So senken Sie die Kosten beim Spritzguss – 10 Tipps

Direkt nutzbare Bauteile und eine kostengünstige Produktion bei hoher Stückzahl – diese Vorteile machen das Spritzguss-Verfahren aus. Der Hauptteil der nötigen Investitionen fällt dabei für das passende Werkzeug an. Doch bereits in den ersten Schritten der Formentwicklung, der Erstellung des 3-D-CAD-Modells sowie der Wahl des Materials werden die Weichen für die kosteneffiziente Produktion gestellt. Erfahren Sie im Folgenden, wie Sie Kostenfaktoren frühzeitig eliminieren:

• Das geeignete Material finden

Bereits die Wahl des Ausgangsmaterials entscheidet über die Kosteneffizienz beim Spritzgießen. Dabei liegenden die entscheidenden Auswahlkriterien bei den Ansprüchen, die Form und Zweck des zu geplanten Spritzguss-Teiles an den Kunststoff stellen. Wie groß ist die erforderliche Wandstärke? Ist das Bauteil Einflüssen von Witterung, extremen Temperaturen oder Chemikalien ausgesetzt? Wird eine bestimmte Oberflächenbehandlung gewünscht?

Um eine rationale Entscheidung zu treffen, sollten Sie bei der Wahl des Materials nicht anstreben, das Rad neu zu erfinden. Orientieren Sie sich stattdessen an vergleichbaren Produkten, die unter ähnlichen Umweltbedingungen bestehen müssen.

Die Preise der verfügbaren Materialien gestalten sich dabei sehr unterschiedlich – je nachdem, welche Eigenschaften sie aufweisen. So kostet ein Kilogramm des leistungsstarken Kunststoffes PEEK (Polyetheretherketon) bis zu 50€ pro Kilogramm. Kommt es auf den Preis an, kann PPSU (Polyphenylensulfon), das aktuell etwa um den Faktor 10 günstiger ist, unter Umständen denselben Zweck erfüllen.

• Dauer des Spritzguss-Zyklus begrenzen

Die Zeitspanne vom Schließen der Gussform über das Einspritzen des Polymers, dem Abkühlen des Materials, bis zum Entformen und Ausstoßen wird als Zyklus bezeichnet. In der Praxis kann er wenige Sekunden bis hin zu mehreren Minuten dauern. Je kürzer der Zyklus, desto geringer sind die Fixkosten für jedes hergestellte Teil. Limitierender Faktor ist hier das Erreichen der Entformungstemperatur. Mithilfe von Temperiersystemen und Kältemittelkühlung im Spritzgusswerkzeug kann das Material schneller auf die erforderliche Temperatur gesenkt werden und die Zykluszeit reduziert.

Das Material des Werkzeuges bzw. der Kavitäten hat ebenfalls Einfluss auf die Abkühlzeit des Kunststoffes. Während Aluminium einen schnelleren Wärmeaustausch gewährleistet und die Teile rascher erkalten, ist es gleichzeitig anfälliger für Beschädigungen. Stahl reagiert träger auf Temperaturunterschiede und lässt den Kunststoff langsamer abkühlen; er ist allerdings auch beständiger.

• Kosmetische Merkmale aus das Nötige reduzieren

Selbst wenn eingeprägte Firmenlogos und gemusterte Oberflächen attraktiv erscheinen – legen Sie im Vorhinein exakt fest, welche Oberflächenbehandlung und Formmerkmale bei Ihrem Bauteil unverzichtbar sind. Dies kann zum Beispiel bei Seriennummern der Fall sein. Um die Kosten an dieser Stelle in Grenzen zu halten, sollten Sie eine Schriftart ohne Serifen („Füßchen“) wie Arial oder Verdana wählen. Der Schriftzug sollte dann in einer Größe über 20 pt und einer maximalen Frästiefe zwischen 0,25 und 0,38mm ausgeführt werden.

Was die Oberflächenstruktur anbelangt, so sind Muster, matte und polierte Flächen zwar möglich, jedoch nicht immer nötig. Um Übergangslinien und Schaftfräserspuren von den Spritzgussteilen zu entfernen, muss das Werkzeug per Hand überarbeitet werden, was die Produktionskosten steigert. Entscheiden Sie vorab, ob eine Oberflächenveredelung auf der kompletten Seite des Teiles erforderlich ist, oder es eventuell ausreicht, nur einen Teilbereich auf Hochglanz zu polieren. Schließlich beeinflusst die Oberflächenstruktur auch den Auswurf: Während glatte Teile leicht zu entformen sind, brauchen Teile mit mittleren Texturen ein angepasstes Design mit größeren Formschrägen für ein reibungsloses Auswerfen.

• Entkernungen, Rippen und Verstärkungen nutzen

Das Entkernen von dicken Materialbereichen eines Spritzgussteiles hat sowohl wirtschaftliche als auch technische Gründe. Um Wände und Wölbungen eines Spritzgusskörpers zu stabilisieren, gießt man ihn nicht massiv, sondern arbeitet mit Rippen und Verstärkungen. Diese Vorgehensweise reduziert die Materialmenge und verkürzt die Zykluszeit durch die schnellere Abkühlung und Entformbarkeit. Zusätzlich verhindert man dabei Einfallstellen, die entstehen, wenn der Kunststoff in unterschiedlich dicken Bereichen sich nach dem Gießen unterschiedlich schnell zusammenzieht.

• Formschrägen einplanen

Hohe Wände wie bei kastenförmigen Teilen können kostengünstiger produziert werden, wenn sie nicht als tiefe Kavitäten in der Formplatte versenkt werden, sondern um einen erhabenen Formkern auf der Formplatte gegossen werden (Formkern/Hohlraum-Methode). Um rechtwinklig angelegte Teile schneller und ohne Schleifspuren entformen zu können, schrägt man die Wände des Teil-Designs bzw. die Kanten des Formkerns so ab, dass sie sich von der Auswerferseite hin zur Düsenseite verjüngen. Je nachdem, wie tief die Wände sind, beträgt eine optimale Formschräge 1 bis 3 Grad. Auch die Oberfläche des Werkzeuges beeinflusst den nötigen Winkel, da sich Teile von einer polierten Werkzeugoberfläche in der Regel leichter entformen lassen als von einer unbearbeiteten.

Generell gilt:

• Versehen Sie alle vertikalen Wände Ihres 3-D-CAD-Modells mit einer zusätzlichen Neigung von einem Grad.
• Leicht texturierte Oberflächen erfordern 1,5 Grad Formschräge, während mittelgradig texturierte bis zu 5 Grad nötig machen.
• Beim Arbeiten mit Formschlussflächen müssen Sie eine Formschräge von etwa 3 Grad einkalkulieren

• Hinterschneidungen vermeiden

Vertiefungen, Durchgangsbohrungen und andere Merkmale, die nicht parallel in Richtung des Auswerfens verlaufen, fallen in die Gruppe der Hinterschneidungen. Ja nach Material und Dimension der Hinterschneidung braucht das Spritzgussteil beim Entformen unterschiedliche Hilfsmittel von Seitenschiebern über lose Formeinsätze bis hin zur Zwangsentformung. Alle diese Varianten steigern die Kosten gegenüber einer einfachen Konstruktion ohne Hinterschneidungen.

Rillen und Wülste, die zum Beispiel Elemente einer Schnappverbindung werden sollen, brauchen keine Seitenschieber beim Entformen, wenn Sie ein flexibles Material wählen. Haken in Auswurfrichtung sowie Löcher in vertikalen Flächen können bei klugem Design mithilfe von Formschlussteilen realisiert werden. Dies ermöglicht den geraden Rückzug der Form und mindert die Kosten.

• Verschlüsse simpel gestalten

Sollen zwei Teile, zum Beispiel die zwei Hälften einer Box, nach dem Gießen mittels Verschlussmechanismen zusammengesteckt werden, hilft ein simples Design beim Kostensparen. Stifte und Löcher die, um 180 Grad gedreht, ihr eigenes Gegenstück bilden, dienen optimal dem Zusammenfügen identischer Teile. Eine andere Variante sind Haken mit passenden Verschlussteilen. Zwei gleiche Teile zusammensetzen zu können, spart letztendlich den Bau einer zweiten Form.

• Schwindung berücksichtigen

Jedes Material verringert beim Abkühlen und Aushärten zu einem gewissen Prozentsatz sein Volumen und seine Größe. Bei passgenauen Bauteilen muss die Schwindung im Vorhinein bei der Planung berücksichtigt werden. Bei gleichmäßiger Wandstärke und geeignetem Material schrumpft ein Teil gleichmäßig bezogen auf alle räumlichen Richtungen. Insbesondere fasergefüllte thermoplastische Kunststoffe weisen jedoch ein unregelmäßiges Schwindungsverhalten bezogen auf ihre die 3 Dimensionen auf.

• Trennebene im Design beachten

Die Trennebene markiert, wie die Form sich teilt, wenn das Werkzeug sich öffnet. Bei symmetrischen Spritzgussteilen markiert sie häufig die geometrische Mitte, während sie bei komplizierteren Designs einen komplexeren Verlauf nehmen kann. Da die Trennebene sowohl Einfluss auf das Spritzguss-Verfahren als auch auf Funktionalität und Aussehen des fertigen Stückes hat, sollte man sie bereits im 3-D-CAD-Modell einplanen. Wo sie liegt, bestimmt schlussendlich die Richtung des Auswurfes und den Verlauf der nötigen Formschrägen. Nicht zuletzt kann sich an ihrem Verlauf eine Trennfuge bilden, die bei ästhetisch ansprechenden Designs unauffällig platziert werden will. Scharfe Kanten des Designs können einen Trenngrat vollständig kaschieren. Wer hier im Voraus plant, vermeidet eine Überarbeitung oder Neukonstruktion der Form und spart Kosten.

• Nachbearbeitung minimal gestalten

Je mehr Schritte in der Nachbearbeitung des Spritzguss-Teiles erforderlich sind, umso höher steigen die Kosten pro Stück. Löcher zu bohren bzw. Schlitze und Gewinde zu schneiden ist im Anschluss teurer als diese Merkmale bereits beim Design der Form zu berücksichtigen. Wenn Angüsse automatisch abgeschnitten werden können, statt sie manuell zu entfernen, reduziert dies ebenfalls die Kosten.

Auch eine aufwendige Kühlung nach dem Guss fällt weg, wenn Sie das geeignete Material wählen.

Schließlich lassen sich abhängig von der Robustheit der Bauteile auch bei der Verpackung Kosten einsparen. Fragile Konstruktionen erfordern hier zusätzliches Polstermaterial, während solide Stücke sich in einer Faltschachtel verschicken lassen.