Design Tipp April 2015



3D-Druck, CNC-Fräsen oder Spritzgießen: Wann verwende ich welches Verfahren für Prototypen?

Die Verfahren CNC-Fräsen und Spritzgießen gibt es schon lange, doch bis vor relativ kurzer Zeit waren sie keine brauchbare Option zur Prototypenherstellung von Kunststoffteilen. Eine Spritzgussform konnte zwar tausende Teile auswerfen, doch für die Herstellung des ersten Teils war eine Vorlaufzeit notwendig, die Wochen oder Monate dauern und zehntausende Euros kosten konnte. Ähnlich verhielt es sich mit dem CNC-Fräsen: mit diesem Verfahren ließ sich zwar das gleiche Teil wieder und wieder herstellen, jedoch erst, nachdem die Werkzeugwege erstellt worden waren, was ebenfalls erhebliche Zeit und Arbeitskraft in Anspruch nahm. Die Rüstkosten für beide Verfahren konnten amortisiert werden, wenn die Anzahl der Teile groß genug war. Bei der Prototypenherstellung geht es jedoch um die schnelle und kostengünstige Herstellung einer geringen Anzahl an Teilen, die kurz geprüft und anschließend auf die Seite gelegt werden. Bis vor relativ kurzer Zeit ließen sich Prototypen nur manuell anhand von Ausdrucken herstellen. Es war ein aufwändiges und gelegentlich fehleranfälliges, jedoch notwendiges, Verfahren.


Die erste praxistaugliche Technologie zur automatisierten Herstellung von Prototypenteilen aus Kunststoff war der 3D-Druck, ein additives Verfahren, das in den 1980er Jahren erfunden und in den 90ern kommerzialisiert wurde. Der 3D-Druck war das Produkt der Autodesk CAD-Software und des Computerdruckers. Autodesk und andere CAD-Pakete, zunächst zwei- und später dreidimensional, ermöglichten Designern - im „Gehirn“ eines Computers - die Erstellung eines virtuellen Modells, mit dem ein festes Objekt vollständig definiert wurde. Mittlerweile konnte der Drucker ein zweidimensionales Bild aufzeichnen, das aus demselben elektronischen Gehirn stammte. Der Austausch von Tinte entweder durch eine sich verfestigende Flüssigkeit oder ein schmelzbares Pulver, sowie die Stapelung von „zweidimensionalen“ Schichten, waren die logischen, wenn auch technisch anspruchsvollen, nächsten Schritte. Plötzlich konnten Designer ein 3D-CAD-Modell auf dem Desktop erstellen und innerhalb von Stunden oder Tagen ein 3D-Teil in den Händen halten (siehe Abbildung 1). Das Teil bildete, zumindest in seiner groben Form, das CAD-Modell ab, menschliche Fehler bei der Übertragung vom Plan zum Teil fielen weg und Designer mussten sich nicht mehr vorzustellen versuchen, wie ein Entwurf auf dem Papier in physischer Form aussehen und sich anfühlen würde. Der 3D-Druck wurde bei der Herstellung von Prototypen aus Kunststoff schnell zur Methode der Wahl.

Abbildung 1: Muster für Fused Deposition Modelling (FDM). Das FDM-Verfahren baut mithilfe eines computergesteuerten Druckkopfes Teile schichtweise von unten nach oben auf.

Abbildung 1: Muster für Fused Deposition Modelling (FDM). Das FDM-Verfahren baut mithilfe eines computergesteuerten Druckkopfes Teile schichtweise von unten nach oben auf.


Die 3D-Drucktechniken nahmen an Umfang und Möglichkeiten zu, blieben jedoch hinsichtlich der verwendbaren Auswahl an Werkstoffen und der strukturellen Festigkeit ihrer Produkte begrenzt. Demgegenüber ist es durch das Fräsen als einem spanenden Verfahren seit Langem möglich, feste Objekte aus hunderten von Werkstoffen herzustellen (siehe Abbildung 2). Das Potenzial des Fräsverfahrens als praktikable Prototyping-Methode war jedoch schwer zu verwirklichen.

Abbildung 2: CNC-gefrästes Muster (CNC = Computerisierte numerisch gesteuerte Zerspanung). Ein massiver Kunststoff- oder Metallblock wird in eine CNC-Fräse gespannt und zu einem Fertigteil zerspant.

Abbildung 2: CNC-gefrästes Muster (CNC = Computerisierte numerisch gesteuerte Zerspanung). Ein massiver Kunststoff- oder Metallblock wird in eine CNC-Fräse gespannt und zu einem Fertigteil zerspant.


Das Fräsverfahren besaß dennoch einen Vorteil. Im Gegensatz zum 3D-Druck, der neue Produktionstechniken erforderlich machte, war beim CNC-Fräsen die Ausrüstung bereits vorhanden. Die Herausforderung bestand darin, eine Software zu entwickeln, die CAD-Modelle in Werkzeugwege umwandelte. Der Prozess des Zerlegens eines Festkörpers in Schichten beim war 3D-Druck relativ unkompliziert. Die vollständig automatisierte Umwandlung von CAD-Modellen in Werkzeugmaschinenbewegungen in drei Achsen, zusammen mit der Erstellung von Aufspannvorrichtungen, war komplexer - und das Ziel wurde erst 2007 erreicht. Mit der nun vorhandenen Software ist das CNC-Fräsen von Einzelteilen nun eine brauchbare und kostengünstige Option zur Herstellung von Prototypen. In manchen Fällen kann das Verfahren etwas teurer als der 3D-Druck sein, außerdem gibt es keine Desktop-Option, doch die Fähigkeit, Prototypen aus gleichwertigen Werkstoffen wie bei der Produktion herzustellen, macht eine Funktionsprüfung der mechanischen, elektrischen, chemischen, thermischen und optischen Eigenschaften eines Teils möglich. Dies gewinnt mit der weiter wachsenden Anzahl an Spezialkunststoffen zunehmend an Bedeutung. Das Fräsverfahren kann zur Herstellung von Prototypen aus Metallen, sowie Kunststoffen eingesetzt werden.

Abbildung 3: Spritzgussteil Muster. Das Schnellspritzgießen erfolgt durch das Einspritzen von thermoplastischen Kunststoffen in eine Form. „Schnell“ ist bei diesem Verfahren die Technologie zur Herstellung der Aluminiumform anstelle der bei der Serienproduktion traditionell verwendeten Stahlformen.

Abbildung 3: Spritzgussteil Muster. Das Schnellspritzgießen erfolgt durch das Einspritzen von thermoplastischen Kunststoffen in eine Form. „Schnell“ ist bei diesem Verfahren die Technologie zur Herstellung der Aluminiumform anstelle der bei der Serienproduktion traditionell verwendeten Stahlformen.


Wie auch der 3D-Druck bietet das Schnell-CNC-Fräsen mit zunehmendem Produktionsvolumen keinen erheblichen größenbedingten Kostenvorteil. Genau hier setzt das Schnellspritzgießen an. Wie beim Fräsen verwendet das Verfahren eine Software, um 3D-CAD-Modelle rasch in Werkzeugwege zum Fräsen von Aluminiumformen zu übersetzen. Nach der Herstellung der Form sinken die Kosten pro Spritzgussteil rapide, wodurch sich das Verfahren ideal für die Produktion dutzender oder hunderter Prototypen für Funktions- oder Markttests, oder tausender marktfähiger „Prototypen“ eignet. Als Prototypingverfahren eignet es sich ideal, weil damit Teile aus praktisch hunderten von spritzgießbaren Kunststoffen hergestellt werden können (siehe Abbildung 3). Außerdem kann damit neben der Funktionalität auch die Formbarkeit geprüft werden. Sowohl mit dem 3D-Druck als auch dem Fräsverfahren können Teile mit Merkmalen produziert werden, die in einer Form schwer oder unmöglich realisierbar wären.


Natürlich kann jedes dieser Verfahren einem Zweck bei der Produktentwicklung dienen. Bei kurzfristig benötigten einzelnen Prototypen in einer frühen Phase, die möglicherweise sogar an Ihrem Desktop entstanden sind, ist der 3D-Druck fast unschlagbar. Bei funktionsfähigen Prototypenteilen mit geringer Stückzahl aus gleichwertigen Werkstoffen wie bei der Produktion eignet sich das CNC-Fräsen ideal. Und bei größeren Stückzahlen an Prototypen aus tatsächlichen Produktionsmaterialien, die für Formbarkeitsprüfungen oder Kleinserien benötigt werden, ist das Schnellspritzgießen die perfekte Wahl.