitetes Teil ist nicht mit einem spritzgegossenen Teil vergleichbar. Selbst bei Verwendung desselben Materials erzeugen die beiden Verfahren unterschiedliche innere Spannungen und Strukturmerkmale.

Vakuumgießen

Beim Vakuumgießen wird zunächst ein Urmodell mittels 3D-Druck oder CNC-Bearbeitung hergestellt. Anschließend wird aus diesem Urmodell eine Silikonform gefertigt, in die dann unter Vakuum flüssiges Polyurethanharz gegossen wird. Dieses Verfahren dient hauptsächlich der Herstellung einer kleinen Anzahl identischer Kunststoffmuster.

Übliche Materialien:

Beim Vakuumgießen werden hauptsächlich verschiedene Polyurethanharz-Formulierungen verwendet, darunter:

ABS-ähnliches Harz, PC-ähnliches Harz, PP-ähnliches Harz, transparentes Polyurethan, Hochtemperatur-Polyurethan und weiches gummiartiges Polyurethan.

Diese Materialien können einige der Aussehens- und Leistungseigenschaften von ABS, PC oder Gummi simulieren, sind aber kein echtes ABS, PC oder thermoplastische Elastomere.

Schnelle Werkzeugherstellung und Prototypen-Spritzgießen

Durch die schnelle Werkzeugherstellung wird die Werkzeugproduktionszeit verkürzt, indem die Werkzeugstruktur vereinfacht, Fertigungsschritte reduziert oder Materialien wie Aluminium und Weichstahl verwendet werden. Sobald das Werkzeug fertiggestellt ist, werden die eigentlichen Kunststoffteile auf einer Spritzgießmaschine hergestellt.

Rapid Tooling ist die Methode zur Herstellung der Form, während das Prototypen-Spritzgießen das Verfahren zur Fertigung der Teile ist. Beide Verfahren werden üblicherweise zusammen angewendet.

Gängige Werkstoffe: ABS, PC, PC/ABS, PP, PE, PA, POM, PMMA, TPE, TPU, PBT, PPS, PEEK und glasfaserverstärkte oder flammhemmende Kunststoffe.

Der Hauptvorteil des Prototypenspritzgießens liegt nicht allein in der Möglichkeit, mehr Muster herzustellen. Es ermöglicht die Bewertung des Bauteils unter Verwendung tatsächlicher Spritzgussmaterialien und realer Formgebungsbedingungen.

3. Prototyping-Methoden für spezifische Bauteilstrukturen

Thermoformen

Beim Thermoformen wird eine Kunststoffplatte erhitzt, bis sie weich wird, und anschließend mithilfe von Vakuum, Druck oder mechanischer Kraft in eine Form gepresst. Vakuumformen ist eines der gängigsten Thermoformverfahren.

Gängige Materialien: ABS, HIPS, PET, PETG, PC, PP, PE, PVC und PMMA.

Wird das Endprodukt ebenfalls im Thermoformverfahren hergestellt, kann ein thermogeformter Prototyp eine nützliche Darstellung des Serienteils liefern. Wird das Endprodukt jedoch im Spritzgussverfahren gefertigt, kann das thermogeformte Muster lediglich das allgemeine Erscheinungsbild und die räumliche Struktur überprüfen.

4. Formgebungsverfahren für spezifische Werkstoffe

Reaktionsspritzguss

Beim Reaktionsspritzgießen , üblicherweise als RIM abgekürzt, werden zwei oder mehr niedrigviskose flüssige Komponenten vermischt und in eine Form eingespritzt, wo sie chemisch reagieren und aushärten.

RIM wird hauptsächlich für Polyurethanmaterialien verwendet und ist nicht dasselbe Verfahren wie das herkömmliche thermoplastische Spritzgießen.

Gängige Werkstoffe: Hartpolyurethan, elastisches Polyurethan, Struktur-Polyurethanschaum und verstärkte Polyurethanwerkstoffe.

RIM eignet sich für Gerätegehäuse, Automobilkomponenten, Gehäuse für medizinische Geräte und große Polyurethan-Strukturteile.

Formpressen

Beim Formpressen wird eine abgemessene Materialmenge in eine offene Form gegeben. Anschließend wird die Form geschlossen, erhitzt und unter Druck gesetzt, wodurch das Material fließt und den Formhohlraum ausfüllt, bevor es aushärtet oder abkühlt.

Es wird häufiger für Duroplaste, Silikon, Gummi und faserverstärkte Verbundwerkstoffe verwendet.

Gängige Werkstoffe: Flüssiges oder festes Silikon, Naturkautschuk, EPDM, NBR, SBR, Phenolharz, Melaminharz, Epoxidformmassen und faserverstärkte Verbundwerkstoffe wie SMC und BMC.

Wenn das Endprodukt im Kompressionsformverfahren hergestellt wird, können mit Schnellkompressionswerkzeugen hergestellte Prototypen einen nützlichen Hinweis auf den Materialfluss, die Gratbildung und das Aushärtungsverhalten geben.

5. Wie Sie die richtige Wahl treffen: Ein kurzer Entscheidungsleitfaden

Beginnen Sie damit, herauszufinden, was der Prototyp beweisen soll, anstatt einfach die günstigste Methode zu wählen.

Sie können die Auswahlmöglichkeiten weiter eingrenzen, indem Sie die folgenden Punkte berücksichtigen.

Ändert sich das Design immer noch häufig?

Wenn das Design noch nicht endgültig feststeht, ist der 3D-Druck meist der beste Ausgangspunkt. Jede Überarbeitung kann ohne die Anfertigung einer neuen Form produziert werden, wodurch die Kosten für Versuch und Irrtum gering bleiben.

Benötigen Sie das eigentliche Material?

CNC-Bearbeitung eignet sich für die Prüfung von massiven technischen Kunststoffen. Wenn es jedoch darum geht, das Spritzgussmaterial und die Spritzgussergebnisse zu validieren, ist das Prototypenspritzgießen die bessere Option.

Vakuumgegossene Polyurethan- und Photopolymerharze eignen sich besser zur Simulation des Aussehens oder ausgewählter Eigenschaften. Sie können die Prüfung mit dem endgültigen Produktionsmaterial nicht direkt ersetzen.

Welches Herstellungsverfahren wird für die Produktion verwendet?

Je näher die Prototyping-Methode am endgültigen Produktionsprozess liegt, desto relevanter sind die Testergebnisse.

Soll das Endprodukt durch Thermoformen, RIM oder Formpressen hergestellt werden, sollte der Prototyp idealerweise im gleichen Verfahren gefertigt werden. Andernfalls können Wandstärke , Materialeigenschaften und Formfehler trotz ähnlicher Form völlig unterschiedlich sein.

In der Produktentwicklung werden häufig mehrere Prototyping-Prozesse parallel eingesetzt. Für einen Kunden aus der Elektronikbranche realisierten wir ein Gehäuseprojekt von der Produktentwicklung bis zur Serienfertigung. Das Projekt durchlief eine DFM-Optimierungsrunde, zwei Runden mit 3D-gedruckten Prototypen und eine CNC-Mustervalidierung, bevor wir die Werkzeuge für die Schnellfertigung herstellten und 50 Spritzgussteile produzierten , um Montage, Materialeigenschaften und Chargenkonsistenz zu bewerten. Der gesamte Validierungsprozess vor der Serienproduktion war innerhalb von vier Wochen abgeschlossen , woraufhin das Projekt erfolgreich in die Serienproduktion überging.