Vergleich von Spritzguss und Rotationsformen für die Kunststoffindustrie

Im Bereich der Herstellung von Kunststoffteilen und -produkten stehen Designern mehrere Optionen für die Formgebungstechnologie zur Verfügung, wobei Kosten, Qualität, Vielseitigkeit und Produktionszyklus die wichtigsten Faktoren sind. Während das Spritzgießen lange Zeit als primäres Herstellungsverfahren dominierte, gewinnt das Rotationsformen (auch Rotomolding genannt) durch kontinuierliche Innovation an Bedeutung und stellt allmählich die Vormachtstellung des Spritzgießens in Frage.

Rotationsformen ist ein einzigartiges Kunststoffformverfahren, bei dem eine vorbestimmte Menge an Polymerpulver oder -harz in eine Form gefüllt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren sind Rotomolding-Formen hochmobil – sie werden in eine Heizkammer gestellt, in der sie sich gleichzeitig um zwei senkrechte Achsen drehen. Diese kontinuierliche Rotation gewährleistet eine gleichmäßige Wärmeverteilung, wodurch das Polymer gleichmäßig schmilzt und die Innenfläche der Form beschichtet.

Im Gegensatz zu spritzgegossenen Produkten weisen rotomolded Artikel keine inneren Spannungskonzentrationspunkte auf, was ihre Druck- und Schlagfestigkeit erheblich erhöht und gleichzeitig das Bruchrisiko unter Belastung verringert. Nach dem Erhitzen wird die Form abgekühlt (typischerweise über Ventilatoren oder Wasserkühlung), um das Polymer in Form zu verfestigen. Der Entformungsprozess ist relativ einfach und erfordert keine komplexen mechanischen Vorrichtungen.

Mit einem Anteil von über 30 % an weltweit hergestellten Produkten ist das Spritzgießen nach wie vor das „Arbeitspferd“ der Fertigung. Seine Anforderungen an teure Ausrüstung machen es jedoch typischerweise nur für die Massenproduktion rentabel, um Skaleneffekte zu erzielen. Obwohl es einige Prinzipien mit dem Rotationsformen teilt, ist das bestimmende Merkmal des Spritzgießens seine Abhängigkeit von hohem Druck.

Der Prozess beginnt mit dem Schmelzen von thermoplastischen Pellets in einem beheizten Zylinder. Hydraulischer Druck presst dann den geschmolzenen Kunststoff in einen Formhohlraum. Nach dem Abkühlen und Aushärten wird das fertige Produkt ausgeworfen, was in der Regel nur minimale Nachbearbeitung erfordert. Trotz einiger Gemeinsamkeiten weisen die beiden Verfahren entscheidende Unterschiede auf, die sich direkt auf die Fertigungsentscheidungen auswirken.

Beim Rotationsformen wird hauptsächlich Polyethylen (PE) verwendet – ein leichtes, vielseitiges, recycelbares Harz, das etwa 30 % aller Kunststoffe weltweit ausmacht. Seine Popularität beruht auf geringen Kosten, Verarbeitbarkeit, ausgezeichneter elektrischer Isolierung, Zähigkeit, Flexibilität und Ungiftigkeit. Obwohl Polypropylen (PP), PVC und Nylon gelegentlich verwendet werden, sind sie weniger verbreitet.

Das Spritzgießen bietet Platz für eine breitere Palette an Thermoplasten, darunter:

• ABS : Ein undurchsichtiges Thermoplast, das für Zähigkeit und Schlagfestigkeit bekannt ist und in Elektronikgehäusen, Automobilteilen und LEGO-Steinen verwendet wird.
• Polycarbonat (PC) : Eine transparente, leichte, langlebige Glasalternative für Dächer oder Schutzbrillen.
• Polyamid : Ein synthetisches Polymer auf Erdölbasis, das Verschleißfestigkeit zu geringen Kosten bietet.
• Polystyrol : Ein leichtes synthetisches Polymer, das für seine Isolier- und Schutzeigenschaften in Verpackungen und im Bauwesen geschätzt wird.

Beim Spritzgießen werden auch duroplastische Polymere verarbeitet. Während Thermoplaste wieder aufgeschmolzen und umgeformt werden können, werden Duroplaste nach dem Aushärten dauerhaft starr und bieten typischerweise eine höhere Festigkeit.

Spritzgussformen – in der Regel aus teurem Edelstahl, P20-Stahl oder H13-Stahl – sind nach der Herstellung nur schwer zu modifizieren. Konstruktionsänderungen erfordern oft die vollständige Verschrottung und Neuanfertigung von Werkzeugen. Im Gegensatz dazu verwenden Rotomolding-Formen (typischerweise 2-3 mm dick) kohlenstoffarmen Stahl oder Aluminium, da das Verfahren keinen Druck erfordert, was sie deutlich günstiger und leichter zu modifizieren macht.

Das Rotationsformen schaffte aufgrund der Anforderungen an das Heizen/Kühlen traditionell nur 1-2 Zyklen pro Stunde, was die Leistung einschränkte. Elektrisch beheizte Formen und Roboterproduktionseinheiten ermöglichen jetzt jedoch eine schnellere, energieeffizientere Skalierung. Während einzelne Zyklen langsamer bleiben als beim Spritzgießen, dauert es bis zur Produktionsphase in der Regel insgesamt weniger Zeit – manchmal Monate schneller als bei Spritzgussprojekten.

Mit niedrigeren Form- und Materialkosten erweist sich das Rotationsformen als kostengünstig für kleine bis mittlere Produktionsläufe und reduziert den Abfall für begrenzte Mengen. Das Spritzgießen zeichnet sich durch eine schnelle Massenproduktion aus – trotz höherer anfänglicher Formkosten sinken die Kosten pro Einheit bei Skalierung erheblich, was es für kleine Chargen ineffizient macht.

Das Rotationsformen bietet außergewöhnliche Designfreiheit und produziert komplexe Formen, Größen und Merkmale, die mit anderen Verfahren nicht erreichbar sind. Seine Dimensionsstabilität unterstützt große Hohlteile wie Lagertanks und ermöglicht gleichzeitig die einfache Integration von Einsätzen, Gewinden oder doppelwandigen Merkmalen. Das Verfahren erzeugt nahtlose Einzelteile mit weniger Spannungspunkten und geringeren Bruchrisiken.

Das Spritzgießen bietet hohe Präzision für die wiederholte Massenproduktion und erzielt Designs mit einer Genauigkeit von ±0,001 Zoll mit konsistenten Ergebnissen über alle Produktionsläufe hinweg.

Das Rotationsformen entwickelt sich zu einem der am schnellsten wachsenden Sektoren der Kunststoffherstellung, insbesondere angesichts der steigenden Nachfrage nach nachhaltigen Produkten. Der globale Markt für Rotomolding-Maschinen – der 2023 auf 918,7 Millionen US-Dollar geschätzt wurde – wird voraussichtlich bis 2033 1,32 Milliarden US-Dollar erreichen. Dieser Anteil, der derzeit 1-2 % der Verpackungsmaschinen ausmacht, wird voraussichtlich schnell wachsen, da technologische Fortschritte die Umweltverträglichkeit des Verfahrens weiter verbessern.