Blechumformung vs. Stanzen: Welches Verfahren eignet sich für Ihr Bauteil?

Blechbauteile können auf zwei grundlegend unterschiedliche Arten hergestellt werden. Bei der allgemeinen Blechumformung – die auf CNC-Laser- oder Revolverstanzschneiden in Kombination mit dem Biegen auf Abkantpressen basiert – kommen universelle Anlagen und Werkzeuge zum Einsatz, die von Auftrag zu Auftrag neu konfiguriert werden können. Beim Stanzen wird ein maßgeschneiderter Stanzwerkzeugsatz in einer mechanischen oder hydraulischen Presse eingesetzt, um ein bestimmtes Teil in einem oder wenigen Hüben zu schneiden, zu stanzen und zu formen. Die beiden Verfahren stehen nicht in Konkurrenz zueinander; sie sind Werkzeuge, die für unterschiedliche Produktionsmengen, Teilegeometrien und Reifegrade der Konstruktion geeignet sind.

Kurz gesagt: Wenn Sie Hunderte von Teilen oder weniger fertigen oder mit Konstruktionsänderungen rechnen, ist das allgemeine Umformen fast immer die kostengünstigere Variante. Wenn Sie Zehntausende von Teilen einer feststehenden Konstruktion fertigen, überwiegt in der Regel der Kostenvorteil des Stanzens pro Teil – der dadurch erzielt wird, dass sich die hohen Werkzeugkosten auf eine lange Produktionslaufzeit verteilen. Alles, was zwischen diesen beiden Extremen liegt, erfordert eine Wirtschaftlichkeitsanalyse, bei der die Gesamtkosten für das Umformen mit den Gesamtkosten für das Stanzen bei der erwarteten Jahresstückzahl verglichen werden.

In diesem Leitfaden wird erläutert, wie sich die beiden Verfahren hinsichtlich Werkzeugkosten, Wirtschaftlichkeit pro Teil, Toleranzen, Konstruktionsflexibilität und der Geometrie, für die sie jeweils am besten geeignet sind, unterscheiden. Beide fallen unter unsere Dienstleistungen im Bereich Blechbearbeitung, und in unserem … können Sie sehen, wo sie im Gesamtkontext des Toolkits einzuordnen sind. Blechumformungsverfahren Leitfaden.

Was ist die allgemeine Blechumformung?

In der alltäglichen Fertigung versteht man unter ‘Blechumformung’ die Bearbeitung von Flachmaterial mit universell einsetzbaren, programmierbaren Maschinen. Der Rohling wird in der Regel mit einem CNC-Laser oder einer Revolverstanzmaschine zugeschnitten – der Laser für saubere Kanten und komplexe Schnittprofile, die Stanzmaschine für Löcher und Perforationen in großen Stückzahlen. Das zugeschnittene Rohteil wird anschließend auf einer CNC-Abkantpresse gebogen, wo ein Stempel und eine V-Matrize Winkel und Flansche erzeugen. Zu den Folgearbeiten gehören das Einsetzen von Befestigungselementen (Gewindeeinsätze, Abstandshalter, PEM-Befestiger), Punktschweißen, Endbearbeitung und Montage.

Das charakteristische Merkmal der allgemeinen Umformung besteht darin, dass keine teilespezifischen Werkzeuge erforderlich sind. Der Laserschneider und die Abkantpresse können jede Geometrie innerhalb ihrer Kapazitätsgrenzen bearbeiten. Eine Konstruktionsänderung bedeutet lediglich die Aktualisierung eines CNC-Programms und nicht die Verschrottung einer Form. Diese Flexibilität macht die Umformung zur wirtschaftlichen Wahl für Prototypen benötigt, Erstmuster, kleine bis mittlere Produktionsmengen sowie Produkte, deren Design noch nicht endgültig feststeht.

Das Abkantpressen bringt zwar gewisse geometrische Einschränkungen mit sich: Enge Innenradien, tiefe, schmale Kanäle und Bauteile, die mehr als drei oder vier Umrüstungen erfordern, verursachen zusätzliche Kosten. Bei Gehäusen, Halterungen, Fahrgestellen, Verkleidungen, Befestigungsplatten und der breiten Kategorie von Bauteilen, die aus gebogenem Flachmaterial gefertigt werden, lässt sich das allgemeine Umformen jedoch schnell einrichten und ist über einen weiten Stückzahlbereich hinweg wirtschaftlich.

Was ist Stanzen?

Beim Stanzen kommt ein maßgeschneiderter Stanzwerkzeugsatz zum Einsatz – bestehend aus einem auf die exakte Geometrie des Teils abgestimmten Stempel und einer Matrize –, der in einer Presse montiert ist und mit hoher Kraft durch das Blech getrieben wird. Bei einem einfachen Ein-Schlag-Stanzwerkzeug entsteht das Teil mit einem einzigen Presshub. Bei einem Folgewerkzeug wird ein Band aus Coil-Material durch mehrere Stationen geführt, wobei jede Station ein Merkmal hinzufügt – hier eine Lochung, dort eine Aussparung, an der nächsten eine Formgebung –, bis bei jedem Hub ein fertiges Teil aus der letzten Station fällt.

Das Stanzverfahren mit Folgewerkzeugen ist eines der Fertigungsverfahren mit dem höchsten Durchsatz. Die Taktzeiten werden in Hüben pro Minute gemessen, nicht in Teilen pro Stunde. Ein gut konstruiertes Folgeverbundwerkzeug, das in einer Servopresse eingesetzt wird, kann pro Stunde Tausende komplexer Teile mit engen Toleranzen bei minimalem Bedienereingriff produzieren. Bei ausreichendem Stückzahlvolumen betragen die Stückkosten nur einen Bruchteil dessen, was das Umformen auf einer Abkantpresse für dieselbe Geometrie kosten würde.

Der Haken liegt in den Werkzeugen. Ein Folgeverbundwerkzeug für ein mäßig komplexes Bauteil ist eine Baugruppe aus Präzisionswerkzeugstahl, deren Konstruktion, Bearbeitung und Fehlerbehebung Kosten in Höhe von Zehntausenden bis Hunderttausenden Dollar verursachen kann. Die Vorlaufzeiten für Werkzeuge betragen typischerweise sechs bis sechzehn Wochen. Konstruktionsänderungen nach dem Schneiden des Stanzwerkzeugs erfordern eine Nacharbeit oder den Austausch von Werkzeugstationen, was einen erheblichen Teil der ursprünglichen Werkzeugkosten ausmachen kann. Das Stanzen ist daher eine Festlegung auf eine bestimmte Bauteilgeometrie und sollte erst dann erfolgen, wenn die Konstruktion endgültig feststeht und die Stückzahl die Investition rechtfertigt.

Die wichtigsten Abwägungen auf einen Blick

Die Gewinnschwelle: Ab wann lohnt sich das Stanzen?

Der wirtschaftliche Schwellenwert zwischen Umformen und Stanzen ist kein fester Wert; er hängt von der spezifischen Teilegeometrie, der Anzahl der Biegevorgänge, den Werkzeugkosten für die gestanzte Variante und dem Jahresvolumen ab. Das Prinzip ist einfach: Die Gesamtkosten für das Umformen entsprechen den Kosten pro umgeformtem Teil multipliziert mit dem Volumen. Die Gesamtkosten für das Stanzen entsprechen den Werkzeugkosten zuzüglich der Kosten pro gestanztem Teil, multipliziert mit der Stückzahl. Der Schwellenwert ist die Stückzahl, bei der diese beiden Summen gleich sind.

Bei einer einfachen Halterung, die zwei Biegungen an der Abkantpresse erfordert, können die Arbeits- und Rüstkosten für ein geformtes Teil zwischen drei und acht Dollar liegen. Ein Stanzwerkzeug für dasselbe Teil kostet zwar möglicherweise zwanzigtausend Dollar, doch bei großen Stückzahlen kostet das gestanzte Teil nur fünfzig Cent pro Stück. Die Gewinnschwelle liegt bei etwa 4.000 bis 5.000 Teilen – darunter ist das Umformen insgesamt günstiger; darüber liegt das Stanzen vorn. Bei einem komplexeren Teil, das fünf oder sechs Umformvorgänge erfordert, verschiebt sich die Gewinnschwelle nach unten, da jede zusätzliche Einrichtung der Abkantpresse die Kosten für das Umformen erhöht.

Die meisten Entwicklungsteams erstellen Prototypen mittels Umformung und starten die Serienproduktion ebenfalls mit Umformung. Sobald die jährlichen Stückzahlen feststehen und sich das Design in der Praxis bewährt hat, ist die Entscheidung für die Investition in ein Stanzwerkzeug einfach: Man vergleicht die Gesamtkosten für die fortgesetzte Umformung über zwei Jahre mit der Investition in das Stanzwerkzeug zuzüglich der Kosten für die Stanzteile im gleichen Zeitraum. Wenn sich das Stanzwerkzeug in weniger als zwölf bis achtzehn Monaten amortisiert, spricht die Wirtschaftlichkeit für das Stanzen.

Wann sollte man sich für „General Forming“ entscheiden?

Die allgemeine Blechbearbeitung ist die richtige Wahl, wenn es sich um kleine bis mittlere Stückzahlen handelt, wenn sich die Konstruktion noch ändern kann, wenn Sie schnell einen Prototyp oder ein Erstmuster benötigen oder wenn die Teilegeometrie hauptsächlich aus Biegungen und Stanzungen besteht. Sie ist die Standardmethode für auftragsbezogene Fertigungsbetriebe und das Standardverfahren für Gehäuse, Halterungen, Chassis-Blenden, Befestigungselemente und kundenspezifische Strukturbauteile.

Die Flexibilität, ein Design ohne Nacharbeit am Werkzeug zu überarbeiten, ist in der frühen Phase des Produktlebenszyklus ein großer Vorteil. Ein Konstrukteur, der innerhalb von sechs Wochen mithilfe von geformten Prototypen drei oder vier Überarbeitungsversionen einer Halterung durchlaufen kann – etwa durch Ändern der Flanschhöhe, Hinzufügen eines Schlitzes oder Anpassen des Biegewinkels – und dann mit einem geformten Bauteil auf den Markt gehen kann, ist in einer deutlich besseren Position als jemand, der sich bereits bei der ersten Überarbeitung auf ein Stanzwerkzeug festgelegt hat.

Das Umformen eignet sich auch für Werkstoffe und Wandstärken, die beim Stanzen nicht immer wirtschaftlich verarbeitet werden können. Sehr dicke Bleche, Speziallegierungen und Kleinserien mit mehreren unterschiedlichen Teilenummern, die auf derselben Anlage gefertigt werden, lassen sich besser durch Umformen als durch Stanzen herstellen.

Wann sollte man sich für das Stanzen entscheiden?

Das Stanzen ist die richtige Wahl, wenn hohe Jahresstückzahlen anfallen und die Konstruktion stabil ist, wenn das Bauteil komplexe Formmerkmale aufweist – Prägungen, Aussparungen, gezogene Vertiefungen, Mehrfachbiegungen –, die ein Folgewerkzeug in einem Arbeitsgang herstellen kann, für deren Umformung eine Abkantpresse jedoch mehrere Umrüstungen erfordern würde, und wenn die möglichst niedrigen Stückkosten das vorrangige Ziel sind.

In der Automobil-, Haushaltsgeräte-, Unterhaltungselektronik- und Hardware-Fertigung dominiert das Stanzen, da hier große Stückzahlen anfallen, die Konstruktionen für Produktionsläufe von einem bis zu mehreren Jahren festgelegt sind und die Anforderungen an die Stückkosten zu hoch sind, um arbeitsintensive Abkantpressenarbeiten zu rechtfertigen. Die hervorragende Wiederholgenauigkeit Bei Stanzteilen – bei denen jedes Teil aus derselben Werkzeuggeometrie mit im Wesentlichen identischen Abmessungen hervorgeht – wird zudem die nachgelagerte Montage vereinfacht und der Prüfaufwand reduziert.

In der Verteidigungs-, Luft- und Raumfahrt- sowie der medizinischen Fertigung wird das Stanzen gezielter eingesetzt – nämlich dort, wo es sich aufgrund der Stückzahlen und der Konstruktionsstabilität lohnt, während bei geringeren Stückzahlen oder einer größeren Produktvielfalt auf allgemeine Umformverfahren zurückgegriffen wird.

Überlegungen zum Material

Beide Verfahren eignen sich für die gesamte Bandbreite an Blechwerkstoffen: Baustahl (A36, A1011), verzinkter und vorbeschichteter Stahl, kaltgewalzter Stahl, Edelstahl (304, 316, 17-4 PH), Aluminiumlegierungen (5052, 6061) sowie Kupferlegierungen. Die Wahl des Werkstoffs steht in zweierlei Hinsicht in Wechselwirkung mit der Wahl des Verfahrens.

Erstens beeinflusst die Duktilität, welche Formen bei den einzelnen Verfahren ohne Rissbildung hergestellt werden können. Tiefziehverfahren, feine Prägungen und komplexe Formen im Stanzverfahren erfordern Werkstoffe mit ausreichender Dehnbarkeit – kohlenstoffarmer Weichstahl und Aluminium 5052 sind hierfür gut geeignet; 6061-T6 liegt bei extremen Tiefziehvorgängen an der Grenze. Das Biegen auf einer Abkantpresse stellt geringere Anforderungen an die Umformbarkeit und lässt sich mit einer größeren Bandbreite an Werkstoffen durchführen.

Zweitens wirkt sich die Materialstärke auf die Werkzeugkosten beim Stanzen aus. Dickere Materialien erfordern schwerere, teurere Werkzeugkomponenten und eine höhere Presskraft. Bei dicken, hochfesten Materialien in mittleren Stückzahlen ist das allgemeine Umformen oft wirtschaftlicher als die Investition in ein schweres Stanzwerkzeug.

Hybride Ansätze

Bei vielen Serienteilen kommen beide Verfahren in verschiedenen Fertigungsstufen zum Einsatz. So kann beispielsweise ein gestanztes Gehäuse mit auf einer Abkantpresse geformten Halterungen zu einer geschweißten Baugruppe zusammengefügt werden. Ein Folgeverbundwerkzeug kann den Hauptkörper eines Teils herstellen, an den dann auf einer Abkantpresse geformte Verstärkungsbleche angeschweißt werden. Es ist zudem üblich, Prototypen mittels Umformung herzustellen und zu validieren, für die Serienfertigung auf das Stanzen umzustellen und die Umformkapazitäten als Reserve für Nachfragespitzen oder Wartungsfenster der Werkzeuge beizubehalten.

Häufig gestellte Fragen

Ist das Stanzen kostengünstiger als das Umformen?

Bei hohen Stückzahlen pro Teil, ja – denn die Werkzeugkosten verteilen sich auf viele Teile. Das Stanzen erfordert jedoch eine hohe Vorabinvestition in die Werkzeuge (oftmals Zehn- bis Hunderttausende Dollar) sowie eine Vorlaufzeit von sechs bis sechzehn Wochen für die Werkzeugherstellung. Bei Prototypen und kleinen bis mittleren Stückzahlen sind die Gesamtkosten beim allgemeinen Umformen geringer. Der Schwellenwert hängt von den spezifischen Werkzeugkosten und der Differenz der Stückkosten für jedes einzelne Teil ab.

Ab welcher Stückzahl lohnt sich das Stanzen?

Es gibt keinen allgemeingültigen Schwellenwert, doch bei einer stabilen Konstruktion lohnt sich das Stanzen in der Regel ab einer Stückzahl von mehreren Zehntausend Teilen pro Jahr oder mehr. Bei einer einfachen Halterung kann die Rentabilitätsschwelle bereits bei 3.000 bis 5.000 Teilen liegen. Bei einem komplexen Teil mit vielen Merkmalen, das zahlreiche Abkantvorgänge erfordert, kann sie sogar noch niedriger sein. Führen Sie eine Rentabilitätsanalyse anhand des konkreten Angebots für die Stanzform und der Kosten für das geformte Teil durch.

Welches Verfahren weist engere Toleranzen auf?

Das Stanzen bietet bei hohen Stückzahlen die engsten Toleranzen und die beste Wiederholgenauigkeit, da jedes Teil mit derselben Werkzeuggeometrie geformt wird. Das Umformen mit CNC-Abkantpressen gewährleistet gute Toleranzen – typischerweise plus/minus 0,1 bis 0,5 mm bei den Umformmaßen –, doch die Abweichungen von Teil zu Teil sind größer als beim Stanzen, da sie von der Materialkonsistenz, der Fachkompetenz des Bedieners und der Kalibrierung der Maschine abhängen.

Kann ich Prototypen im Formpressverfahren herstellen und die Serienfertigung im Stanzverfahren durchführen?

Ja, und das ist der übliche Produktentwicklungsablauf für viele Teile, die in großen Stückzahlen hergestellt werden. Das Umformen dient dazu, das Design zu validieren und den frühen Bedarf zu decken; das Stanzen übernimmt, sobald das Volumen die Investition in das Werkzeug rechtfertigt. Das Hauptrisiko besteht darin, dass eine wesentliche Konstruktionsänderung nach der Fertigung des Stanzwerkzeugs kostspielige Nacharbeiten erfordert; daher sollte die Konstruktion gründlich validiert werden, bevor man sich für ein Stanzwerkzeug entscheidet.

Was ist, wenn ich zwischen den beiden Lautstärkebereichen liege?

Rechnen Sie nach. Holen Sie sich ein Angebot für das Umformverfahren pro Teil sowie ein Angebot für die Stanzform und die Kosten für das Stanzteil ein und vergleichen Sie die Gesamtkosten über zwei Jahre bei Ihrem erwarteten Produktionsvolumen. Ist der Unterschied gering, entscheiden Sie sich aufgrund der Flexibilität für das Umformverfahren. Sind die Einsparungen beim Stanzen erheblich, prüfen Sie, ob die Konstruktion stabil genug ist, um eine Stanzform in Auftrag zu geben. Eine DFM-Prüfung durch Ihren Lieferanten kann dabei helfen, beide Optionen zu quantifizieren.