Auf einen Blick: Die Kunststoffherstellung umfasst verschiedene Materialien und Verfahren, von alltäglichen Thermoplasten und Duroplasten bis hin zu fortschrittlichen, biobasierten und Hochleistungs-Polymeren. Die von Ihnen gewählte Herstellungsmethode wirkt sich auf alle Aspekte aus – von den Kosten und der Vorlaufzeit bis hin zur Haltbarkeit und dem Produktionsumfang. Traditionelle Verfahren wie Spritzguss, Extrusion, Blasformen und Zerspanung sind nach wie vor unverzichtbar für die Großserienfertigung, doch die additive Fertigung beschleunigt mittlerweile die Prototypenentwicklung, verringert das Risiko bei der Werkzeugkonstruktion und ermöglicht die Herstellung von Kunststoffteilen für den Endverbrauch, bei denen Komplexität oder geringe Stückzahlen den Einsatz von Formen unwirtschaftlich machen.
Wenn Sie schon einmal ein Handy in der Hand gehalten, ein Auto gefahren oder eine Tablette aus einer Blisterpackung entnommen haben, dann haben Sie das Ergebnis eines Jahrhunderts voller Innovationen in der Kunststoffherstellung berührt.
Für die meisten von uns im Ingenieurwesen oder im Design sind Kunststoffe mehr als nur Werkstoffe. Sie sind der Grund dafür, dass Ideen vom CAD in die Produktion gelangen können, ohne das Projekt in den Ruin zu treiben.
Dennoch verändert sich das Fertigungsverfahren für Kunststoffprodukte rasant. Automatisierung, Nachhaltigkeitsziele und additive Fertigung – allgemein bekannt als 3D-Druck – verändern die Möglichkeiten und Erwartungen in Produktionsumgebungen grundlegend. Es geht nicht mehr nur um die Frage „Wie günstig können wir dieses Teil herstellen?“, sondern um „Wie intelligent, effizient und nachhaltig können wir den gesamten Arbeitsablauf gestalten?“
Werfen wir einen Blick auf das Fertigungsverfahren für Kunststoffprodukte und darauf, wohin es sich als Nächstes entwickelt.
Im Grunde geht es bei der Kunststofffertigung darum, erhitzte Polymere in nützliche Formen zu bringen.
Das kann eine massenproduzierte Getränkeflasche sein, ein einzelner Prototyp eines Zahnrads oder ein Präzisionsbauteil für einen Operationsroboter. Der Zweck ist derselbe: etwas Flexibles und Unverarbeitetes in etwas langlebiges, funktionales und Reproduzierbares zu verwandeln.
Die Kunststoffherstellung erlebte in den 1950er Jahren einen regelrechten Aufschwung, als Materialien wie Nylon, ABS und Polyethylen den Durchbruch schafften. Plötzlich konnten Hersteller leichtere, kostengünstigere und komplexere Teile herstellen, als es mit Metall oder Holz jemals möglich gewesen wäre. Das veränderte ganze Branchen. Autos wurden leichter, Verpackungen sicherer, und Konsumgüter entwickelten sich vom Luxusartikel zum Alltagsgegenstand.
Heute nutzen wir Kunststoffe in einem enormen Ausmaß. Es geht nicht mehr darum, zwischen „Gießen“ und „Zerspanung, maschinelle Bearbeitung“ zu wählen. Hersteller setzen zunehmend auf 3D-Druck, hybride Arbeitsabläufe und digitale Fertigungssysteme, die Designänderungen und Fertigungsdurchgänge schneller als je zuvor ermöglichen.
Und wenn Sie schon einmal darum gekämpft haben, die Vorlaufzeit für den Werkzeugbau um eine Woche zu verkürzen oder die Kosten für eine Design-Iteration zu rechtfertigen, werden Sie verstehen, warum das wichtig ist.
Wenn man durch eine beliebige Produktion geht, sieht man überall Kunststoffe. Sie bieten eine Ausgewogenheit, die kein anderes Material ganz so gut erreicht: Sie sind langlebig genug, um ihre Aufgabe zu erfüllen, kostengünstig genug, um in großem Maßstab eingesetzt zu werden, und flexibel genug, um sich anzupassen.
Metalle sind präzise, lassen sich aber nur teuer anpassen. Verbundwerkstoffe sind robust, ihre Zuverlässigkeit bei der Herstellung ist jedoch komplex. Kunststoffe hingegen liegen genau im optimalen Bereich: Sie bieten Ingenieuren mehr Freiheit und sind gleichzeitig wirtschaftlich sinnvoll.
Dank Kunststoffen ist eine Autotürverkleidung heute nur noch halb so viel wie vor 30 Jahren. Prothesen können Leichtbau-Komponenten enthalten und dennoch bequem sein und langlebig. Und deshalb funktionieren Gaming-Controller auch noch, nachdem sie quer durch den Raum geschleudert wurden.
Natürlich spielt auch die finanzielle Seite eine Rolle. Die globale Kunststoffindustrie hat einen Wert von Billionen und berührt nahezu jede Lieferkette in der Fertigung. Was sich verändert, ist nicht die Rolle, die Kunststoffe spielen, sondern wie effizient sie entwickelt und produziert werden können. Verfahren wie die additive Fertigung sind Teil dieses Wandels und helfen Teams dabei, Entwürfe früher zu testen, Komplexität zu bewältigen und die Kosten für Änderungen zu senken, bevor sie in die Serienproduktion gehen.
Was auch immer Sie sich an Seltsamem und Wunderbarem ausdenken können – mit Kunststoffen lässt es sich wahrscheinlich herstellen. Allerdings verhalten sich nicht alle Kunststoffe gleich, wenn man sie Hitze oder Druck aussetzt. Schauen wir uns die verschiedenen Kunststoffarten und ihr Verhalten einmal genauer an.
Grob gesagt lassen sie sich in zwei Gruppen einteilen: Thermoplaste und Duroplaste.
Thermoplaste sind die Formwandler der Materialwelt. Erhitzt man sie, werden sie weich; kühlt man sie ab, nehmen sie wieder ihre ursprüngliche Form an und sind sofort einsatzbereit.
Man sieht sie überall: ein Armaturenbrett aus ABS, eine durchsichtige PETG-Flasche, das Klicken eines Polypropylen-Behälters, das Nachgeben eines Nylon-Scharniers. Selbst PLA, der pflanzliche Newcomer, behauptet sich im Verpackungs- und Prototyping.
Ihre Superkraft ist ihre Vielseitigkeit. Dieselbe chemische Zusammensetzung, die es einem Material ermöglicht, sich zu einer Folie zu dehnen, lässt ein anderes so fest werden, dass es für Bauteile geeignet ist. Und da es wiedererwärmt und umgeformt werden kann, sind Thermoplaste zudem die am besten recycelbare Materialfamilie – ein entscheidender Faktor in jeder Diskussion über Kreislaufwirtschaft.
Während Thermoplaste wiedererwärmt und umgeformt werden können, sind Duroplaste das Gegenteil davon. Einmal ausgehärtet, behalten sie ihre Form ein für alle Mal. Diese Beständigkeit ist der Grund, warum sie in Dingen zum Einsatz kommen, bei denen ein Versagen nicht in Frage kommt: Leiterplatten, Labortischplatten, Bremsbeläge.
Epoxidharze verbinden Flugzeugstrukturen, Phenolharze schützen elektrische Gehäuse, und Urethan-Kunstharze überstehen es, wenn Gabelstapler rund um die Uhr über sie hinwegrollen. Man kann sie nicht einschmelzen und von vorne beginnen, aber genau diese Stabilität ist der springende Punkt.
Bei Stratasys nutzen wir beide Seiten der Polymerwelt: FDM® und SAF® drucken echte technische Thermoplaste, während PolyJet™, P3™ DLP und Neo® photopolymerische Duroplaste für hohe Detailgenauigkeit und dauerhafte Stabilität verwenden. Zusammen decken sie die beiden Extreme der Kunststofffertigung ab: von flexibel bis absolut stabil.
Discover Stratasys MaterialsDer Spritzguss ist das unbestrittene Arbeitspferd der Massenproduktion: Das wiederholte Befüllen von Formen mit geschmolzenem Kunststoff mit Mikrometerpräzision.
Sobald die Kosten für die Werkzeuge/den Werkzeugbau einmal gedeckt sind, ist der Prozess wirklich unaufhaltsam. Türverkleidungen, Zahnbürstengriffe, Inhalatoren … sie alle werden im Spritzgussverfahren hergestellt. Für die meisten Spritzgussteile kommen bekannte Thermoplastics wie Polypropylen, Polyethylen, ABS, Polycarbonat und Nylon zum Einsatz – Materialien, die aufgrund ihrer vorhersehbaren Verarbeitbarkeit und Zuverlässigkeit in Werkzeugen für die Großserienfertigung ausgewählt werden. Allerdings sind Werkzeuge/Werkzeugbau weder billig noch schnell, und wenn man nach der Fertigung der Form einen Konstruktionsfehler entdeckt, ist das ein kostspieliger „Ausrutscher“, der den Markteintritt verzögert.
Daher integrieren die meisten Teams, die auf Spritzguss setzen, den 3D-Druck als Front-End-Werkzeug in den Prozess ein: zur Validierung der Geometrie, zum Testen von Baugruppen und in manchen Fällen zur Herstellung von Prototypen für Formeinsätze oder Werkzeuge/Werkzeugbau, bevor der Stahl zugeschnitten wird.
Explore injection molding with additive manufacturing in our eBookGeschmolzener Kunststoff wird wie industrielle Zahnpasta durch eine Formdüse gepresst und tritt als endloses Rohr, Profil oder Platte aus.
Das ist zwar nicht besonders glamourös (obwohl es durchaus hypnotisierend wirkt!), aber es bildet das Rückgrat für alles, von Bewässerungsschläuchen bis hin zu Fensterrahmen. Ist die Anlage einmal eingerichtet, läuft sie einfach Stunde um Stunde und produziert dabei eine perfekte Konsistenz. Bei der Extrusion werden in der Regel bekannte Materialien wie PVC, PP und PE verarbeitet – alles, was sauber schmilzt und beim Abkühlen ein gleichmäßiges Profil beibehält. Man kann einen einfachen Querschnitt von unendlicher Länge herstellen. Es ist wie Kunststofffertigung auf einem Laufband: gleichmäßig, vorhersehbar und mit hoher Zuverlässigkeit.
Die additive Fertigung wird oft zur Herstellung kurzer Testabschnitte oder Vorrichtungen eingesetzt, um Teams dabei zu helfen, Extrusionsprofile zu validieren, bevor sie sich für den Werkzeugbau entscheiden.
Hier entstehen die Flaschen. Stellen Sie sich vor, wie eine Blase aus geschmolzenem Kunststoff in einer Form gegossen wird und dabei ihre Form annimmt – wie ein Ballon, der in eine Rüstung gepresst wird. Das ist das Gießen.
Das Blasformen ist schnell, kostengünstig und ideal für Hohlkörper, von Waschmittelflaschen bis hin zu Luftkanälen in Fahrzeugen. Die meisten blasgeformten Teile bestehen aus PET oder HDPE, um Leichtbau-Verpackungen mit hoher Schlagfestigkeit zu erhalten. Die Wandstärke kann zwar leicht variieren, doch für die meisten Verbraucherverpackungen ist dieses Verfahren unschlagbar.
Additive Fertigung wird häufig eingesetzt, um blasgeformte Vorformlinge und deren Passgenauigkeit zu testen, bevor der Werkzeugbau beginnt.
Das Rotationsgießen (oder Rotomolding) ist ein langsamer und eleganter Prozess. Man füllt Polymerpulver in eine hohle Form, erhitzt es und dreht die Form um zwei Achsen, bis jede Oberfläche beschichtet ist.
Das Ergebnis des Rotationsgießens ist ein großes, spannungsfreies Bauteil ohne Schweißnähte oder Fugen. Produkte wie Kajaks, Tanks oder Spielplatzgeräte sind gute Beispiele für rotationsgeformte Erzeugnisse, und auch wenn man damit beim Durchlaufzeit-Wettlauf niemals gewinnen wird, punktet man bei der langlebigen Qualität.
Das Rotationsformen erfolgt fast immer mit Polyethylen (PE), manchmal auch mit Polypropylen oder PVC für Spezialanwendungen, die unter langsamer Erwärmung gleichmäßig fließen und die Oberfläche beschichten.
Man nehme eine erhitzte Kunststofffolie, lege sie über eine Form und sauge die gesamte Luft heraus: Das ist Vakuumformen in Kurzform. Auf diese Weise gelangen Elektronikartikel, Tabletten und Scheren in perfekt geformte Blisterverpackungen. Das Verfahren ist kostengünstig, schnell und eignet sich perfekt für einfache Gehäuse oder Bauplatten. Feine Details oder komplexe Geometrien lassen sich damit zwar nicht realisieren, aber wenn es auf Geschwindigkeit und Preis ankommt, ist es kaum zu übertreffen.
Die Verwendung der additiven Fertigung zur Herstellung von Formwerkzeugen oder Formmodellen für das Vakuumformen bietet eine schnellere und kostengünstigere Alternative zum maschinellen Werkzeugbau.
Beim Polymer-Guss mischt man das Kunstharz an, gießt es in eine Form, und die chemischen Eigenschaften des Materials erledigen den Rest. Der Polymerguss eignet sich perfekt für Sonderanfertigungen oder Kleinserien, bei denen sich der Aufwand für die Herstellung von Werkzeugen nicht lohnt. Das Verfahren ist zwar langsamer, aber sehr flexibel und ideal für Konzeptmodelle, Requisiten oder funktionsfähige Einzelteile.
Die Zerspanung von Kunststoffen ist eine Freude, wenn man schon einmal mit einem zum Rattern neigenden Aluminiumteil zu kämpfen hatte. Sie lassen sich sauber zerspanen, sind stabil und ermöglichen Toleranzen im Mikrometerbereich. Sie eignen sich perfekt für Vorrichtungen, Prüfstände oder kleine Fertigungsdurchgänge.
Zwar fallen dabei etwas Verschnitt und längere Vorlaufzeiten an, doch was die Genauigkeit angeht, bleibt die CNC-Bearbeitung ein fester Bestandteil der meisten Arbeitsabläufe im Kunststoffbereich. In vielen Arbeitsabläufen ergänzt die additive Fertigung die CNC-Bearbeitung, indem sie frühe Iterationen oder komplexe Geometrien übernimmt.
Jedes Kunststoffprodukt durchläuft denselben Zyklus: Entwurf, Prototyp, Fertigung, Optimierung. In der Praxis verschmelzen diese Phasen jedoch oft miteinander.
Es beginnt mit dem Entwurf. Man hat CAD-Modelle, eine grobe Vorstellung von den Materialien und jede Menge Meinungen. Je früher man sich Gedanken darüber macht, wie etwas tatsächlich hergestellt werden soll – etwa Wandstärken, Entformungsschrägen und Hinterschneidungen –, desto weniger Zeit verbringt man später mit der Behebung von Problemen.
Dann folgt das Prototyping, in dem Ideen auf die Realität treffen. Manchmal ist das ein 3D-gedruckter Prototyp, der am nächsten Morgen auf deinem Schreibtisch liegt; manchmal ist es ein gefrästes Teststück oder eine Kleinserie aus einer Weichform. So oder so: Dies ist die Phase, in der Dinge zum ersten Mal kaputtgehen, sich verformen oder perfekt zusammenpassen – und genau darum geht es, denn so lernst du, was funktioniert, bevor es teuer wird.
Und schließlich die Endbearbeitung und Validierung: die ruhige Phase, in der alles zugeschnitten, getestet, beschichtet oder vermessen wird. Hier wird aus „nahe genug“ „bereit für den Kunden“. Das Oberflächenfinish macht oft den Unterschied zwischen einem Prototyp und einem serienreifen Teil aus – Schleifen, Dampfglätten, Lackieren oder Beschichten können sowohl das Aussehen als auch die Leistung verbessern.
Die besten Teams nutzen jeden Zyklus, um Erkenntnisse in die Konstruktion zurückfließen zu lassen und so Zeit bei der nächsten Markteinführung zu sparen. Das ist das unscheinbare Geheimnis guter Fertigung: Stetige Iteration ist jedes Mal besser als ein einziger großer Sprung.
In der Produktion kommt es auf die Wiederholbarkeit an. Spritzguss, Extrusion und Rotationsformen – das sind die gleichmäßigen, industriellen Abläufe, die aus einer guten Idee Tausende einheitlicher Teile machen.
Die additive Fertigung kann sowohl in der Produktion als auch in der Konstruktionsphase eine Rolle spielen: Sie eignet sich hervorragend für die Herstellung von Kleinserien oder maßgeschneiderten Endbauteilen, wenn sich der Einsatz von Werkzeugen nicht lohnt oder die Geometrie für das Gießen zu anspruchsvoll ist.
Kunststoffe haben ein Imageproblem, und das nicht ohne Grund. Sie haben das moderne Leben leichter, billiger und sicherer gemacht, aber sie haben auch Spuren hinterlassen, die schwer zu ignorieren sind. Jeder Ingenieur muss heute nicht nur darüber nachdenken, wie die Bauteilleistung eines Teils ist, sondern auch, was mit ihm geschieht, wenn es ausgedient hat.
Die Herausforderung besteht nicht darin, dass Kunststoffe nicht recycelt werden können, sondern darin, dass die meisten nicht recycelt werden. Oder sie sind nicht kreislauffähig, d. h., das recycelte Material weist ähnliche Eigenschaften wie Neuware auf. Materialgemische, Beschichtungen und Verunreinigungen erschweren die Rückgewinnung, und selbst gut gemeinte Systeme haben Mühe, Schritt zu halten. Deshalb werden derzeit große Anstrengungen unternommen, um den Kreislauf zu schließen: Es werden Teile entworfen, die sich trennen lassen, Kunststoffe ausgewählt, die zu neuen Produkten verarbeitet werden können, und Materialien so formuliert, dass sie so lange wie möglich recycelt werden können. Da die Recyclingverfahren sauberer und kontrollierter werden, sind die daraus gewonnenen Materialien mittlerweile so gleichmäßig, dass sie in Anwendungen zum Einsatz kommen, für die vor einigen Jahren noch ausschließlich Neuware verwendet worden wäre.
Gleichzeitig beginnen neue Materialien, das Bild zu verändern. Biologisch abbaubare Kunststoffe und biobasierte Polymere verbessern sich rasch, wobei ihre mechanischen Eigenschaften endlich mit denen herkömmlicher Polymere gleichziehen.
Auch die additive Fertigung trägt dazu bei, indem sie Ersatzteile nach Bedarf und näher am Einsatzort herstellt, sodass Hersteller Transportemissionen reduzieren und Überbestände vermeiden können.
Nachhaltigkeit umfasst auch die Sicherheit der Menschen und die Verringerung der Belastung durch giftige Zusatzstoffe, Dämpfe und hormonstörende Verbindungen. Sauberere chemische Verfahren und ein sicherer Umgang mit Materialien sind mittlerweile standardmäßige Konstruktionsaspekte und keine nachträglichen Überlegungen mehr.
Nachhaltigkeit ist also nicht nur eine Frage der Materialien, sondern auch der Verbesserung der Systeme. Die Branche bewegt sich in Richtung einer Kreislaufwirtschaft, in der Kunststoffabfälle wieder zu Rohstoffen werden. Noch ist das System nicht perfekt, aber jedes leichtere Bauteil, jede recycelte Spule und jedes lokal gedruckte Bauteil bringt die Fertigung diesem Ziel ein Stück näher.
