Beim Spritzguss ist das Kunststoffteil pro Einheit am günstigsten, das Erstteil hingegen am teuersten. Bei der CNC-Bearbeitung und beim 3D-Druck ist es genau umgekehrt: Es fallen keine Werkzeugkosten an, aber der Stückpreis verbessert sich mit steigender Stückzahl kaum. Die gesamte Entscheidung hängt davon ab, wo sich diese beiden Kurven schneiden, und dieser Schnittpunkt ist kein fester Wert. Er verschiebt sich je nach Ihren Werkzeugkosten und der Geometrie Ihres Teils und kann irgendwo zwischen unter hundert Teilen und mehreren Tausend liegen.
Dieser Leitfaden liefert Ihnen die Formel zur Ermittlung Ihres individuellen Übergangspunkts und behandelt anschließend die Faktoren, die gegenüber den Kosten eine weitaus größere Rolle spielen: Toleranz, Materialeigenschaften, Gestaltungsfreiheit und die Frage, wie schnell Sie die Teile tatsächlich benötigen.
Die Break-even-Formel
Eine Gleichung beantwortet die Kernfrage:
Grenzerlösmenge = Werkzeugkosten ÷ (Stückkosten der Alternative − Stückkosten des Formteils)
Wenn eine Form 8.000 in Ihrer Währung kostet, die bearbeiteten Teile jeweils 35 und die Spritzgussteile jeweils 3, beträgt die Einsparung pro Teil 32, und die Form amortisiert sich ab 250 Einheiten. Ab diesem Punkt ist jedes weitere Teil reine Einsparung. Darunter haben Sie Geld für Werkzeuge ausgegeben, das Sie nie wieder hereinholen werden.
Da die Werkzeugkosten und die Einsparung pro Teil die einzigen beiden entscheidenden Variablen sind, variiert der Schwellenwert je nach Ihrem Teil erheblich. Diese Matrix zeigt, in welchem Umfang.
| Werkzeugkosten | Einsparung von 10 pro Teil | Einsparung von 25 pro Teil | Einsparung von 50 pro Teil |
| 3,000 | 300 Teile | 120 Teile | 60 Teile |
| 8,000 | 800 Teile | 320 Teile | 160 Teile |
| 20,000 | 2.000 Teile | 800 Teile | 400 Teile |
| 40,000 | 4.000 Teile | 1.600 Teile | 800 Teile |
Dieses Muster sollte man sich verinnerlichen. Ein einfaches Bauteil in einer kostengünstigen Aluminiumform kann bereits bei einer Stückzahl von ein paar hundert Stück den Einsatz einer Form rechtfertigen. Eine komplexe Stahlform mit mehreren Kavitäten für ein Bauteil, dessen Bearbeitung ohnehin kostengünstig war, erfordert möglicherweise eine Stückzahl von mehreren Zehntausend. Wer einen einzigen, allgemeingültigen Schwellenwert nennt, spekuliert lediglich.
Wie sich die drei Verfahren tatsächlich unterscheiden
| Faktor | Spritzgießen | CNC-Bearbeitung | 3D-Druck |
| Vorab-Werkzeuge | Form aus Aluminium oder gehärtetem Stahl erforderlich | Keine, nur Befestigung | Keine |
| Stückkosten bei großen Stückzahlen | Mit großem Abstand am niedrigsten | Fällt langsam, Zykluszeit ist fest | Nahezu unverändert, materialbedingt |
| Zeit bis zum ersten Teil | Werkzeugbau: in der Regel 15 bis 25 Arbeitstage | Tage | Tage |
| Typische Toleranz | Toleranzen der Kavitäten von ±0,015 mm, Wiederholgenauigkeit von Teil zu Teil bei etwa ±0,08 mm | ISO 2768-C: allgemein für Kunststoffe, strengere Anforderungen an bestimmte Eigenschaften | Je nach Technologie etwa ±0,2 bis ±0,5 mm |
| Werkstoffeigenschaften | Vollständige isotrope Volumeneigenschaften | Gesamte Schüttguteigenschaften der Charge | Anisotrop, über die Schichten hinweg schwächer |
| Gestaltungsfreiheit | Einschränkungen durch Tiefgang, Wandgleichmäßigkeit und Ausstoß | Einschränkungen durch Werkzeugzugang und Inneneckenradien | Höchster Wert, einschließlich Gitter und interner Kanäle |
| Änderungen am Design | Teuer, sobald der Stahl geschnitten ist | Kostenlos, führen Sie das Programm einfach erneut aus | Kostenlos |
| Beste Volumenklasse | Hunderte bis Millionen | Einer bis einige Tausend | Einer bis einige Hundert |
Was passiert bei 100, 1.000 und 10.000 Teilen?
Etwa 100 Teile
Bei dieser Stückzahl macht sich eine Form fast nie bezahlt, es sei denn, die Bearbeitung des Teils ist wirklich kostspielig. Die additive Fertigung hat bei geometrisch komplexen Teilen die Nase vorn, während die zerspanende Bearbeitung dort überzeugt, wo echte Materialeigenschaften und eine passgenauere Passform gefragt sind. Dies ist zudem die Phase, in der das Design am wenigsten feststeht, und die Anschaffung von Werkzeugen, bevor das Design endgültig feststeht, ist der häufigste Grund für Geldverschwendung bei Kunststoffteilen.
Wenn Sie eher die Form und Passform als die endgültige Leistung prüfen möchten, finden Sie in unserer Übersicht über SLA-, SLS-, FDM- und MJF-Technologien erläutert, welches Verfahren für welche Art von Prototyp geeignet ist.
Etwa 1.000 Teile
An dieser Stelle ist die Entscheidung wirklich offen. Gfräste und gedruckte Teile funktionieren zwar noch, doch die Gesamtkosten wirken im Vergleich zu einem Werkzeug, das sich von selbst amortisiert hätte, zunehmend unattraktiv. Ein Aluminium-Brückenwerkzeug ist hier in der Regel die richtige Lösung. Es kostet nur einen Bruchteil eines Produktionswerkzeugs aus gehärtetem Stahl, liefert echte Formteile aus dem richtigen Harz und hält in der Regel mehrere tausend Schuss, bevor Verschleiß zum Problem wird.
Unser Schnellfertigungsservice Es wurde speziell für diesen Bereich entwickelt und ermöglicht es Ihnen zudem, Markttests oder eine Pilotphase durchzuführen, während ein Produktionswerkzeug entwickelt wird.
Etwa 10.000 Teile und mehr
Das Formen gewinnt eindeutig, und die Diskussion verlagert sich von der Frage, ob geformt werden soll, hin zur Frage, wie das Werkzeug gestaltet werden soll. Eine Ein-Kavitäten-Form fertigt ein Teil pro Zyklus und ist am kostengünstigsten in der Herstellung. Eine Mehr-Kavitäten-Form kostet zwar mehr, senkt aber die Kosten pro Teil erheblich und macht sich in der Regel ab einer Stückzahl von etwa zehntausend bezahlt. Eine Familienform produziert mehrere verschiedene Teile in einem Zyklus, was sich für passende Sätze und Baugruppen eignet. Die Dimensionierung der Kavitäten entsprechend Ihrem Jahresvolumen statt Ihrer ersten Bestellung sorgt dafür, dass die Investition in die Form im angemessenen Verhältnis steht.
Die gleiche Volumenlogik gilt auch für Metallteile, allerdings gelten hier andere Schwellenwerte. Unser Vergleich von CNC-Bearbeitung in Kleinserien und Massenfertigung beschreibt, wo diese Linie auf bearbeiteten Bauteilen verläuft.
Die Kosten sind nicht immer der entscheidende Faktor
Bei vielen Projekten wird ein Verfahren gewählt, das pro Teil mehr kostet, weil andere Aspekte wichtiger sind. Vier Faktoren haben regelmäßig Vorrang vor der Break-even-Rechnung.
Werkstoffeigenschaften
Sowohl Formteile als auch bearbeitete Teile weisen die vollen Volumeneigenschaften des Polymers auf. Gedruckte Teile tun dies nicht. Bei den meisten additiven Verfahren erfolgt der Aufbau schichtweise, sodass die Festigkeit quer zur Baurichtung geringer ist als die Festigkeit innerhalb einer Schicht. Für eine funktionale Halterung, die in einer bekannten Richtung belastet wird, ist dies von Bedeutung. Bei einem Gehäuse, das lediglich seine Form beibehalten muss, spielt dies in der Regel keine Rolle. Wenn ein gedruckter Prototyp die Tests bestanden hat, das Serienteil jedoch derselben Belastung in einer anderen Ausrichtung standhalten muss, handelt es sich um ein echtes technisches Risiko und nicht nur um eine Formalität.
Toleranz und Wiederholgenauigkeit
Der Spritzgussprozess ist äußerst reproduzierbar, sobald er einmal optimiert ist, gehört jedoch nicht zu den Verfahren mit der höchsten Präzision. Die Schrumpfung variiert je nach Kunststoff und liegt typischerweise im Bereich von einem halben bis zwei Prozent; zudem ist sie bei Bauteilen mit unterschiedlichen Wandstärken nicht gleichmäßig verteilt. Die Bearbeitung von Kunststoff ermöglicht eine präzisere Kontrolle einzelner Merkmale und es muss kein Schwund berücksichtigt werden. Aus diesem Grund werden kritische Passflächen an Spritzgussteilen manchmal erst nach dem Spritzguss bearbeitet, anstatt sie direkt auf Maß zu spritzen.
Gestaltungsfreiheit und Einschränkungen
Jeder Prozess stellt unterschiedliche Anforderungen an das CAD-Modell:
- Für den Formguss sind gleichmäßige Wandstärken erforderlich, die je nach Kunststoff in der Regel im Bereich von 0,6 bis 4,5 mm liegen, sowie eine Entformungsschräge von etwa einem bis drei Grad an den Flächen, die senkrecht zur Entformungsrichtung stehen. Hinterschneidungen erfordern Gleitführungen oder Heber, was die Werkzeugkosten erhöht.
- Bei der spanenden Bearbeitung ist keinerlei Entformungsschräge erforderlich, jedoch lassen sich keine scharfen Innenecken erzielen, da ein rundes Werkzeug einen Radius hinterlässt. Dünne Wände neigen zum Flattern, und für tiefe Taschen sind lange Werkzeuge erforderlich, die sich verbiegen.
- Das additive Verfahren setzt nahezu keine geometrischen Grenzen, doch kann sich das Entfernen der Stützstrukturen an inneren Strukturen als schwierig erweisen, und die Oberflächengüte hängt von der Schichthöhe ab.
Ein Bauteil, das für einen bestimmten Prozess entwickelt wurde, erweist sich in einem anderen Prozess oft als ungeeignet. Die größten Einsparungen lassen sich in der Regel dadurch erzielen, dass ein bearbeitetes Bauteil für den Formguss neu konstruiert wird, anstatt einfach nur dasselbe Modell zu übermitteln.
Zeit bis zum ersten Teil
Die Herstellung von Werkzeugen dauert Wochen. Die Bearbeitung und der Druck dauern Tage. Wenn ein Starttermin feststeht, ist der ehrliche Vergleich nicht der Stückpreis, sondern die Gesamtkosten des Projekts einschließlich der Folgen einer Verzögerung. Genau für diesen Fall wurde das Bridge-Tooling erfunden: die Fertigung echter Formteile mit einem schnellen Aluminiumwerkzeug, während das Hartwerkzeug noch gefertigt wird.
Die Materialverfügbarkeit variiert je nach Verfahren
Ein Material, das in einem Prozess vorkommt, ist nicht automatisch auch in den anderen vorhanden, und das schränkt die Auswahl früher ein, als die meisten Menschen erwarten.
Der Spritzguss greift auf die umfangreichste Kunststoffbibliothek zurück. Neben Standardtypen wie ABS, PP und PE stehen technische Typen wie PC, Nylon, POM und PC-ABS-Mischungen zur Auswahl, wobei für die meisten davon gefüllte und flammgeschützte Varianten erhältlich sind. Die Farbe wird direkt in das Kunststoffgranulat eingemischt, sodass sie im gesamten Bauteil einheitlich ist und nicht erst auf die Oberfläche aufgetragen wird.
Die Bearbeitung erfolgt aus Halbzeugen, was den Einsatz von steifen technischen Kunststoffen begünstigt. POM, Nylon, PC, Acryl, PEEK und PP lassen sich in Platten- oder Stabform vorhersehbar bearbeiten. Weiche oder gummiartige Werkstoffe lassen sich schlecht bearbeiten, und bei einigen Kunststoffen werden beim Materialabtrag innere Spannungen freigesetzt, die sich nach Verlassen der Maschine als Verzug äußern. Die übliche Abhilfe besteht darin, das Rohteil vor den Endbearbeitungsdurchgängen zu entspannen.
Additive verfügt über die kürzeste Liste. Jede Technologie unterstützt ihre eigene Familie von Harzen oder Pulvern, und die Eigenschaften stimmen selten genau mit denen des entsprechenden Spritzgussmaterials überein. Ein aus Nylonpulver gedrucktes Bauteil verhält sich anders als dieselbe Geometrie, die aus PA66 gespritzt wurde. Daher ist es ein Fehler, ein gedrucktes Material als direkten Ersatz für das Produktionsharz zu betrachten – ein Fehler, den man bei der Validierung vermeiden sollte.
In der Praxis bedeutet dies, dass das Material den Prozess entscheidend beeinflussen kann. Wenn für die Anwendung eine bestimmte flammhemmende Sorte mit entsprechender Zertifizierung erforderlich ist, ist das Spritzgießen möglicherweise die einzige Möglichkeit, diese zu beschaffen. Wenn PEEK in kleinen Mengen benötigt wird, ist die Bearbeitung von Fertigteilen in der Regel sinnvoller als die Herstellung von Werkzeugen.
Die Kosten, die nicht im Angebot aufgeführt sind
Wenn man die Preise für Formteile und bearbeitete Teile Zeile für Zeile vergleicht, werden einige Aspekte übersehen, die erst später zutage treten.
- Risiko eines „Design Freeze“. Sobald Stahl zugeschnitten ist, kann eine Änderung an einem Merkmal bedeuten, dass das Werkzeug geschweißt und neu zugeschnitten oder gar ersetzt werden muss. Bearbeitete und gedruckte Teile lassen sich problemlos an Änderungen anpassen. Solange das Design noch in der Entwicklung ist, hat diese Flexibilität einen echten finanziellen Wert.
- Eigentumsverhältnisse und Lagerung der Werkzeuge. Legen Sie schriftlich fest, wem die Form gehört, wo sie gelagert wird und was geschieht, wenn Sie den Lieferanten wechseln. Dies ist eine vertragliche und keine technische Angelegenheit, die am einfachsten geklärt ist, bevor das Werkzeug überhaupt existiert.
- Nachbearbeitung. Formteile müssen unter Umständen beschnitten, mit Gewinden versehen, ultraschallgeschweißt, beschriftet oder mit einer Struktur versehen werden. Bearbeitete Teile müssen häufig entgratet und nachbearbeitet werden. Dabei handelt es sich um Stückkosten, die nicht im Gesamtpreis enthalten sind.
- Prüfung. Höhere Stückzahlen erfordern Stichprobenpläne und eine entsprechende Dokumentation. Dies sind Kosten, die in der Produktionsphase anfallen, nicht in der Prototypenphase, und sie sollten vor dem ersten Auftrag und nicht erst danach im Budget vorgesehen werden.
- Zeitlicher Ablauf des Cashflows. Die Werkzeugkosten werden im Voraus bezahlt, noch bevor auch nur ein einziges Teil ausgeliefert wird. Für ein kleines Team stellt ein Werkzeug, dessen Kosten sich erst ab einer Stückzahl von 800 amortisieren, immer noch eine echte Einschränkung dar, wenn der erste Auftrag nur 300 Stück umfasst.
Ein praktischer Entscheidungsweg
Gehen Sie nicht vom Prozess aus, sondern von vier Fragen zum Bauteil.
- Ist das Design bereits festgelegt? Falls nicht, sollten Sie den Einsatz von Werkzeugen gänzlich vermeiden, bis dies der Fall ist.
- Wie hoch ist das realistische Jahresvolumen, nicht nur der erste Auftrag? Die Werkzeuge sollten auf diesen Jahreswert ausgelegt sein.
- Welche Eigenschaften sind unverzichtbar? Isotrope Festigkeit, chemische Beständigkeit, Temperaturbeständigkeit und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften schränken die Materialauswahl bereits ein, noch bevor die Kosten eine Rolle spielen.
- Wann benötigen Sie die Teile? Ein festgelegter Starttermin kann die Verwendung eines Übergangstools rechtfertigen, das in einer Tabellenkalkulation ineffizient erscheint.
Die Antworten deuten in der Regel auf einen von drei Wegen hin: Zunächst Drucken zur Validierung, dann maschinelle Fertigung für Prototypen und schließlich Formenbau für die Serienproduktion. Oder man überspringt den Druckvorgang und geht direkt zur maschinellen Fertigung über, wenn das Bauteil von Anfang an die vollen Materialeigenschaften aufweisen muss. Oder man entscheidet sich direkt für ein Aluminiumwerkzeug, wenn das Produktionsvolumen deutlich über der Rentabilitätsschwelle liegt und das Design feststeht.
Wenn Spritzguss selbst bei hohen Stückzahlen nicht die richtige Lösung ist
Die Stückzahl allein rechtfertigt noch keine eigene Form. Das Spritzgießen ist in der Regel der falsche Weg, wenn:
- Das Bauteil überschreitet die gängigen Formgrößen, die bei den meisten Werkzeugen deutlich innerhalb eines Raums von 1300 × 900 × 500 mm liegen.
- Das Material ist als Lagerware erhältlich, jedoch nicht als spritzgussfähiges Harz; dies gilt für mehrere Hochleistungskunststoffe.
- Sie benötigen viele Varianten in kleinen Stückzahlen, wobei eine Familie von bearbeiteten Teilen einer Familie von Werkzeugen überlegen ist.
- Die Wandabschnitte sind schwer und weisen eine solche Ungleichmäßigkeit auf, dass eine Neukonstruktion nicht möglich ist, da dicke Abschnitte zu Absinken und langen Zykluszeiten führen.
- Die Programmlaufzeit ist so kurz, dass das Tool seine Amortisationssumme niemals erreichen wird.
Die richtige Vorgehensweise für Ihren Teil erarbeiten
Der zuverlässigste Weg, dies zu klären, besteht darin, für dasselbe Modell über mehrere Verfahren hinweg Angebote einzuholen und dabei Ihre tatsächliche Zielmenge anzugeben. Fordern Sie gleichzeitig Angebote für hundert, tausend und zehntausend Stück an. Die Verteilung dieser drei Zahlen sagt mehr aus als jede allgemeine Regel, da sie Ihre tatsächliche Geometrie widerspiegelt und nicht die eines durchschnittlichen Teils.
So ist es XY-Bearbeitung beantwortet diese Frage. Senden Sie uns eine CAD-Datei mit Ihrem Zielvolumen, und wir unterbreiten Ihnen ein Preisangebot für Spritzguss, CNC-Bearbeitung und 3D-Druck mit Rückmeldung zur Fertigungsfreundlichkeit innerhalb von 24 Stunden. Sollte eine Form bei Ihrer Stückzahl nicht die kostengünstigste Lösung sein, ist eine ehrliche Antwort hilfreicher als eine größere Bestellung.
Häufig gestellte Fragen
F: Ab welcher Stückzahl wird das Spritzgießen kostengünstiger?
A: Es gibt keine allgemeingültige Zahl. Teilen Sie die Werkzeugkosten durch die Einsparung pro Teil im Vergleich zur Alternative. Bei einfachen Teilen in Aluminiumwerkzeugen kann sich die Investition bereits bei wenigen hundert Stück amortisieren, während komplexe Stahlwerkzeuge möglicherweise mehrere tausend Stück erfordern.
F: Können Spritzgussteile dieselben Toleranzen einhalten wie bearbeitete Teile?
A: Bei einzelnen Bauteilen ist dies in der Regel nicht der Fall. Der Spritzgussprozess ist zwar in hohem Maße reproduzierbar, doch die Schrumpfung des Kunststoffs variiert je nach Wandstärke und Material. Kritische Passflächen werden manchmal erst nach dem Spritzguss bearbeitet, anstatt direkt auf Maß gespritzt zu werden.
F: Sind 3D-gedruckte Teile stabil genug für den Serieneinsatz?
A: Für viele Anwendungen ja, aber gedruckte Teile sind anisotrop und in der Baurichtung weniger fest. Überprüfen Sie die Belastungsfälle in der tatsächlichen Bauausrichtung, anstatt von den Eigenschaften des Polymermaterials in seiner ursprünglichen Form auszugehen.
F: Was ist „Bridge-Tooling“ und wann sollte ich es verwenden?
A: Eine schnelle, kostengünstige Aluminiumform, mit der echte Formteile hergestellt werden können, während ein Serienwerkzeug aus Stahl gefertigt wird. Sie eignet sich für Vorserien, Markttests und alle Projekte, bei denen der Markteinführungstermin vor der Fertigstellung des Serienwerkzeugs liegt.
F: Soll ich meine ersten Prototypen fräsen oder bedrucken? A: Drucken Sie, wenn Sie Form, Passgenauigkeit und Geometrie überprüfen, da dies am schnellsten und kostengünstigsten ist. Fräsen Sie, wenn der Prototyp unter Belastung oder in der
