Tipps zur Reduzierung der Spritzgusskosten

Bei Fertigungsteilen will jeder Geld sparen. Es klingt einfach, doch beim Spritzguss lassen sich die Stückkosten am einfachsten durch eine Erhöhung der Teilemenge senken. Der Grund hierfür ist, dass die vorab anfallenden Kosten für das Design und die Bearbeitung der Form sich bei mehr Teilen besser amortisieren. So können bei Protolabs 25.000 Teile oder mehr mit ein- und demselben Werkzeug spritzgegossen werden!

Möglicherweise benötigen Sie für Ihr Projekt jedoch nur eine Handvoll Teile. Kein Problem. Protolabs baut kostengünstige Formen für Produktionsmengen bereits ab 25 Teilen, oft innerhalb von wenigen Tagen nach der Bestellung.

Hinterschneidungen, wie im Beispiel abgebildet, können das Auswerfen von Teilen erschweren daher sollten diese möglichst vermieden werden.

Neben den Stückkosten sollten Sie über den Werkstoff nachdenken. Bei vielen Kunststoffen gibt es Überschneidungen in Bezug auf Festigkeit und Funktionalität, doch einige sind von Natur aus einfacher spritzgießbar, wodurch die Teilekosten niedriger ausfallen. Im interaktiven Angebot, das Sie erhalten, wenn Sie Ihren Entwurf bei Protolabs hochladen, können Sie mit verschiedenen Werkstoffen herumexperimentieren.

Mit diesen elf Designüberlegungen zum Spritzgießen können Sie Ihr Fertigungsbudget effizienter nutzen:

1. Beseitigen Sie Hinterschneidungen
2. Vermeiden Sie unnötige Merkmale
3. Verwenden Sie die Kern-Hohlraum-Methode
4. Reduzieren Sie kosmetische Oberflächen bzw. ein kosmetisches Erscheinungsbild
5. Entwerfen Sie identische Passteile
6. Verändern Sie Formen und verwenden Sie sie erneut
7. Beachten Sie die Machbarkeitsanalyse (DFM)
8. Verwenden Sie Mehrfach- oder Familienwerkzeuge
9. Wählen Sie eine bedarfsorientierte Produktionsoption
10. Prüfen Sie die Teilegröße
11. Nutzen Sie das Umspritzen

Hinterschneidungen

Hinterschneidungen erschweren und verhindern in manchen Fällen den Teileauswurf. Falls machbar, sollten sie vermieden werden. Manchmal ist dies jedoch nicht möglich, zum Beispiel, wenn Sie einen Seitenschieber, eine Formschlussfläche oder einen Formeinsatz benötigen. Eine Alternative kann sein, Formschlussflächen und durchgehende Kerne zu verwenden oder Trennebene und Formschrägen zu ändern, um einen einfacheren Formenbau zu ermöglichen. Dadurch lassen sich die Werkzeugkosten reduzieren, da weitere Teile für die Form vermieden werden, die mit zusätzlichen Herstellungskosten verbunden sind. Neben dem Anstieg der Herstellungskosten durch die Verwendung manueller Einsätze kann sich dies aufgrund der längeren Zykluszeiten und der manuellen Handhabung der Form auch auf den Stückpreis Ihres Teils auswirken.

Die Verwendung eines Formkern/Hohlraum, wie im Bild dargestellt, kann eine kostengünstige Methode sein, um hohe Wände und gerippte Oberflächen zu formen.

Unnötige Merkmale

Strukturierte Oberflächen, Spritzgussteile-Nummern und Firmenlogos sehen cool aus, doch seien Sie darauf gefasst, dass Sie dafür und für andere nicht missionskritische Merkmale etwas tiefer in die Tasche greifen müssen. Dennoch sind permanente Teilenummern bei vielen Luft- und Raumfahrt- und Militäranwendungen erforderlich. Verwenden Sie eine „fräs-freundliche“ Schriftart, wie Century Gothic Fett, Arial oder Verdana (serifenlose Schriftarten), wählen Sie einen Schriftgrad von über 20 pt. und eine Tiefe von maximal 0,25 mm bis 0,38 mm. Wenn der Teileauswurf Probleme bereitet, müssen Sie außerdem die Formschräge erhöhen.

Formkern/Hohlraum

Wenn Sie ein Elektronikgehäuse oder ein ähnliches kastenförmiges Teil benötigen, können Sie entweder die Hohlräume für die Wände tief in die Formbasis versenken (hierfür werden lange dünne Werkzeuge zum Bearbeiten der Rippen in der Form benötigt) oder den Aluminiumwerkstoff rund um den Kern bearbeiten und das Teil darum herum spritzgießen. Der zuletzt genannte Ansatz wird Kern-Hohlraum-Methode genannt und ist eine weitaus kostengünstigere Möglichkeit, um hohe Wände und gerippte Oberflächen mittels Spritzguss herzustellen. Besser noch, damit lassen sich einfacher glatte Oberflächen, eine angemessene Entlüftung und ein verbesserter Auswurf erzielen und sehr steile Formschrägen vermeiden.

Kosmetisches Erscheinungsbild

Hübsch anzusehende Teile sind eine feine Sache, doch um ein hochwertiges kosmetisches Erscheinungsbild zu erreichen, ist es oft nötig, auf Perlstrahlen, EDM oder eine hochwertige Politur zurückzugreifen. Dies treibt die Werkzeugkosten in die Höhe. Eine Oberflächenveredelung von PM-F0 (bearbeiteter Rohzustand) und höher erfordert einen gewissen Grad an Handarbeit, und für eine SPI-A2 Hochglanzpolitur wird eine Diamantpoliturscheibe, Grad 2, benötigt. Vermeiden Sie Oberflächenveredelungen wie diese, wenn sie nicht unbedingt benötigt werden. Bezüglich des Aussehens sollten Sie Protolabs mitteilen, ob die ganze Formhälfte poliert werden soll oder vielleicht nur ein kleiner Bereich. Möglicherweise können Sie Kosten sparen, indem Sie statt der ganzen Seite einer Form nur den benötigten Bereich polieren. Wenn Sie eine kundenspezifische Oberflächenausführung anfordern, schicken Sie Protolabs ein farbcodiertes Bild der kritischen Bereiche und die gewünschte Qualitätsstufe für den jeweiligen Bereich zu.

Identische Passteile

Entwerfen Sie vielleicht gerade einen Behälter mit Schnappverschluss für medizinische Komponenten oder zwei formschlüssig gegeneinander verriegelte Hälften eines Kofferradios? Warum zwei Passteile konstruieren, wenn eines ausreicht?  Sie können die Schnappverbindungen so entwerfen, dass die Hälften aus beiden Richtungen zusammengefügt werden können und auf diese Weise ein „Universalteil“ bauen. Dadurch dass nur eine Form benötigt wird, sparen Sie vorab anfallende Produktionsausgaben ein. Außerdem können Sie so die doppelte Menge eines Teils spritzgießen, statt die halbe Menge von zwei unterschiedlichen Teilen.

Werkzeugänderungen

Es ist relativ einfach, Metall von einer bestehenden Metallform zu entfernen. Das Hinzufügen von Metall hingegen kann beim Schnellspritzguss schwierig oder praktisch gesehen unmöglich sein. Aus der Perspektive des Teils können Sie Kunststoff hinzufügen, jedoch nicht wegnehmen. Wenn Sie dies bei Ihrem Design berücksichtigen, verfolgen Sie einen „stahlsicheren“ Ansatz.

Manche Spritzgussteile durchlaufen mehrere Iterationen, bis ein endgültiger, umsetzbarer Entwurf entsteht. Anstatt für jede Überarbeitung eine neue Form zu kaufen, können Sie mit ein wenig intelligenter Planung dieselbe Form mehrmals verwenden. Beginnen Sie mit dem kleinsten, einfachsten Teiledesign, produzieren Sie so viele Stücke wie nötig, bearbeiten Sie anschließend die Form erneut und fügen Sie weitere Teilemerkmale hinzu, oder fertigen Sie eine größere, höhere Version des gleichen Teils an, und gehen Sie erneut zum Spritzguss über. Es handelt sich hierbei nicht um eine exakte Wissenschaft, doch je nach Teil lassen sich damit Kosten für die Werkzeugentwicklung einsparen.

DFM-Formbarkeitsanalyse

Jedes Angebot von Protolabs für ein Spritzgussteil enthält eine kostenlose Machbarkeitsanalyse (DFM). Darin werden potenzielle Problembereiche oder Möglichkeiten zur Verbesserung des Designs aufgeführt. Unzureichende Formschrägen, „nicht bearbeitbare“ Merkmale, unmöglich herzustellende Geometrien – dies sind nur ein paar Beispiele, in denen Teiledesigns vor Anklicken der Schaltfläche „Akzeptieren“ verbessert werden können und sollten. Schauen Sie sich diese Vorschläge genau an und wenden Sie sich bei Fragen zum Design an einen Anwendungstechniker von Protolabs.

Mehrfach- und Familienwerkzeug

Benötigen Sie vielleicht eine größere Menge von Teilen? Mithilfe eines Aluminiumwerkzeugs mit Zwei-, Vier- oder Achtfachformen (je nach Größe und Geometrie des Teils) können Sie große Mengen herstellen und dabei den Stückpreis Ihres Teils reduzieren, auch wenn die Werkzeugkosten etwas höher ausfallen.

Haben Sie eine Familie von Teilen, die alle zusammenpassen? Warum führen Sie nicht mehrere Spritzgussprojekte gleichzeitig durch? Es spricht nichts dafür, eine Form für jedes einzelne Teil zu bauen, vorausgesetzt A) alle Teile werden aus demselben Kunststoff hergestellt, B) die Teile haben in etwa die gleiche Größe (z. B. ähnliche Bearbeitungszeiten) und C) alle Teile können in denselben Hohlraum gepresst werden, ohne dass die Funktion der Form dadurch beeinträchtigt wird.

Vielleicht können Sie ja auch einige dieser Teile mit einem aktiven Scharniergelenk zusammenfügen. Diese Methode eignet sich zum Beispiel hervorragend, um die beiden Hälften eines Klappbehälters herzustellen. Zum Öffnen und Schließen dieser Teile bräuchte man ansonsten eine Baugruppe mit Scharnierstift. Die einzige Einschränkung hierbei ist, dass ein flexibler und robuster Werkstoff, wie z. B. Polypropylen (PP) verwendet werden muss.

Bedarfsorientierte Option

Eine weitere Möglichkeit, die Spritzgusskosten je nach Teilemenge zu reduzieren liegt in der bedarfsorientierten Fertigung. Protolabs bietet zwei Spritzguss-Serviceoptionen an (siehe nachfolgende Tabelle). Die eine eignet sich am besten bei kleineren Teilemengen, in der Regel in Verbindung mit der Prototypenherstellung. Die andere Option nennt Protolabs bedarfsorientierte Fertigung. Sie ist ideal für etwas kleinere Teilemengen von bis zu 10.000 Teilen aus Aluminiumformen. Die bedarfsorientierte Fertigung kann eine tolle Option sein, um Nachfrageschwankungen in den Griff zu bekommen, die Gesamtbetriebskosten zu reduzieren und kostengünstige Vorserienteile optimal zu nutzen.

Beispiel einer Hälfte eines selbstklebenden Teils, das in beide Richtungen mit der anderen Hälfte zusammenpasst und so ein "universelles" Teil bildet.

Mit der Achtfachform können größere Mengen hergestellt werden. Das fertige Bauteil ist oberhalb der Werkzeugabbildung abgebildet. 

Das Beispiel zeigt eine Familienform, die zur Herstellung des abgebildeten Teils verwendet wurde. Es handelt sich dabei um eine Komponente des SubQ It, ein medizinisches Werkzeug, das zum Verschließen von chirurgischen Inzisionen mit bioresorbierbaren Befestigungselementen verwendet wird.

Größe des Teils

Berücksichtigen Sie immer die Teilemaße. Beim Spritzgießen heißt das: Wie groß ist das Teil und passt es so in die Form, dass Angüsse, Angusskanäle, Auswerferstifte und alle anderen zum Funktionieren der Form benötigten Elemente bequem untergebracht werden können. Die von Protolabs vorgegebene maximale Teilegröße für Spritzgussteile liegt derzeit bei 480 mm x 751 mm, wobei die Tiefe ab der Trennebene maximal 101 mm betragen darf. Größere Teile wie dieses benötigen jedoch wiederum eine größere Form. Dies kann sich auf Ihre Form- und Teilekosten auswirken.

Umspritzen

Schließlich sollten Sie das Umspritzen in Erwägung ziehen. Obwohl hierbei im Vorfeld möglicherweise höhere Kosten anfallen, lässt sich hiermit zu einem späteren Zeitpunkt potenziell Geld einsparen. So kann z.B. eine durch Umspritzen hergestellte Dichtung an einem Teil zunächst Mehrkosten verursachen, später aber Kosten einsparen, da die Dichtung nicht mehr manuell montiert werden muss.

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