Kunststoff-Fertigungsverfahren im Vergleich: Tiefziehen vs. Spritzguss, 3D-Druck, CNC-Fräsen & Schaumstoff

Kunststoff-Fertigungsverfahren im Vergleich - Das Wichtigste in Kürze

• Kunststoff-Fertigungsverfahren unterscheiden sich vor allem in Time-to-Market, Kosten, Designfreiheit, Robustheit, Materialvielfalt und Automatisierbarkeit.
• Tiefziehen ist besonders vorteilhaft in kleinen bis mittleren Serien und bietet kurze Projektlaufzeiten.
• Spritzguss lohnt sich für große Stückzahlen, verursacht aber hohe Werkzeugkosten.
• Fräsen & 3D-Druck eignen sich für Prototyping, sind aber in Serienfertigung teuer.
• Schaumstoff- und Standardlösungen sind kostengünstig, aber technisch limitiert.

Was zählt zu den wichtigsten Kunststoff-Fertigungsverfahren?

In der Kunststofftechnik werden je nach Bauteilgeometrie und Stückzahl unterschiedliche Kunststoffverfahren eingesetzt.

In der Kunststofftechnik unterscheidet man diese Verfahren primär nach Formgebungsmethode, Stückzahl, Präzision und Materialeigenschaften. 

Wie funktionieren die wichtigsten Kunststoff-Fertigungsverfahren?

Hier ein kurzer Überblick zur Funktionsweise:

Kunststoff Tiefziehen (Thermoformen)

Beim Tiefziehen wird eine Kunststoffplatte erwärmt und anschließend in eine Form gezogen. Das Verfahren eignet sich unter anderem für Behältnisse, Gehäuse, Verpackungen oder auch Inlays.

Spritzguss

Beim Spritzguss wird Kunststoff zunächst geschmolzen und anschließend unter Druck in ein geschlossenes Werkzeug eingespritzt. Dort erstarrt das Material durch kontrollierte Kühlung, bevor die Form geöffnet und das Bauteil entnommen wird.

Fräsen / 3D-Druck

Beim CNC-Fräsen wird ein Bauteil aus einem Kunststoffblock herausgearbeitet, indem ein computergesteuerter Fräskopf das Material entlang vorgegebener Bahnen präzise abträgt.

Beim 3D-Druck, auch als additive Fertigung bekannt, wird ein Bauteil anhand eines digitalen 3D-Modells schichtweise aus Kunststoff aufgebaut.

Schaumstoff / Standardlösungen

Schaumstoff kann sowohl chemisch als auch physikalisch hergestellt werden. Beim chemischen Schäumen reagieren typische Komponenten wie Polyol und Isocyanat miteinander, wobei unter anderem CO₂ entsteht. Dieses Gas sorgt dafür, dass die Masse aufschäumt. Beim physikalischen Schäumen wird ein Treibmittel zugesetzt, das sich durch Hitze ausdehnt oder verdampft und so die Porenstruktur bildet.

Nach dem Aufschäumen härtet der Schaumstoffblock aus und kann anschließend geschnitten, gestanzt oder CNC-bearbeitet werden. Die so entstehenden Schaumstoffteile eignen sich vor allem für einfache Verpackungen, Polsterelemente oder Standardlösungen.

Die Top 5 Entscheidungsfaktoren, welches Kunststoff-Fertigungsverfahren sich am besten für Ihre Anwendung eignet

Verglichen werden die Verfahren in fünf oft entscheidenden Kategorien, wenn es um die Umsetzung von Kunststoffteilen geht:

1. Time-to-Market
2. Kostenstruktur (bei kleinen und mittleren Serien)
3. Designfreiheit & Änderungsaufwand
4. Mechanische Robustheit
5. Materialauswahl

1. Time-to-Market

Schnelle Entwicklungs- und Produktionsstarts ermöglichen es, auf Marktanforderungen zu reagieren. Besonders in dynamischen Märkten kann eine kurze Time-to-Market entscheidend sein, um auf Designänderungen oder Engpässe in der Lieferkette schnell zu reagieren.

Kunststoff Tiefziehen (Thermoformen)

Ein Tiefziehprojekt kann im besten Fall schon in unter 6 Wochen ausgeliefert werden. Dies beinhaltet 1-2 Wochen für die Erstellung der Konstruktion auf Basis der Anforderungen und der Daten in Absprache mit dem Unternehmen. Nach Freigabe der Konstruktionsdaten startet die Fertigung des Serienwerkzeugs aus Aluminium. Je nach Dringlichkeit kann dies in 3 Wochen geschehen.

Sobald das Werkzeug fertig ist, wird dieses zum Tiefziehhersteller gebracht und erste Muster aus Serienwerkzeug und -material gezogen. Nach Freigabe der Serienmuster erfolgt die Serienproduktion. Je nach Stückzahlen und unter Voraussetzung geblockter Kapazitäten beim Hersteller, kann hier schon nach zwei Wochen (teil-) geliefert werden.

Spritzguss

Beim Spritzguss liegt die Werkzeugherstellung typischerweise bei sechs bis zwölf Wochen, was den Serienstart entsprechend nach hinten verschiebt.

Fräsen / 3D-Druck

Der 3D-Druck ist sehr schnell bei kleineren Mengen oder auch Prototypen, da kein Werkzeug erforderlich ist. Dadurch gibt es keine Vorlaufzeiten. Sobald die CAD-Daten vorliegen, können Teile innerhalb weniger Tage gefertigt werden.

Für große Serien ist der 3D-Druck oder das Fräsen aufgrund der langsameren Fertigungsgeschwindigkeit, schlechten Skalierbarkeit und höheren Materialkostenanteil eingeschränkt.

Schaumstoff / Standardlösungen

Schaumstoff- und Standardlösungen sind sofort einsatzbereit, bieten jedoch oft nicht die Präzision, die für technisch anspruchsvolle Anwendungen erforderlich sind.

2. Kostenstruktur bei kleinen und mittleren Serien

In moderaten Stückzahlen wirken sich Fixkosten direkt auf die Wirtschaftlichkeit aus, denn sie erhöhen den Stückpreis deutlich. Verfahren mit niedrigen Fixkosten ermöglichen effizientere Stückkosten und reduzieren das Risiko einer unwirtschaftlichen Serie.

Kunststoff Tiefziehen (Thermoformen)

Ein zentraler Kostentreiber eines Tiefziehprojekts sind die Werkzeugkosten, welche eine einmalige Investition im vier- bis fünfstelligen Bereich darstellen. Diese Kosten amortisieren sich mit steigender Stückzahl. Da sich Skaleneffekte bei den Materialkosten nicht in gleichem Maße einstellen, steigt der Materialkostenanteil pro Tiefziehteil mit zunehmender Menge und wird somit zur größten Kostenstelle.

Im Vergleich zu den anderen Kunststoff-Fertigungsverfahren besetzt Tiefziehen hier den “Sweet Spot” zwischen mehreren 100 und 10.000 Stückteilen, da die initialen Werkzeugkosten deutlich geringer sind, als beim Spritzguss und die Stückpreise deutlich günstiger als bei 3D Druck.

Spritzguss

Spritzguss hat ein kostenintensives Start-Investment in das Werkzeug, ist aber durch geringe Stückpreise ab circa 10.000 Stück in den Gesamtkosten günstiger. Dadurch rechnet sich das Fertigungsverfahren erst bei sehr großen Serien.

Fräsen / 3D-Druck

3D Druck hat keine initialen Werkzeugkosten, dann aber auch aufgrund gleichbleibender Produktionszeiten nur noch wenig Spielraum in der Stückzahl- Degression. Auch Fräsen verursacht hohe Stückkosten, wodurch das Verfahren für kleine und mittlere Serien schnell unwirtschaftlich wird.

Schaumstoff / Standardlösungen

Schaumstofflösungen sowie Standardlösungen sind kostengünstig, bieten aber in vielen Fällen keine ausreichende technische Langlebigkeit.

3. Designfreiheit & Änderungsaufwand

Ein Fertigungsverfahren, das flexibel auf Produktänderungen vor allem in der Entwicklungsphase reagieren kann und Anpassungen nicht teuer oder zeitaufwendig macht, reduziert Entwicklungsrisiken. So lassen sich Updates und Optimierungen ohne hohe Zusatzkosten umsetzen.

Kunststoff Tiefziehen (Thermoformen)

Tiefziehen bietet eine hohe Flexibilität und ermöglicht Anpassungen, auch bei speziellen Anforderungen wie ESD- oder STANAG-Konformität.

Spritzguss

Spritzguss erlaubt Designfreiheit, jedoch führen Änderungen am Werkzeug oft zu erheblichem Aufwand und hohen Anpassungskosten.

Fräsen / 3D-Druck

Fräsen und 3D-Druck ermöglichen Änderungen. Das Fräsen stößt jedoch an geometrische Grenzen, was den Gestaltungsspielraum reduziert. Der 3D-Druck ermöglicht einen großen Gestaltungsspielraum.

Schaumstoff / Standardlösungen

Schaumstoff- und Standardkomponenten bieten kaum Individualisierungsmöglichkeiten und bleiben auf Standardformen beschränkt.

4. Mechanische Robustheit

Kunststoffteile wie Gehäuse oder Verkleidungen müssen im realen Einsatz belastbar sein. Ein ungeeignetes Verfahren führt zu Bauteilen, die sich verformen, brechen oder unsicher sind, welches hohe Folgekosten in Montage und Service mit sich bringt.

Kunststoff Tiefziehen (Thermoformen)

Durch anpassbare Wandstärken und die verwendeten Materialien bietet Tiefziehen eine hohe Steifigkeit und sehr gute mechanische Belastbarkeit.

Spritzguss

Spritzgussteile erreichen ebenfalls eine hohe Belastbarkeit und sind im Bezug auf Robustheit mechanisch gleichwertig zu Tiefziehteilen.

Fräsen / 3D-Druck

3D-gedruckte Bauteile weisen deutliche Einschränkungen in der mechanischen Belastbarkeit auf.

Schaumstoff / Standardlösungen

Auch Schaumstofflösungen sind mechanisch wenig belastbar und daher für funktionale technische Anwendungen meist ungeeignet.

5. Materialauswahl

Materialien bestimmen sowohl Funktionalität als auch Langlebigkeit. Anforderungen wie ESD-Schutz, UV-Beständigkeit, Temperaturverhalten oder chemische Resistenz sind oft projektentscheidend. Verfahren mit eingeschränkter Materialauswahl können den Einsatzbereich stark limitieren.

Kunststoff Tiefziehen (Thermoformen)

Tiefziehen ermöglicht eine breite Auswahl an Materialien, einschließlich spezialisierter Varianten wie ESD-fähiger oder schwer entflammbarer Materialien, wodurch viele technische Anforderungen abgedeckt werden.

Spritzguss

Spritzguss bietet eine gewisse Materialvielfalt, ist jedoch durch prozessspezifische Anforderungen in der Auswahl und Kombination von Kunststoffen eingeschränkt.

Fräsen / 3D-Druck

Die Materialauswahl bei Fräsen und 3D-Druck ist stark abhängig von der jeweiligen Maschine, sodass nicht alle technischen Kunststoffe realisierbar sind.

Schaumstoff / Standardlösungen

Schaumstoffe lassen sich kaum spezifizieren und erfüllen daher nur einfache Materialanforderungen.

Kunststoff-Fertigungsverfahren im tabellarischen Vergleich:

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