Schnell, billig, hochwertig. Das uralte Ziel der Fertigung ist es, Geschwindigkeit und Qualität zu niedrigen Preisen zu erreichen, und es ist ein weit verbreiteter Glaube, dass es unmöglich sei, alle drei Eigenschaften zugleich zu erzielen. Wenn es um die Fertigung von Kunststoffteilen geht, würden die meisten Fachleute Spritzguss als die beste Lösung für alle drei Aspekte nennen: Das Verfahren bietet kurze Zykluszeiten, starke Materialien und günstige Stückkosten. Aber ist das angesichts der jüngsten Innovationen im 3D-Druck wirklich noch die Wahrheit?
Im April 2024 ließen wir den Form 4 gegen eine Spritzgussmaschine antreten, um zu demonstrieren, wie weit sich der 3D-Druck entwickelt hat: dass er nämlich mit dem Spritzguss konkurrieren oder ihn sogar übertreffen kann, wenn es um Geschwindigkeit und Qualität bei niedrigen Kosten geht. In den Kommentaren haben wir eine Menge Fragen bekommen. Mit der Veröffentlichung des Form 4L, der ein 4,6-fach größeres Bauvolumen hat als der Form 4, haben wir uns nun entschlossen, den Versuch zu wiederholen, und zwar bei der Produktion des Mischerriegels des Form 4. Mit zwei 3D-Druckern vom Typ Form 4L für maskierte Stereolithografie (MSLA) und mit einer Spritzgussanlage wollten wir beweisen, dass die blitzschnellen Druckzeiten der Serie Form 4 die Geschwindigkeit konventioneller Gussprozesse übertreffen können.
Im Folgenden schlüsseln wir die Kosten, den Zeitaufwand und die mechanischen Eigenschaften für die Herstellung der Endbauteile auf, um die bei uns eingegangen Fragen zu den Kosten, der Nachbearbeitung und den mechanischen Eigenschaften von 3D-Druckteilen zu beantworten.
Fertigung des Mischerriegels des Form 4
Fertigungsprozess: Spritzgießen vs. 3D-Druck
Der Riegel für den Harzmischer des Form 4 ist ein Bauteil des Zubehörteils Form 4 Mixer, das an den Harztanks der Druckerserie Form 4 von Formlabs angebracht wird. Der Mischer verbessert die Materialleistung, indem er die Homogenität des Harzes während des Druckvorgangs gewährleistet. Für unseren Versuch haben wir zwei Produktionsmethoden in einem Wettlauf hin zu 1000 Endbauteilen antreten lassen: den Vertragshersteller, der das tatsächliche Bauteil mittels Spritzguss produziert, und zwei großformatige Kunstharz-3D-Drucker des Typs Form 4L.
Der Mischerriegel sichert den Harzmischer auf dem Form 4.
Für den Spritzguss haben wir mit einem in Taiwan ansässigen Hersteller zusammengearbeitet, der bereits Komponenten für mehrere Generationen von Formlabs-Druckern produziert hat, darunter Tanks, Kartuschen und Mischer. Bei der für diesen Test verwendeten Gussform mit zwei Hohlräumen handelt es sich um das tatsächliche Formwerkzeug, das in der Serienfertigung der Mischerriegeln für den Form 4 verwendet wird.
Die Spritzgussmaschine des Herstellers nimmt 10 Quadratmeter Fläche in Anspruch.
Für den Vergleich mit dem 3D-Druck haben wir zwei großformatige 3D-Drucker vom Typ Form 4L eingesetzt, die für die Fertigung mit hohem Durchsatz ausgelegt sind und einen großen Konstruktionsbereich sowie eine hohe Druckgeschwindigkeit bieten. Außerdem wurde ein Form Wash L und ein Form Cure L zur Nachbearbeitung eingesetzt. Als Material wählten wir Black Resin V5, ein steifes und starkes Allzweckmaterial, das matte, präsentationsfähige Teile ergibt.
Fertigungssystem mit Form 4L
Die Geräte für den 3D-Druck nehmen etwa drei Quadratmeter Grundfläche ein und umfassen folgende Komponenten:
- 2x Form 4L
- 2x Resin Pump
- 2x Black Resin, 5-Liter-Behälter
- 1x Form Wash L
- 1x Form Cure L
Bei der echten Spritzgussfertigung dauert jeder Zyklus 50 Sekunden und ergibt zwei Teile. Durch ein Formwerkzeug mit mehr Hohlräumen ließe sich die Produktionsgeschwindigkeit erhöhen, da mehr Teile pro Zyklus hergestellt werden könnten. Auch eine Verringerung der Zykluszeit mithilfe von Prozessänderungen würde eine Beschleunigung bedeuten. Der hier verwendete Prozess ist jedoch der, den wir und unser Vertragshersteller als optimal für unsere Produktionsanforderungen erachten. Wie im Folgenden dargelegt wird, ist der Spritzguss bei diesem Teil ab einem Volumen von etwa 13 000 Einheiten das günstigere Fertigungsverfahren.
Mit dem Form 4L fertigen wir 78 Teile pro Druckauftrag, was bedeutet, dass 13 Druckaufträge erforderlich sind, um 1000 Teile zu produzieren. Die firmeneigene Drucktechnologie Low Force Display™, auf der die Drucker der Serie Form 4 basieren, ermöglicht hohe Druckgeschwindigkeiten, und im Druckeinstellungseditor von PreForm wurden Anpassungen vorgenommen, um die Geschwindigkeit noch weiter zu erhöhen. Durch eine benutzerdefinierte Druckeinstellung mit einer Schichthöhe von 150 μm haben wir die Anzahl der Schichten verringert, die für den Druck benötigt wurden, und zusätzlich die Bestrahlungsstärke und Belichtung erhöht, um die für jede Schicht benötigte Zeit zu reduzieren. Erfahren Sie hier, wie Sie den Druckeinstellungseditor verwenden.
Produktionszeit pro Teil
| Spritzguss | 3D-Druck | |
|---|---|---|
| Teile pro Zyklus/Druck | 2 | 78 |
| Zeit pro Zyklus/Druck | 50 s | 48 min |
| Anzahl der Zyklen/Drucke | 500 | 13 |
| Teile insgesamt | 1000 | 1014 |
| Gesamtzeit | 6 h 59 min | 5 h 56 min |
Sowohl spritzgegossene als auch 3D-gedruckte Teile müssen nachbearbeitet werden. Bei spritzgegossenen Teilen müssen Angüsse und Gusskanäle entfernt werden. 3D-Druckteile aus Kunstharz müssen gewaschen, nachgehärtet und von Stützstrukturen befreit werden. In beiden Fällen kann die Nachbearbeitung während der Fertigung durchgeführt werden, was bedeutet, dass die Nachbearbeitung die Gesamtproduktionszeit nur nach dem letzten Fertigungszyklus erhöht.
Vergleich der Durchlaufzeiten: Sechs Wochen vs. ein Tag
Unser Wettlauf konzentrierte sich nur auf die eigentliche Produktionszeit, doch der Fertigungsprozess beginnt im Grunde schon mit der Herstellung des für den Spritzguss verwendeten Formwerkzeugs. Die Herstellung eines Formwerkzeugs dieser Größe und Komplexität kann in der Regel mehrere Wochen dauern, was nur durch Zahlung eines 2- bis 3-mal höheren Preises beschleunigt werden kann. Vom endgültigen Design bis zum fertigen Teil beträgt die typische Durchlaufzeit 4 bis 6 Wochen, wobei Design for Manufacturing, der Werkzeugbau, die Fertigung und die Bearbeitung berücksichtigt werden.
Im Gegensatz dazu erfordert der 3D-Druck keine Produktionswerkzeuge, und die Teile können ohne zusätzliche Kosten am selben Tag gedruckt werden. Das bedeutet, dass kleine Produktionsserien mit 3D-Druck bereits abgeschlossen werden können, noch bevor ein Formwerkzeug für den Spritzguss überhaupt entworfen wäre.
Aufgliederung der Kosten pro Teil: 85 % niedrigere Kosten
Da kein Produktionswerkzeug benötigt wird, hat sich der 3D-Druck für die Herstellung kleiner Stückzahlen als kostengünstige Methode etabliert. Dieser wohlverdiente Ruf gilt auch in diesem Fall: Bei 1000 Teilen kostet der 3D-Druck 85 % weniger als der Spritzguss. Wir haben die Zahlen aufgeschlüsselt und festgestellt, dass die Gewinnschwelle des Spritzgusses bei 13 050 Teilen liegt.
Die Fertigung von 1000 Teilen durch ausgelagerten Spritzguss kostete 3920 $, während der 3D-Druck mit dem Form 4L nur 600 $ kostete.
Pro-Teil-Kosten in Abhängigkeit vom Volumen. Bei einer Produktion von bis zu 13 050 Teilen ist der 3D-Druck die kostengünstigere Lösung. Durch den vergünstigten Erwerb von Kunstharz in großen Mengen lassen sich die Stückkosten beim 3D-Druck noch weiter senken, sodass sich der Spritzguss, je nach gekaufter Harzmenge, erst nach über 40 000 Teilen rentieren würde.
Die Pro-Teil-Kosten des Spritzgusses variieren je nach Produktionsvolumen erheblich, was auf die signifikanten Vorabkosten für den Formenbau zurückzuführen ist. Das Produktionswerkzeug für den Spritzguss des Mischerriegels kostete 3600 $. Darüber hinaus berechnet der Hersteller 32 Cent pro Teil für Materialien, Arbeit und Gemeinkosten.
Der 3D-Druck wiederum erfordert kein Produktionswerkzeug, sodass die Kosten pro Teil weniger von der Produktionsmenge abhängig sind und sich aus Hardware, Verbrauchsmaterial und Arbeitskosten zusammensetzen.
Für diesen Vergleich haben wir die Kosten der gesamten Ausrüstung über drei Jahre amortisiert, einschließlich der Kapitalinvestition für den Kauf des Druckers und der Betriebskosten sowie Platz, Strom, Wartung und Lösungsmittel für die Reinigung der Teile. Bei großen Produktionsmengen ist der Anteil der Hardwarekosten an den Kosten pro Teil nahezu vernachlässigbar.
Was die Materialkosten betrifft, so werden für den Form-4-Mischerriegel 6 ml von Formlabs' Black Resin verwendet, das beim Kauf eines 5-Liter-Behälters 65 $ pro Liter kostet, was bedeutet, dass die Materialkosten pro Teil 40 Cent betragen. Als vertikal integrierter Hersteller bietet Formlabs beträchtliche Mengenrabatte von bis zu 35 $ pro Liter für Harze an, sodass die Kosten pro Teil bei großen Fertigungsläufen bis zu 50 % niedriger sein können. Kontaktieren Sie unser Vertriebsteam, um mehr über unsere Mengenrabatte auf Kunstharze zu erfahren und eine Aufgliederung der Pro-Teil-Kosten für Ihre spezielle Anwendung zu erhalten.
Kontaktieren Sie unser Vertriebsteam
Ganz gleich, ob Sie schnelle Prototypen herstellen oder fertige Teile für die Endverwendung produzieren, wir stehen Ihnen mit Rat und Tat zur Seite. Das Formlabs-Vertriebsteam besteht aus engagierten Fachleuten, die Sie und Ihr Unternehmen bei Bedarf mit professioneller Hilfe unterstützen.
Beim Form 4 ist die Arbeitszeit der größte Kostenfaktor. In den kleineren Konstruktionsbereich des Form 4 passen pro Druckauftrag nur halb so viele Teile wie mit dem Form 4L, was bedeutet, dass mehr als doppelt so viele Druckaufträge erforderlich sind, um die angestrebte Anzahl von Teilen zu erreichen. Infolgedessen müsste das Personal mehr als doppelt so viel Zeit für die Druckvorbereitung und die Nachbearbeitung der mit dem Form 4 gedruckten Teile aufwenden als mit dem Form 4L, was die Arbeitskosten pro Stunde entsprechend erhöht. In unserem Modell sind wir von Arbeitskosten in Höhe von 30 $ pro Stunde ausgegangen; dies ist im Stückkosten-Rechner einstellbar.
Gesamtkosten bei angegebener Stückzahl
| Kostenkategorie | Ausgelagerter Spritzguss | Form 4L | Form 4 |
|---|---|---|---|
| Hardware (Anschaffung + Betrieb) | 0 $ | 29 $ | 22 $ |
| Verbrauchsmaterial (Materialien + Tanks) | 0 $ | 408 $ | 409 $ |
| Arbeitskosten | 0 $ | 163 $ | 370 $ |
| Produktionswerkzeug | 3600 $ | 0 $ | 0 $ |
| Kosten für Outsourcing des Auftrags (Materialien + Arbeit + Gemeinkosten) | 320 $ | 0 $ | 0 $ |
Es gibt viele Möglichkeiten, die Kosten pro Teil zu berechnen – diese Aufgliederung ist nur eine davon. So haben wir beispielsweise Versand und Zölle aus unseren Berechnungen ausgeklammert, da diese Kosten standortspezifisch sind. Im Falle des Spritzgusses würde dies wahrscheinlich 500–1000 $ zusätzlicher Kosten verursachen, während beim 3D-Druck im eigenen Haus keine Versandkosten anfallen.
Skeptisch? Überzeugen Sie sich selbst
Wir haben für diesen Anwendungsfall einen Stückkosten-Rechner veröffentlicht. Sehen Sie sich die Zahlen an und überzeugen Sie sich selbst.
Materialauswahl und mechanische Eigenschaften: Geeignet für die Endverwendung
Nach unserem Video von April 2024 stellten viele die Frage, ob die 3D-Druckteile einer ernsthaften Nutzung standhalten würden. In der Vergangenheit waren SLA-Harze so spröde, dass sie für die Endverwendung ungeeignet waren. Die neue Generation der Standard-Kunstharze von Formlabs hat jedoch eine ähnliche Festigkeit und Steifigkeit wie PET. Wir haben für diesen Test Black Resin V5 verwendet, da seine Festigkeit und Steifigkeit den Anforderungen des Teils entsprechen. Außerdem entspricht die glatte, mattschwarze Farbe den ästhetischen Präferenzen für dieses Teil.
| Black Resin V5 | PET | |
|---|---|---|
| Maximale Zugfestigkeit | 54 MPa | 58 MPa |
| Zugmodul | 2500 MPa | 2400 MPa |
| Biegebruchfestigkeit | 91 MPa | 84 MPa |
| Biegemodul | 2450 MPa | 2500 MPa |
Das Design des Riegels erfordert ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Steifigkeit und Nachgiebigkeit: Der Riegel muss steif genug sein, um als Hebel zu wirken, und nachgiebig genug, um ein- und auszurasten. Die mechanischen Eigenschaften von Black Resin V5 genügen den Anforderungen für den normalen Gebrauch dieses Teils. Um weitere Eigenschaften dieses Materials einzusehen, laden Sie das technische Datenblatt für Black Resin V5 herunter.
Ein Zyklus-Tester wurde gebaut, um das Teil mehrere hundert Mal zu ver- und entriegeln. Das 3D-gedruckte Teil war am Ende des Tests immer noch funktionstüchtig.
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Der Sieger: 3D-Druck mit dem Form 4L
Unabhängig davon, ob Sie die Vorlaufzeit einrechnen oder nicht, geht der 3D-Druck im Wettlauf zu 1000 Teilen gegen Spritzguss als Sieger hervor – entweder mit einer Stunde oder mit sechs Wochen Vorsprung. Der 3D-Druck ist bei einer Stückzahl von 1000 auch 85 % günstiger und ist die kosteneffizientere Lösung bei bis zu 13 050 Teilen. Zudem bietet Black Resin V5 die mechanischen Eigenschaften, die für unsere Endanwendungen erforderlich sind.
Das soll nicht heißen, dass der 3D-Druck immer gewinnt – die Gleichung hängt von Ihrem Design, Ihrer Anwendung und vielen anderen Faktoren ab. Einst galt der 3D-Druck als zu langsam, zu kostspielig und zu wenig leistungsfähig für die Fertigung von Endverbrauchsteilen, doch mittlerweile ist er eine praktikable Fertigungsoption für eine Vielzahl von Anwendungen.
Uns ist bewusst, dass die Skeptischeren unter Ihnen noch immer Fragen haben werden. Nutzen Sie unseren interaktiven Kostenrechner, um sich die Zeit-, Kosten- und Mengenunterschiede zwischen 3D-Druck und Spritzguss selbst anzusehen, oder sprechen Sie mit unserem Expertenteam, um zu erfahren, wie der 3D-Druck Ihre Fertigungsanforderungen erfüllen kann.
