Spritzgusskosten und Spritzgusswerkzeugskosten berechnen – und sparen

Lesen Sie einen detaillierten Überblick darüber, wie die Kosten für Spritzgusskleinserien berechnet werden, und verwenden Sie einen einfachen Rechner (.xlsx), um die Komplexität der Kalkulation von Spritzgussformkosten besser zu verstehen.

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

Inhaltstabelle:

Was Sie hier lernen (eine Schaubild-Übersicht):

Infographic

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:

Basics

Der Kunststoff-Spritzguss: Das unbekannte Wesen.

Injection molding is a serial production technology where molten thermoplastic pallets are injected in the molds. Cooled plastic solidifies and when the mold opens it is ejected as a brand new plastic part. Read more here.

Gussform? Werkzeugbau? Was ist das?

Tooling is the process of mold machining. Mold is a 3D designed part ‘subtracted’ or carved out (milled) out of the block of metal (usually steel or aluminum). It is obvious that most of engineering know-how is condensed in this stage. Mold making is the core of injection molding technology and thus it has the biggest fraction of NRE cost.

Hohlraum? Kern? Was ist das?

Since mold has two sides core and cavity take place in one or another. They are used to shape the injected plastic. In other words, the core forms the internal shape of the part and the cavity - external. It is worth to mention that by default cavity numbers can be distributed only in such a way: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 48… This is because only than equal runner distances are possible for equal pressure distribution.

Disclaimer

Zweck dieser Arbeit ist, die Grundprinzipien der Kostenrechnung für den Spritzguss 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 Spritzguss-Kosten 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

Disclaimer

Heading to the optimum

Spritzguss Grenzen von Projekt und Anlagen

Project and machie constraints

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:

Produktionsmengenspanne
Vorlauf-Zeitspanne
Budget-Spanne
CAD-Pläne des Gussteils
Eingesetztes Material
Toleranzen
Oberflächenbehandlung

Budget. Ernsthaft? (Off-Topic)

Ist das Deklarieren einer Budget-Spanne nicht gleichbedeutend mit einem Verlust eines Verhandlungshebels? Schon, aber erfahrenere Kunden wollen vermeiden, dass sich die Erstellung eines Kostenvoranschlags ewig hinzieht, weil das Spritzgussunternehmen 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 verzichten 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 Kavität.

Die drei wichtigsten Eingabewerte für Spritzgusskosten

budget

Three main inputs

Cavity number calculation

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 → Kunststoffe → 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.

"Zu guter Letzt“: 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
Die Spanne der Vorlaufzeit (z.B. 1-2 Monate)
Die Projektkosten (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.

Surface finish

Sum up

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.

Kosten Spritzgusswerkzeug

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:

Rohstoffkosten
Kosten des Spritzgussform (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.

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

Dependent, independent

IM Cost

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Raw mterial costs

Rohstoffkosten gegenüber Hohlraumzahl, bei variierenden Fertigungsmengen

Mold making cost

Rohstoffkosten

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 des verwendeten Kunststoff 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-Rechner inklusive obigem Graphen (Datenblatt 2) herunter, um die Relationen genauer nachzuvollziehen:

Gussformkostenrechner

Gussformkosten gegenüber Hohlraumzahl, bei variierenden Fertigungsmengen

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-Rechner (Datenblatt 2), um unterschiedliche Eingabewerte auszuprobieren und die Ergebnisse zu vergleichen.

Spritzguss Kosten (Formgusskosten)

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

Production Cost

Fertigungskostenrechner

Fertigungskosten gegenüber Hohlraumzahl, bei variierenden Fertigungsmengen

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 Zykluszeit des Spritzguss 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. Lesen Sie in der (hoffentlich bereits heruntergeladenen) begleitenden Excel-Datei (Datenblatt 3), um genauer nachzuvollziehen, wie empfindlich die Fertigungskosten auf die Durchlaufzeit reagieren.

Die Spritzguss Kunststoff Kosten des Projekts insgesamt

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

Project cost

Projektkostenrechner

Projektkosten gegenüber Hohlraumzahl, bei variierenden Fertigungsmengen

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 optimalen Spritzguss Kosten

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

Opimal cost

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 ganzheitlich 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 einer Spritzguss Kleinserie die Kosten nur wenig ansteigen, was die Effizienz des Spritzgusses im Kontext von Massenfertigung und Skaleneffekt ideal veranschaulicht.

Mikro-Formguss – der Favorit bei Spritzguss Kleinserien

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 wäre, wenn es möglich wäre, enorme Werkzeug- und Maschinenkosten zu sparen?

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 CNC Fräsen 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 2× schnellere und 2× günstigere Fertigung ermöglicht<<

Micromolding

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