Spritzguss vs. Lasersintern: Wann lohnt sich welches Verfahren?

Für die meisten Kleinserien im 3D-Druck wird das Lasersintern (SLS) oder neuerdings auch das HP Jet Fusion Verfahren eingesetzt. Bei beiden Verfahren hat sich das Material PA12 als Standardmaterial durchgesetzt. PA12 wird aber auch bei Spritzgussverfahren verwendet. Gesintertes PA12 (PA2200) ist etwas poröser und leichter (Dichte 0,9 – 0,95 g/cm³) als das Spritzguss-PA12 nach der Produktion. PA 12 vom Jet Fusion Verfahren hat ähnliche Dichten wie im Spritzguss.

Es gibt auch noch weitere Materialien für das Lasersintern, sogenannte PA12 Compunds. Das sind Mischungen von PA12 mit anderen Materialien, um bestimmte Eigenschaften zu erhalten (Glasfasern für erhöhte thermische Belastbarkeit; Aluminde für Metalloptik und Steifigkeit). Das Material TPU 92 wiederum ist ein thermoplastisches Elastomer auf Urethanbasis. Aber für diese Materialien sind die Kosten häufig höher als für das Standardmaterial PA12.
Durch die Art der Fertigung beim Lasersintern sind die Produkte leicht anisotrop. Das bedeutet, dass die Werkstücke auf der X/Y-Achse widerstandsfähiger sind, als entlang der Z-Achse. Da dies die Dimension ist, an der das Objekt aufgebaut wird und sich die Schichten in dieser Dimension leichter wieder voneinander lösen können. Beim Spritzgussverfahren ist dieser Effekt nicht vorhanden. Dort sind die Objekte in allen Dimensionen gleich stabil.
Eine Alternative zu SLS (in der Kleinserienfertigung) stellt die Stereolithografie (SLA) dar, allerdings gilt dies nur für relativ kleine Objekte, aufgrund der hohen Kosten des Verfahrens. SLA Teile weisen eine glattere Oberfläche auf, sind jedoch relativ wärmeempfindlich.

Beim Spritzgussverfahren steht Ihnen eine große Vielfalt an Materialien mit verschiedenen Eigenschaften zur Verfügung. Dabei können unterschiedliche physikalische Eigenschaften erreicht werden, die dann Spezialanforderungen erfüllen können (Brandschutz, chemische Resistenzen, Lebensmittelechtheit). Durch die Zugabe von Pigmenten oder Masterbatches können Sie die Farbe Ihres Objektes frei definieren.

Zusammenfassung: Wenn die Eigenschaften von gesintertem PA12 (PA2200) Ihre Projektanforderungen erfüllen, dann ist SLS für Ihre Kleinserie eine Option, andernfalls sollte schon bei geringen Stückzahlen Spritzguss in Betracht gezogen werden.

Beim Lasersintern werden feine Pulverkörner des Ausgangsmaterials thermisch miteinander verbunden (gesintert). Verfahrensbedingt sind die produzierten Werkstücke leicht porös und die Oberflächen sind ohne Nachbearbeitung etwas rau. Mithilfe von teilautomatisierten Nachbearbeitungsverfahren können die Oberflächen etwas geglättet werden. Dabei werden aber nicht die Ra-Werte (Mittelrauwert), des Spritzgusses erreicht. Wie oben beschrieben, bietet sich für glattere Oberflächen auch das SLA-Verfahren an, allerdings mit den genannten Nachteilen (geringe Belastbarkeit, höhere Kosten).

Abhängig von den Anforderungen können mit dem Spritzgussverfahren sehr gute Oberflächeneigenschaften erreicht werden.

Zusammenfassung: Bei sehr hohen Oberflächenansprüchen für Kleinserien ist das Lasersintern nicht die erste Wahl. Stereolithografie ist für kleine, nicht stark beanspruchte Werkstücke oder kleinere Stückzahlen (~100) eine Alternative.

Das Lasersintern weißt eine verfahrensbedingte Toleranz von ca. +/- 300 µm bzw. +/- 0,3 % auf. Aber diese Toleranzen hängen stark von den zu druckenden Objekten ab und können z.B. durch eine geschickte Ausrichtung des Objekts im Drucker beeinflusst werden.
Auch beim Spritzgussverfahren gibt es Toleranzen, diese können aber von erfahrenen Formenbauern in einem Bereich von 100 µm gehalten werden.

Zusammenfassung: Bei sehr hohen Toleranzanforderungen sollte auch bei kleineren Stückzahlen das Spritzgussverfahren bzw. andere 3D-Druckverfahren (bspw. Stereolithografie oder Polyjet) gewählt werden.

Erfahrungsbedingt hat sich eine Art Faustregel etabliert: Ab einer Anzahl von 200 – 500 Stück ist das Spritzgussverfahren unter Kostengesichtspunkten das beste Verfahren. Auch bei großen oder geometrisch einfachen Werkstücken ist der Spritzguss lohnenswert. Bei kleinen oder komplexen Werkstücken lohnt sich das Lasersintern auch für relativ große Stückzahlen, da beim 3D-Druck die Auslastung des Bauraums eine entscheidende Rolle spielt. Verdoppelt man beispielsweise die Größe des Werkstücks, verachtfacht sich das, benötige Material bzw. das Bauvolumen. Daher sind die Preise für 3D-gedruckte Objekte stark volumenabhängig. Diese Regel spielt beim Spritzgussverfahren bei Objektgrößen bis ca. 25 cm weniger extreme Rolle.
Anders verhält es bei der geometrischen Komplexität, hier hat das Lasersintern große Stärken. Die Komplexität ist bei diesem Verfahren quasi „kostenlos“. Hinterschneidungen, Hohlräume oder Löcher sind ohne Probleme darstellbar und erzeugen keine zusätzlichen Kosten.
Beim Spritzguss führen diese Besonderheiten zu meist erheblichen Kostensteigerungen, da sogar zusätzliche Produktionsschritte notwendig werden können. Deshalb lohnt sich der Spritzguss erst bei höheren Stückzahlen als üblich.

Zusammenfassung: Bei kleinen oder komplexen Objekten ist das Lasersintern die beste Wahl. Erst bei relativ hohen Stückzahlen (>500) gewinnt das Spritzgussverfahren einen Kostenvorteil. Bei großen Teilen kann sich der Spritzguss schon bei relativ geringen Stückzahlen (>50) lohnen. Typische Anwendungsfälle sind Vorserien mit <100 Stück oder Kleinserien mit geringen Stückzahlen pro Jahr.

Wie wir schon besprochen haben, ist die Größe/das Volumen es Werkstückes der wichtigste Kostentreiber in der additiven Fertigung. Darüber hinaus sind die Bauräume der Sinteranlagen in ihrer Größe limitiert. Die größten verfügbaren Sinteranlagen haben einen Bauraum von ca. 75 cm. Die gängigsten Anlagen haben allerdings nur einen Bauraum von etwa 50 cm. Bei voller Auslastung des Bauraums müssen Sie allerdings mit einer Druckzeit von 24 – 48h rechnen, d.h. solch große Objekte sind wenig praktikabel für die Kleinserienfertigung mit SLS. Bis zu einer Werkstückgröße von 25 cm sollten Sie SLS als Alternative für Ihre Kleinserie in Betracht ziehen.
Anders verhält es sich bei der Komplexität des Objektes. Durchlassungen, abstehende Teile, Hinterschneidungen, Hohlräume oder andere Bestandteile des Objektes erhöhen den Kosten in Spritzguss signifikant. Da es den Formenbau entscheidend komplexer macht und damit verteuert. Diese Komplexität gibt es beim 3D-Druck „kostenlos“, hier muss nur festgestellt werden, ob ein 3D-Modell „druckfähig“ ist und eventuell nachbearbeitet werden muss.

Zusammenfassung: Je größer ein Objekt ist (25 cm) desto eher ist Spritzguss zu empfehlen. Je komplexer Ihr Produkt ist, desto eher ist der 3D-Druck kostengünstiger.

Beim Verwenden von 3D-Drucktechnologien in der Fertigung können Sie jederzeit und problemlos das Design ändern, indem Sie das 3D-Modell bearbeiten.

Der Spritzguss bietet diese Möglichkeit nicht. Hier müssen Sie für jede Änderung eine neue Form herstellen.

Zusammenfassung: Wenn Sie sich die Möglichkeit der Bearbeitung Ihres Werkstückes in der Pilotphase/Testphase offen halten möchten, dann ist die additive Fertigung genau die richtige Technologie für Sie.

Hier ist die Entscheidung relativ einfach und eindeutig. Während für die Herstellung von Formen/Werkzeugen für den Spritzguss häufig mehrere Wochen oder gar Monate vergehen, können Sie bei der Verwendung des Lasersinterns schon innerhalb von 48h erste Werkstücke erhalten.