Für die Herstellung von Metallteilen sind CNC-Bearbeitung und Druckguss zwei weit verbreitete Optionen. Diese Verfahren unterscheiden sich in ihren Verfahren und im Rohstoffverbrauch, was sich auf die Gesamtkosten auswirkt. Ingenieure und Hersteller weisen in der Regel darauf hin, dass die Herstellung von Komponenten mit CNC-Bearbeitung im Vergleich zum Druckguss höhere Materialkosten verursacht.
In diesem Blogbeitrag erfahren Sie mehr über die wichtigsten Faktoren, die diese Kostenschwankungen verursachen. Außerdem werden Effizienz, Abfall und Materialverbrauch aus globaler Fertigungsperspektive analysiert.
Analyse der Fertigungsverfahren: CNC-Bearbeitung und Druckguss
CNC-Bearbeitung (subtraktive Fertigung)
Bei der CNC-Bearbeitung entfernt die Maschine Material aus einem massiven Block oder Block, um das Endprodukt zu formen. Dieses Verfahren bietet extreme Flexibilität und Präzision. Allerdings entsteht dabei eine beträchtliche Menge an Abfall, da ein großer Teil des Ausgangsmaterials in Späne umgewandelt wird. Bei der Verwendung teurer Metalle erhöht dieser Materialabfall die Gesamtmaterialkosten erheblich.
Druckguss (Near-Net-Shape-Fertigung)
Vereinfacht ausgedrückt werden beim Druckguss Bauteile durch Gießen von geschmolzenem Metall in eine Form hergestellt. Dabei wird nur so viel Metall verwendet, wie zum Füllen der Form benötigt wird, und ein kleiner Anteil für Angüsse und Kanäle hinzugefügt. Mit diesem Verfahren können Unternehmen den Rohstoffabfall minimieren. Verbleibendes Metall, wie Anguss oder Angüsse, kann zurückgewonnen und wiederverwendet werden. Folglich führt Druckguss bei der Großserienproduktion zu relativ geringen Materialkosten pro Teil.
Siehe auch: Schmieden vs. Gießen vs. CNC-Bearbeitung
Kosten, die durch den Rohstoffeinsatz beeinflusst werden
Die CNC-Bearbeitung beginnt mit einem Rohteil, das im Verhältnis zum fertigen Bauteil sehr groß ist. Hersteller beschaffen sich großformatiges Material – beispielsweise einen Stahlstab oder einen Aluminiumblock –, damit das Teil während des Bearbeitungsprozesses effizient gehalten und geformt werden kann.
Jedes einzelne Stück Metall, das bei der Bearbeitung entfernt wird, wird zum vollen Preis gekauft. Angenommen, die Hälfte eines Blocks wird weggeschnitten, dann bedeutet das, dass die Hälfte der Materialkosten für jede Komponente verschwendet wird.
Beim Druckguss entspricht die für jedes Teil verwendete Materialmasse in etwa dem Endgewicht. Die Materialnutzungsrate beim Druckguss liegt bei etwa 90 bis 95 %. Dies zeigt, dass nur ein sehr geringer Anteil des Materials verschwendet wird und der Großteil davon auch wiederverwertet werden kann.
Beim Druckguss werden Rohmetalle in großen Mengen verwendet, beispielsweise geschmolzene Legierungen oder Barren, die in der Regel günstiger pro Kilogramm erhältlich sind als vorgeformte Werkstücke für die CNC-Bearbeitung. Je nach spezifischem Einsatzzweck erfordert die Bearbeitung hochwertiges Rohmaterial, das pro Gewicht teuer sein kann. Druckgießer können hingegen kostengünstigere Legierungen oder wiedergewonnene Metalle verwenden.
Bedenken Sie, dass einige spezielle Legierungen für den Druckguss ebenfalls kostspielig sein können. Andererseits kann bei der CNC-Bearbeitung eine größere Materialvielfalt verwendet werden, von denen einige kostengünstiger sind. Allerdings erhöht die Notwendigkeit, zusätzliche Materialien für die CNC-Bearbeitung zu beschaffen, den Gesamtpreis des Materials.
Vergleich der Schrotthandhabung
Druckguss bietet einen weiteren Vorteil bei der Abfallbehandlung. Eine minimale Menge überschüssigen Metalls, wie z. B. Angusskanäle, Angüsse oder Eingusskanäle, verbleibt an den Komponenten und wird abgeschnitten. Dieses abgeschnittene Metall wird wieder eingeschmolzen und für zukünftige Gussteile verwendet. Daher entsteht beim Druckguss nur eine vernachlässigbare Menge an Materialverschwendung. Dies trägt zur Senkung der Materialkosten bei.
Bei der CNC-Bearbeitung hingegen entstehen Späne und Metallsplitter, die nicht auf die gleiche Weise recycelt werden können. Werkstätten sammeln diese Metallspäne ein und verkaufen sie weiter, erzielen dafür aber einen recht niedrigen Preis. Recycler müssen den Schrott wiederverarbeiten, sodass Hersteller für Material bezahlen, das nie im Endprodukt verwendet wird. Da CNC-Abfälle nicht intern wiederverwendet werden können, sind die Preise für verwertbare Materialien für bearbeitete Komponenten recht hoch.
Aus ökologischer Sicht verbessert der geringe Abfall den Status des Druckgusses als umweltfreundliches Verfahren. Bei der CNC-Bearbeitung entsteht mehr Abfall, den die Unternehmen durch Recycling oder Entsorgung entsorgen müssen, was zu zusätzlichen Kosten führt.
Unterschiede bei Materialverbrauch und Abfall
Die CNC-Bearbeitung ist ein subtraktives Verfahren, bei dem Material vom Werkstück abgetragen wird, wodurch ein geringerer Anteil des Ausgangsmaterials genutzt wird . Der größte Teil des Ausgangsmaterials wird zu Bearbeitungsspänen anstatt zu einem fertigen Bauteil. Wird beispielsweise ein Metallblock zu einem Werkstück zugeschnitten, geht ein erheblicher Teil seiner Masse verloren.
Druckguss ist ein endkonturnahes Verfahren, das anders funktioniert. Dabei werden Komponenten näher an ihre endgültige Form gebracht und es wird nahezu die gleiche Materialmenge wie beim fertigen Bauteil verwendet, wodurch sehr wenig Abfall entsteht.
Aus diesem Grund muss bei der CNC-Bearbeitung typischerweise mehr Material für jedes Bauteil gekauft werden. Dieses Verfahren erzeugt mehr Abfallprodukte und erhöht somit die Materialkosten. Untersuchungen bestätigen zudem, dass bei der CNC-Bearbeitung erheblicher Ausschuss entsteht, was insbesondere bei teuren Materialien die Kosten erhöht. Beim Druckguss hingegen entsteht deutlich weniger Metallabfall und das Metall wird nachhaltiger verarbeitet.
Volumen-Kosten-Analyse
Bei der CNC-Bearbeitung spielt das Fertigungsvolumen eine große Rolle für die hohen Stückkosten eines Bauteils. Ingenieure entscheiden sich in der Regel für die CNC-Bearbeitung bei kleinen Stückzahlen oder Prototypen, obwohl dabei mehr Abfall entsteht. Dies liegt daran, dass die anfänglich hohen Kosten einer Druckgussform für kleine Stückzahlen nicht vertretbar sind.
Mit der steigenden Anzahl an Komponenten steigt auch der Materialabfall bei der CNC-Bearbeitung. Jedes bearbeitete Teil verursacht auch Kosten für entferntes Metall. Bei der Herstellung von Tausenden von Komponenten ist der Gesamtverlust in Form von Ausschuss daher recht groß.
Ab diesem Zeitpunkt war Druckguss die bessere Option. Die anfänglichen Werkzeugkosten werden auf mehrere Teile verteilt, und jedes Teil nutzt das Material optimal aus. Bei der Großserienproduktion sind die Materialkosten pro Stück beim Druckguss vergleichsweise geringer. Diese Kosteneffizienz ist der Hauptgrund dafür, dass Druckguss in großen Stückzahlen deutlich niedrigere Kosten pro Teil verursacht.
Bei der Herstellung von Millionen von Teilen wird der Unterschied noch deutlicher. Beim Druckguss wird nur so viel Material verbraucht, wie für jedes einzelne Teil nötig ist, während bei der CNC-Bearbeitung zwei- bis dreimal so viel verschwendet wird.
Rolle der Geometrie bei Kostenunterschieden
Die Geometrie eines Teils kann den Materialpreisunterschied zwischen Druckguss und CNC-Bearbeitung weiter erhöhen. Die Herstellung hohler oder komplexer Formen durch CNC-Bearbeitung führt in der Regel zu einem unwirtschaftlichen Materialverbrauch.
Wenn ein Bauteil geometrische Merkmale wie tiefe Taschen, innere Hohlräume oder dünne Wände aufweist, beginnt die CNC-Bearbeitung mit einem massiven Block. Die Maschine entfernt Material, um diese Hohlräume zu erzeugen, wodurch große Mengen Metallspäne als Abfall entstehen.
Druckguss funktioniert anders. Dabei entstehen innere Hohlräume, dünne Wände und detaillierte Formen, indem Metall in eine Form eingebracht wird. Die Form weist von Natur aus Hohlräume auf, die durch die Kerne entstehen.
Durch das Gießen wird die Form des Teils präzise geformt, sodass kaum zusätzliches Material entfernt werden muss. Beispielsweise wird ein Hohlteil mit komplexer Innengeometrie nahezu in der gewünschten Form gegossen. Die Bearbeitung des passenden Teils würde einen erheblichen Metallabtrag erfordern, der größtenteils zu Schrott werden würde.
Nicht vergessen: Wenn für eine Konstruktion erhebliche Materialmengen abgetragen werden müssen und beim CNC-Bearbeiten viel Abfall entsteht, ist Druckguss die ideale Lösung. Die Wahl des Druckgussverfahrens für solche Formen hilft Herstellern, Materialverschwendung zu vermeiden und die Kosten für die CNC-Bearbeitung zu senken.
Ökologische Auswirkungen auf die Materialkosten
Materialkosten beschränken sich nicht nur auf den Preis. Ressourceneffizienz und Umweltverträglichkeit spielen für viele multinationale Unternehmen eine entscheidende Rolle. Materialverschwendung erfordert zusätzliche Ressourcen und Energie für Herstellung, Transport und Recycling. Druckguss nutzt Materialien nachhaltiger und bietet sowohl Umweltvorteile als auch Kosteneinsparungen.
Wird das Metall nicht in Späne umgewandelt, fällt weniger Schrott an und es wird letztlich weniger Energie zum Wiedereinschmelzen benötigt. CNC-Bearbeitung produziert mehr Schrott, sodass in jedem fertigen Bauteil mehr Energie steckt. CNC-Bearbeitung ist weniger nachhaltig, wenn die Industrie diesen Abfall nicht effektiv recycelt.
Unternehmen müssen außerdem für das Recycling und die Entsorgung ihres bei der CNC-Bearbeitung anfallenden Ausschusses aufkommen. Auch die Aufbereitung von Schneidflüssigkeiten ist erforderlich. Diese zusätzlichen Schritte erhöhen die Gesamtmaterialkosten der Bearbeitung.
Wie wirkt sich die Materialauswahl auf die Produktionskosten aus?
Die Art der verwendeten Materialien beeinflusst die Materialkosten. CNC-Bearbeitung kann mit nahezu allen Materialien arbeiten. Ingenieure können aus einer Vielzahl von Kunststoffen, Metallen und Verbundwerkstoffen wählen. Diese Auswahl ermöglicht es ihnen, je nach Bedarf leichter verfügbare oder günstigere Rohstoffe auszuwählen.
Druckguss hingegen ist auf bestimmte gießbare Legierungen beschränkt. Dabei handelt es sich in der Regel um Nichteisenmetalle wie Zink, Aluminium und Magnesium.
Wenn für ein Bauteil ein Material benötigt wird, das sich nicht durch Druckguss herstellen lässt, wie beispielsweise Edelstahl, ist die CNC-Bearbeitung die einzige verbleibende Option. Allerdings entsteht bei diesem Verfahren mehr Materialabfall.
Wenn beide Verfahren möglich sind, werden beim Druckguss typischerweise Standardlegierungen verwendet. Diese für den Guss entwickelten Legierungen sind kostengünstig. In Sonderfällen werden jedoch spezielle Druckgusslegierungen benötigt, die sehr teuer sind und die Leistung des Druckgusses beeinträchtigen können.
Druckguss bietet einen weiteren Vorteil für typische Materialien wie Aluminium. Angussmaterial beim Druckguss ist in der Regel wiederverwertbar und kann auch wiederverwendet werden. Dies trägt dazu bei, Ihre Nettomaterialkosten vergleichsweise stärker zu senken als bei der CNC-Bearbeitung, bei der möglicherweise nicht im gleichen Maße Späne zurückgewonnen werden.
Ergebnis: Der Vorteil des niedrigen Materialpreises beim Druckguss bleibt bestehen, solange gängige Gussmetalle verwendet werden. Sind Ihre Material- und Designanforderungen kompatibel, kann die Wahl des Druckgussverfahrens die Materialkosten senken.
Siehe auch: Wie Sie die CNC-Bearbeitungskosten für Ihr Projekt berechnen
Um zusammenzufassen
CNC-Bearbeitung ist im Vergleich zum Druckguss mit höheren Materialkosten verbunden, da mehr Abfall entsteht und die Materialien weniger effizient genutzt werden. Bestimmte Anwendungen erfordern CNC-Bearbeitung, insbesondere bei der Fertigung kleiner Chargen, der Verarbeitung spezieller Materialien oder bei Anforderungen an sehr enge Toleranzen.
Ingenieure hingegen, die Abfall und Kosten minimieren möchten, entscheiden sich meist für Druckguss, da dieser am besten geeignet ist. Durch die Kenntnis der Materialkostenunterschiede zwischen diesen Verfahren können Hersteller und Ingenieure das beste Verfahren für ihre Fertigungs- und Budgetanforderungen auswählen.
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Verwandte Fragen
Bei größeren Stückzahlen (1,000 bis über 5,000 Komponenten) sind die Kosten pro Teil (einschließlich Material, Arbeitsaufwand und Energie) im Druckgussverfahren oft vergleichsweise geringer. Bei Spezialmaterialien oder Kleinserien (weniger als 500 Komponenten) kann die CNC-Bearbeitung eine kostengünstigere Lösung sein.
Ja, das ist möglich. Viele Ingenieure verwenden Druckguss, um die Grundform herzustellen, und bearbeiten anschließend präzise Details mithilfe der CNC-Bearbeitung. Diese Hybridstrategie kombiniert Geschwindigkeit, Genauigkeit und Kosteneinsparungen.
CNC-Bearbeitung ermöglicht sehr enge Toleranzen von ±0.01 mm bis ±0.001 mm. Druckguss hingegen bietet größere Toleranzen von etwa ±0.1 mm für ein 25 mm großes Teil. Darüber hinaus ist in der Regel eine zusätzliche Bearbeitung erforderlich, um die strengen Anforderungen zu erfüllen.
