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Spritzgusskosten berechnen – und sparen: So geht’s! 
(Inklusive „Cavity and Molding Cost Calculator .xlsx“)

 

Dieses Papier richtet sich an all jene, die wirklich nachvollziehen wollen, auf welche Weise Spritzgussanbieter ihre Preise bilden, und warum einen das Ganze ggf. nicht billig kommt. Wann immer unprofessionelle Angebotsanfragen eintrudeln, sollen die folgenden Ausführungen speziell VertriebsingenieurInnen Ängste nehmen und das Thema Projektkosten für alle Beteiligten transparenter machen.

 

Was Sie hier lernen (eine Schaubild-Übersicht):

 
Cost of injection molding

 

 

Zu Beginn: die Grundlagen

Sollten Sie mit den gängigen Spritzgussverfahren und -definitionen nicht vertraut sein, so schauen Sie sich am besten erst einmal die folgenden Themenpunkte an:

 
  • Der Spritzguss: Das unbekannte Wesen.

Beim Spritzguss handelt es sich um eine Serienfertigungstechnologie. Eine geschmolzene Substanz aus thermoplastischen Kunststoffpellets wird in hohle Gussformen eingespritzt. Ist der Kunststoff schließlich wieder erstarrt, so wird die Gussform geöffnet, und fertig ist ein brandneues Kunststoffteil. Hier erfahren Sie mehr dazu.

  • Gussform? Werkzeugbau? Was ist das?

Beim Werkzeugbau (Neudeutsch: „Tooling“) handelt es sich um die maschinelle Anfertigung einer Gussform. Letztere beruht auf einem dreidimensionalen Entwurf und wird beim Tooling aus einem soliden Metallblock (i.d.R. Aluminium oder Stahl) „heraussubtrahiert“ bzw. herausgefräst. Es handelt sich um den Kern des gesamten Spritzgussverfahrens, in dem sich das meiste Ingenieur-Know-How bündelt. Daher fällt genau darauf auch der Löwenanteil der anfallenden Einmalkosten (NRE).

  • Hohlraum? Kern? Was ist das?

Hohlraum und Kern sind das Yin und Yang jeder Gussform: Während der Hohlraum (auch „Kavität“ genannt) die Beschaffenheit der Außenseite der zu gießenden Form definiert, so legt der Kern die Innenseite derselben fest. Standardmäßig lassen sich die Hohlräume nur in den Quantitäten 1, 2, 4, 8, 16, 32, 48… verteilen, was daran liegt, dass zwecks gleichmäßiger Druckverteilung nur gleiche Gusskanalstrecken möglich sind.

Disclaimer

Zweck dieser Arbeit ist, die Grundprinzipien der Spritzguss-Preiskalkulation zu vermitteln. Die dazu angeführten Beispiele sind zwecks Anschaulichkeit vereinfacht. In der Praxis kommen häufig viele weitere, hier unbeachtete Faktoren hinzu, die deutlich abweichende Kalkulationsergebnisse zur Folge haben können. Kein Projekt gleicht dem anderen. Die hier vermittelte Spritzguss-Kalkulationsmethode liefert dennoch eine solide Wissensgrundlage, die sich im Wesentlichen auf die spezifischen Einzelheiten und Anforderungen komplexerer Projekte übertragen lässt.

Auf dem Weg zum Optimum

Dass das Einschätzen von Spritzgusskosten von etlichen Variablen abhängig ist, dürfte schon beim ersten Blick auf das obenstehende Schaubild klar sein. Wie soll man sich in diesem Variablenwald nicht verirren? Wie soll man das Optimum ermitteln, die perfekte Balance aus Preis und Kosten, die Anbieter wie Abnehmer gleichermaßen gerecht wird? Ein mathematisches Problem, das naturgemäß zunächst einiger Referenzpunkte bedarf: hier das Festlegen maßgeblicher Eingabevariablen.

Grenzen von Projekt und Anlagen

 
 
 

Im vorliegenden Fall bilden die Bedürfnisse des Kunden, der eine Angebotsanfrage stellt, den Ausgangspunkt: eine lange Kette aus Produktionsprozessen, deren einzelne Glieder sich gegenseitig beeinflussen. Ein Kunde, der etwas von sich hält, sollte idealerweise folgende Rahmendaten spezifizieren:

  1. Produktionsmengenspanne

  2. Vorlauf-Zeitspanne

  3. Budget-Spanne

  4. CAD-Pläne des Gussteils

  5. Eingesetztes Material

  6. Toleranzen

  7. Oberflächenbehandlung

 

Budget. Ernsthaft? (Off-Topic)

 

Ist das Deklarieren einer Budget-Spanne nicht gleichbedeutend mit einem Verlust an Verhandlungshebel? Schon, aber erfahrenere Kunden wollen vermeiden, dass sich die Erstellung eines Kostenvoranschlags ewig hinzieht, weil der Dienstleister etliche Varianten für unterschiedliche Budgets zusammenstellt. Beispielsweise können eine Beseitigung automatisierter Inserts auf Kosten der Vorlaufzeit oder schlicht eine Erhöhung der Hohlraumzahl (mehr dazu weiter unten) eine drastische Budget-Einsparung ermöglichen.  Soll der Dienstleister hellsehen, was davon der Kunde vorzieht und wie dessen weitergehende Pläne ausschauen?

 

Zudem sind erfahrenere Kunden mit den Preisspannen bestens vertraut, sodass sie sich auf Budgets mit Verhandlungspuffern verlegen können. Idealerweise sollten Kunde wie Dienstleister ein Interesse an transparenten Verhandlungen haben, denen der Kostenvoranschlag lediglich als Ausgangspunkt dient – darum geht’s. Sinn und Zweck von Preistransparenz ist, maximal effiziente Fertigungsprozesse und -ziele zu ermitteln, bei denen beide Parteien gewinnen – statt auf kurzsichtige einseitige Kapitalvorteile abzuzielen.

 

Die drei Eingabehauptwerte (zurück zum Thema)

 

Drei Eingabehauptvariablen lassen sich aus den Projektlimits (via Angaben aus der Angebotsanfrage) herleiten:

 

  • Produktionsmengenspanne (z.B. 20.000-50.000 Stück)

  • Vorlauf-Zeitspanne (z.B. 1-2 Monate)

  • Projektkostenspanne (z.B. 1.000-5.000 €)

 

Dass diese initialen Eingabedaten den Ausgangspunkt der gesamten Spritzguss-Preis- und -kostenkalkulation bilden, sollte intuitiv einleuchten. Menge, Zeitraum, Preisrahmen: Das sind die Dinge, die den Spritzgussanbieter wirklich interessieren. Es gibt allerdings noch einen weiteren wichtigen Faktor, der auszuwerten ist, um dem Kunden den optimalen Kostenvoranschlag vorlegen zu können.

 

Der vierte Eingabehauptwert (Hohlraumkalkulation)

 

Der Entwurf, das Material und die Toleranzen – also die übrigen drei Eingabewerte aus der Angebotsanfrage – unterliegen den Grenzen der Anlagen. Sie alle beeinflussen sich gegenseitig und tragen zum vierten wesentlichen Eingabewert bei: die Menge der Gusshohlräume.

 
 
 

1. [Entwurf + Material] → [Flächen- + Druckverteilung] → Klemmkraft → Hohlraumzahl

A1 – Flächenverteilung v. 1 Hohlraum samt Gusskanal;

Fn – die für n Hohlräume erforderliche Klemmkraft;

Fm – Klemmkraft der Maschine;

f – Koeffizient (empirisch ermittelt);

Qn – Hohlraumzahl (Qn = 1, 2, 4, 8, 16, 32, 48);

Qmax – Obergrenze der Hohlraumzahl, begrenzt durch die Dimensionen der Maschine

Limits:

 

Fn ≤ Fm;

1 < Qn ≤ Qmax;

Qmax = 16;

 

Auflösung:

 

Fn = PA1fQn => PA1fQn < Fm => Qn < Fm/PA1f;

Fm = 60t;

1 < Qn ≤ 16;

Qn < 60(t)/2(t/cm²) × 3(cm²) × 1;

1 < Qn ≤ 10;

 

Ergebnis:

Qn = 1, 2, 4, 8.

2. Entwürfe → Gussteilvolumen → Schussgröße → Hohlraumzahl

V – Gussteilvolumen + Gusskanalvolumen

Vmax – max. Schussvolumen

Qn – Hohlraumzahl (Qn = 1, 2, 4, 8, 16, 32, 48)

Qmax – Obergrenze der Hohlraumzahl, begrenzt durch die Dimensionen der Maschine

Limits:

QnV ≤ Vmax

1 < Qn ≤ Qmax

 

Auflösung:

 

Qn < Vs/V

Vs = 80cm³

Qn < 80cm³/10cm³

1 < Qn ≤ 8

Ergebnis:

Qn = 1, 2, 4, 8.

3. Material → Plastizität → Hohlraumzahl (z.B. 1-16)

Experimentell ermittelt.

4. Toleranzen → Hohlraumzahl (z.B. 1-16)

Experimentell ermittelt.

Das Ergebnis lautet: 1-8 Hohlräume

In Verbindung mit den Anlagenlimits legen die Projektlimits die vierte Wertspanne fest: die Anzahl der Gusshohlräume. Dass die Obergrenze der Gusshohlraumzahl wegen der Anlagenlimits der durch die Anlagenlimits festgelegten Untergrenze entspricht (Beispiel oben: 1-8), sollte klar sein.

 

Das ist wichtig, weil Variationen in der Hohlraumzahl mit Zunahme des Produktionsvolumens massiven Einfluss auf das Projektbudget haben. Das Variieren dieser insgesamt 4 Eingabewerte samt Gusshohlraumzahl erzielt den optimalen Kostenvoranschlag.

 

„Last but not least“: Die Oberflächenbehandlung

 

Die Oberflächenbehandlung ist ein äußerst wichtiger Faktor in der Tooling-Kostenkalkulation (siehe weiter unten), auch wenn sie keine Auswirkungen auf die Berechnung der Hohlraumzahl hat. Der Einfluss auf die Tooling-Kosten beläuft sich auf 10-30%, sodass es von großer Wichtigkeit ist, dass der Kunde Angaben hierzu macht.

 

Zusammenfassung

 

Vier Haupteingabeintervalle ergeben sich aus den Anlagenlimits und den vom Kunden zu machenden Angaben:

 

  • Die Spanne der Fertigungsmenge (z.B. 20.000-50.000 Stück)

  • Die Spanne der Vorlaufzeit (z.B. 1-2 Monate)

  • Die Projektkostenspanne (z.B. 1.000-5.000 Euro)

  • Die Hohlraumzahl (z.B. 1-8)

 

 

 

 

Da die Angebotsanfrage des Kunden mitunter noch deutlich breitere Spannen bzw. unvollständige Angaben aufweist, liegt es letztlich am Dienstleister, für den Kunden ein optimales Angebot zu ermitteln. Und das ist in Anbetracht der Menge an Variablen kein leichtes Unterfangen.

 
 

 

Abhängige, unabhängige Regelparameter

Achtung: Die Spanne der Vorlaufzeit bleibt in den Kalkulationen hier zwecks Überschaubarkeit unberücksichtigt. Stattdessen wird davon ausgegangen, dass die Ausführung der Projekte bei voller Auslastung und mit maximal möglicher Effizienz erfolgt, ohne dass spezifische Zeitvorgaben des Kunden eine Rolle spielen.

 

Anders ausgedrückt, liegt das Optimum dort vor, wo die Funktion eines Satzes Variablen, welche einer Reihe von Grenzwerten unterliegen, ihr Minimum aufweist. Das Ganze läuft also auf eine grafische Wiedergabe hinaus. Als einziger unabhängig variabler Parameter bildet die Hohlraumzahl die X-Achse, während die Projektkosten als wichtigstes Resultat als abhängige Variable die Y-Achse bilden. Unter den Regelparametern wird die Fertigungsmenge gesetzt.

Spritzgusskosten

Schließlich ergeben sich die Kalkulation der Spritzgusskosten sowie das Verhältnis zu Fertigungsmenge und Hohlraumzahl. Hierzu ist es erforderlich, zu verstehen, aus welchen Komponenten sich der Preis des Spritzgusses selbst zusammensetzt:

 

  • Rohmaterialkosten

  • Kosten des Formenbaus (Tooling)

  • Anlagenbetriebsfixkosten

  • Sonstige Fertigungskosten (z.B. Einrichten der Gussform, Nachbearbeitung, … )

 

Einen massiven Einfluss haben die primären Eingabewerte auch auf diese Spritzgusskostenkategorien:

 

  • Bauteilentwürfe → Bauteilkomplexität → Tooling-Kosten

  • Materialwahl → Rohmaterialkosten

  • Klemmkraft → Anlagenbetriebskosten

  • Oberflächenbehandlung → Tooling-Kosten

  • etc.

Eine gute Daumenregel bei komplexen Arbeiten lautet: ‚Ein Häppchen nach dem anderen!‘ Begleitend zu diesen Ausführungen nutzen und studieren Sie bitte diesen Excel-Kalkulator für Spritzgusskosten:

 

 

 

Rohmaterialkosten

Rohmaterialkosten gegenüber Hohlraumzahl, bei variierenden Fertigungsmengen

 
 
 
 
Raw material for injection molding calculation
 

Rein von der Intuition her mag der Graph irreführend anmuten. Es scheint, die Kurven sollten sich eher leicht nach oben wölben, denn mehr Hohlräume erfordern mehr Materialeinsatz. Aber wenn man sich das Spritzgussverfahren genauer anschaut, so wird schnell klar, dass mehr Hohlräume umgekehrt weniger Schüsse bedeuten. Tatsächlich sinkt bei steigender Hohlraumzahl der Materialbedarf unterm Strich, denn wie sich an den Daten ablesen lässt, wird der einerseits steigende Materialbedarf bei zunehmender Hohlraumzahl vom sinkenden Materialbedarf durch weniger Durchläufe konterkariert. Lediglich ob sich die Kurven flacher oder steiler gestalten, hängt noch von den geometrischen Parametern der Angusskanäle ab.

Kosten des Formenbaus

 

Laden Sie den Excel-Kalkulator inklusive obigem Graphen (Datenblatt 2) herunter, um die Relationen genauer nachzuvollziehen:

Gussformkosten gegenüber Hohlraumzahl, bei variierenden Fertigungsmengen

Mold making cost

 

Intuitiv nachvollziehbar wirkt hier nun das lineare Verhältnis zwischen Hohlraumzahl und Gussformkosten. Da der Guss an sich über seine Lebensdauer nicht mit der Menge korreliert, beeinflusst die Fertigungsmenge die Kosten des Formenbaus nicht. Das Tooling entspricht somit den fixen NRE-Mindestkosten fürs Initiieren der Fertigung selbst. Die folgenden Eingabedaten sind erforderlich, um die Gussformkosten abzuschätzen:

 

  • Feste Startzeitspanne (Rüstzeit der Anlage)

  • Rohmaterialkosten

  • Stundensatz von Anlage und Personal

  • Anlagenkosten pro Stunde (Verschleiß und/oder Leasing)

  • CAD-Entwurf

  • Feste Zeitspanne pro maschinell bearbeitetem Hohlraum (empirische Schätzung)

  • Schwierigkeitsstufe (empirische Schätzung)

  • Oberflächenbehandlung

 

Um den Tooling-Preis für den Spritzguss zu schätzen, sind alle diese Faktoren miteinzubeziehen. Verwenden Sie den Excel-Kalkulator (Datenblatt 2), um unterschiedliche Eingabewerte auszuprobieren und die Ergebnisse zu vergleichen.

Fertigungskosten (Formgusskosten)

 

Laden Sie den Excel-Kalkulator inklusive obigem Graphen (Datenblatt 3) herunter, um die Relationen genauer nachzuvollziehen:

Fertigungskosten gegenüber Hohlraumzahl, bei variierenden Fertigungsmengen

 
Molding cost (machine cost)

 

Wie gravierend die Hohlraumzahl die Fertigungskosten beeinflusst, lässt sich am obigen Graphen ablesen. Folgende Eingabewerte wurden in diese Evaluation einbezogen:

  • Durchlaufzeit für 1 Hohlraum

  • Verlängerte Durchlaufzeit pro Hohlraum (aufgrund Zunahme der eingespritzten Materialmenge)

  • Stundenweise Anlagenbetriebskosten

  • Anlagenkosten pro Stunde (Verschleiß und/oder Leasing)

  • Verbrauchsmaterial und sonstige Kosten pro Stunde

 

Sich die Durchlaufzeit hier genauer anzuschauen lohnt sich. Sie hat erheblichen Einfluss auf die Fertigungskosten, wohingegen die anderen Eingabewerte im Großen und Ganzen gleichbleiben bzw. Projektfixkosten darstellen. Daher ist das Optimieren der Einzelteile wie des gesamten Fertigungsprozesses zwecks Minimierung der Durchlaufzeit von großer Bedeutung. Konsultieren Sie die (hoffentlich bereits heruntergeladene) begleitende Excel-Datei (Datenblatt 3), um genauer nachzuvollziehen, wie empfindlich die Fertigungskosten auf die Durchlaufzeit reagieren.

Die Spritzgusskosten des Projekts insgesamt

 

Laden Sie sich oben den Excel-Kalkulator (Datenblatt 4) herunter, um die Relationen genauer nachzuvollziehen:

Projektkosten gegenüber Hohlraumzahl, bei variierenden Fertigungsmengen

 
Injection molding costs

Da die Hohlraumzahl die Fertigungskosten und die Rohmaterialkosten auf vergleichbare Weise beeinflusst wie die Projektgesamtkosten, ähneln die resultierenden Graphen einander deutlich. Allerdings ist der Gesamtverlauf der Kurve hier steigend, sodass die Gesamtkosten stetig zunehmen. Da die eingangs rasche Kostenabnahme bei steigender Hohlraumzahl (aufgrund des größeren Einflusses der Tooling-Kosten bei kleinen Fertigungsmengen) mit Zunahme der Fertigungsmenge länger vorhält, driften die Wendepunkte der Kurven nach rechts.

Erstellen des Kostenvoranschlags: der optimale Spritzgusspreis

In diesem Fall also haben wir einige initiale Eingabewerte zu berücksichtigen (unter Vernachlässigung der Vorlaufzeit):

  • Spanne der Fertigungsmenge (z.B. 20.000-50.000 Stück)

  • Projektkostenspanne (z.B. 1.000-5.000 Euro)

  • Formgusshohlräume (z.B. 1-8)

Das Projektkostenoptimum bei unterschiedlichen Fertigungsmengen

 
Optimal Injection molding costs

 

Der rot markierte Bereich zeigt das Fenster der optimalen Projektkosten und die Spanne der entsprechenden Fertigungsmengen an. Klar wird nun aber auch, dass der Kunde das Projektbudget um ca. 1.000€ unterschätzt hat, und dass das der Angebotsanfrage am nächsten kommende Angebot wie folgt lautet:

 

6.000€ für 20.000 Stück mit 4-8 Hohlräumen

 

Da es nicht nötig ist, den empfangenen Rahmendaten voll zu vertrauen, wird hier eine Spanne von 4-8 Hohlräumen veranschlagt. Die Evaluation des Projekts sollte holistisch erfolgen. Minimale Gewinne bei vorgegebener Hohlraumzahl lohnen sich nicht immer, denn das Tooling besonders komplexer Teile und/oder unvorgesehene Schwierigkeiten dabei können unterm Strich einen erheblichen Verlust bedeuten. Rechnen Sie also lieber einen gewissen Puffer mit ein.

 

Wie die obigen Daten zeigen, lässt eine steigende Hohlraumzahl bei kleinen Fertigungsmengen die Gesamtkosten nur wenig ansteigen, was die Effizienz des Spritzgusses im Kontext von Massenfertigung und Skaleneffekt ideal veranschaulicht.

Mikro-Formguss – der Favorit bei kleinen Mengen

Dass sich der Spritzguss vornehmlich für große Fertigungsmengen eignet, wird aus den obigen Betrachtungen mehr als deutlich. Praktisch ein Ding der Unmöglichkeit ist das Prototyping mittels Spritzguss. Die hohen Tooling-Kosten stellen hierbei die Haupteinstiegsschwelle dar, was erst ab Fertigungsmengen von ca. 100.000 Stück vernachlässigbar wird.

 

Was jedoch, wenn man sich die Tooling- und Anlagenkosten weitgehend sparen könnte?

 

Der Mikro-Formguss ist eine Variante des Formgusses, mit dem wesentlichen Unterschied, dass sie exklusiv zur Fertigung von Kleinteilen von deutlich unter 1 Gramm Gewicht zum Einsatz kommt. Aber auch bei geringen Fertigungsmengen bzw. zum Prototyping kann sich der Mikro-Formguss anbieten, da die zum Einsatz kommenden Gussformen klein und aus Aluminium gefertigt sind, was die Tooling-Kosten und die Laufzeit bei Kunststoffkleinteilen um den Faktor 2× kürzt. Auch die Betriebskosten sind geringer, da die Formgussanlagen selbst klein dimensioniert sind. Dies ermöglicht den Einsatz von Formguss auch bei geringen Budgets und kleinen Stückzahlen, inklusive Prototyping. Auch im Massenfertigungsmaßstab kann der Mikro-Formguss mit dem herkömmlichen Formguss konkurrieren, sofern das Einzelteil klein genug ist, sodass 4-8 Hohlräume in der Gussform Platz finden.

 

>>Lesen Sie mehr darüber, wie Mikro-Formguss eine  schnellere und  günstigere Fertigung ermöglicht<<

 

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