Wie ermittelt man die Kosten für Spritzguss?

Die kurze Antwort: Kunststoffspritzgussformen kosten irgendetwas zwischen 100 $ für eine 3D-gedruckte Spritzgussform für Kleinserien bis hin zu mehr als 100 000 $ für eine komplexe Stahlform mit mehreren Hohlräumen für Produktionen mit hohem Volumen, wobei Letztere im Allgemeinen die signifikanteste Fixkostenposition zu Beginn des Spritzgießens darstellt. Da diese Kosten aber auf Hunderten bis Tausenden von Teilen verteilt werden, ist der Spritzguss ein ideales Verfahren für die Massenfertigung von erschwinglichen Kunststoffteilen. 

In diesem Leitfaden stellen wir Ihnen eine ausführliche Aufgliederung dazu bereit, was die verschiedenen Faktoren sind, die die Gesamtkosten für den Spritzguss ausmachen. 

Das Spritzgießen ist eines der führenden Verfahren zur Fertigung von Kunststoffteilen. Es findet breiten Einsatz zur Massenherstellung von Teilen mit minimalen Fertigungstoleranzen. Es ist eine kostengünstige und extrem reproduzierbare Technologie zur Produktion hochwertiger Teile in Großserien. 

Das Spritzgussverfahren ist ein schneller, intensiver Prozess, bei dem geschmolzenes Material (meist Kunststoff) unter großer Hitze und Druck in eine Form gespritzt wird. Das geschmolzene Material hängt von dem Umfang des Fertigungsprojekts ab. Die beliebtesten Materialien sind verschiedene Thermoplaste wie ABS, PS, PE, PC, PP oder TPU, aber auch Metalle und Keramiken können über Spritzguss injiziert werden. Die Form besteht aus einem Hohlraum, der für das injizierte, geschmolzene Material geeignet ist und so konzipiert ist, dass er die finalen Eigenschaften des Teils widerspiegelt. 

Normalerweise sind die Kosten für den Formenbau, auch bekannt als Werkzeugbestückungskosten, die primär kostensteigernden Faktoren beim Spritzgießen. Die Kosten für den Entwurf und die Erstellung einer Form hängen von dem benötigten Produktionsvolumen, der Komplexität des Teildesigns, des Formenmaterials und dem Verfahren ab, das zum Formenbau benutzt wird.

Einfache, 3D-gedruckte Formen für die Kleinserienfertigung können gerade mal 100 $ kosten, während die Kosten für Entwurf und Fertigung komplexer Formen für Hochvolumenproduktionen die 100 000 $-Grenze erreichen können. Trotz der beträchtlichen Fixkosten bei Produktionsbeginn hat das Spritzgussverfahren aufgrund der kostengünstigen Thermoplastmaterialien und kurzen Zyklen geringe variable Kosten, und die benötigte Arbeit sinkt aufgrund der Automatisierung und wirtschaftlichen Skalierung stetig. Das bedeutet, dass die variablen Produktionskosten niedrig sind und das Verfahren effizienter wird. Auch sinken die Kosten pro Teil bei höheren Volumen, da die Kosten sich auf Hunderte oder Tausende von Teilen verteilen. 

Für dieses Video haben wir uns mit dem Spritzgussdienstleister Multiplus zusammengetan, um Ihnen die Schritte des Spritzgussprozesses unter Einsatz 3D-gedruckter Formen näherzubringen.

Das Verständnis der verschiedenen Kostenarten, die mit dem Spritzguss einhergehen, erfordert eine Tiefenanalyse des Verfahrens. 

Für den Spritzguss werden spezielle Geräte verwendet, die von kleineren Desktop-Spritzgießmaschinen, die Unternehmen betriebsintern nutzen können, bis hin zu großen, industriellen Spritzgießmaschinen, die meist durch Dienstleister, Vertragshersteller und große Hersteller betrieben werden, reichen.

Die Produktion von Kleinserien mittels Spritzguss ist mit kleineren Desktop-Spritzgießmaschinen und 3D-gedruckten Formen am kostengünstigsten. Wenn Sie in das Spritzgießen einsteigen und es mit begrenztem Investitionsaufwand testen möchten, könnte eine manuelle Benchtop-Spritzgießmaschine wie die Holipress oder die Galomb Model-B100 eine gute Option sein. Automatische Spritzgießmaschinen zur Kleinserienfertigung, wie das Desktop-Gerät von Micromolder oder das Hydraulikgerät Babyplast 10/12, sind eine gute Alternative für die mittelgroße Serienproduktion von kleinen Teilen.

Große industrielle Spritzgießmaschinen können zwischen 50 000 $ und mehr als 200 000 $ kosten. Diese Geräte haben auch strikte Anforderungen an die Anlage und erfordern für ihren Betrieb sowie deren Überwachung und Wartung fähige Arbeitskräfte. Deshalb lagern die meisten Unternehmen die Massenproduktion an Dienstleister und Vertragshersteller aus, sofern der Spritzguss keine Kernkompetenz darstellt, wodurch die Anschaffungskosten für Geräte in den Dienstleistungskosten inbegriffen sind.

Wie schon in der Einleitung erwähnt, sind die Formenkosten oder Werkzeugbestückungskosten die primären kostensteigernden Faktoren beim Spritzguss.

Spritzgussformen werden im Allgemeinen mittels dreier Methoden hergestellt:

• CNC-Bearbeitung: CNC-Bearbeitung ist das Hilfsmittel, was zur Fertigung von hochpräzisen Formen aus Aluminium und Stahl am meisten verwendet wird. Die CNC-Bearbeitung entfernt Material durch ein rotierendes Werkzeug und ein festes Teil. Durch Zerspanung können Formen mit hochkomplexem Hohlraumdesign hergestellt werden, aber dafür können mehrere Veränderungen am Werkzeug erforderlich sein, die den Prozess verlangsamen können. Das bedeutet, dass die Kosten mit der Komplexität steigen. CNC-Maschinen sind industrielle Werkzeuge, die eine geübte Arbeitskraft und einen zugewiesenen Raum erfordern, was bedeutet, dass viele Unternehmen die Formenproduktion an Dienstleister auslagern.

• Funkenerosion (Electrical Discharge Machining, EDM): Die EDM-Methode wird im Allgemeinen dazu verwendet, hochkomplexe Formdesigns zu erstellen, die nicht einfach mit Standard-Bearbeitungsmethoden reproduziert werden können. Die EDM bedingt die Nutzung einer Werkstück- und einer Werkzeugelektrode, um die gewünschte Formgestalt zu erreichen. Die Werkzeugelektrode und die Werkstückelektrode werden durch eine dielektrische Flüssigkeit getrennt und sind Spannungen ausgesetzt, die wiederkehrende Stromentladungen verursachen. Die Entladungen sind dafür verantwortlich, dass die Werkstückelektrode zur schlussendlichen Form umgestaltet wird. Die EDM ist hochakkurat und erfordert im Allgemeinen keine zusätzliche Nachbearbeitung. Ähnlich der CNC-Bearbeitung ist die EDM auch ein industrielles Verfahren, das viele Unternehmen an Fertigungsunternehmen auslagern.

• 3D-Druck: Der 3D-Druck ist eine leistungsstarke Lösung zur raschen und kostengünstigen Herstellung von Spritzgusswerkzeug. Er stellt geringe Anforderungen an die Geräte und ermöglicht Einsparungen bei CNC-Zeiten und qualifizierten Arbeitskräften, die für andere anspruchsvolle Aufgaben genutzt werden können. Hersteller können beim Formenbau von der Geschwindigkeit und Flexibilität des betriebsinternen 3D-Drucks profitieren, um Formen zu erstellen, die sowohl mit Desktop-Geräten als auch mit industriellen Spritzgießmaschinen verwendet werden können. Außerdem profitiert die Produktentwicklung von der Möglichkeit, mehrere Versionen zu entwickeln und das Material für die Endverwendung zu testen, bevor in ein Metallwerkzeug zur Massenproduktion investiert wird. Die Stereolithografie (SLA)-3D-Drucktechnologie ist eine ausgezeichnete Wahl für den Spritzguss. Sie zeichnet sich durch eine glatte Oberflächenbeschaffenheit und die hohe Präzision aus, die von der Form auf das endgültige Teil übertragen wird und auch das Entformen erleichtert. Mit dem Stereolithografie (SLA)-Verfahren hergestellte 3D-Drucke verfügen über chemische Bindungen, die für Dichte und Isotropie sorgen. Desktop-SLA-Drucker, wie die von Formlabs angebotenen, beginnen bei unter 5000 $ und können nahtlos in jeden Spritzguss-Arbeitsprozess integriert werden, dank ihrer einfachen Implementierung, Bedienung und Wartung.

Die Entwicklung von komplexeren Formen erfordert technische Expertise. Aus diesem Grund lagern Unternehmen oftmals bestimmte Aspekte des Spritzgussverfahrens aus, wie den Entwurf und die Herstellung der Form. 

Für Unternehmen mit den Geräten und Werkzeugen, die für den Spritzguss notwendig sind, könnte die Entscheidung, Formen betriebsintern herzustellen, die billigste Option sein, wenn ebenfalls das technische Know-how verfügbar ist. Wenn die Werkzeuge, die für das Spritzgießen benötigt werden, nicht betriebsbereit verfügbar sind, reduziert die Auslagerung die mit der Entwicklung einer Form verbundenen Kosten. 

Einfache, 3D-gedruckte Formen für die Kleinserienfertigung können mit einem SLA-3D-Drucker für weniger als 100 $ produziert werden. Eine Aluminiumform für einen Produktionslauf mit mittlerem Volumen von etwa 1000 bis 5000 Einheiten fällt in den Kostenbereich zwischen 2000 und 5000 $. Für Formen mit komplexeren Geometrien, die für größere Produktionsläufe von etwa 10 000 Einheiten oder mehr vorbereitet werden, liegen die Kosten zwischen 5000 $ und 100 000 $.

Ein Großteil der Kunststoffe, einschließlich ABS, PS, PE, PC, PP und TPU, kann für den Spritzguss verwendet werden, abhängig von den Anforderungen des Endprodukts.

Die Kosten des Materialkaufs für die Formen variiert je nach gewähltem Material. Thermoplastpellets kosten ungefähr zwischen 1 $ bis 5 $ pro Kilo. 

Die Materialkosten sind definiert durch das Modeldesign, das gewählte Material und die zur Durchführung des Spritzgussverfahrens verwendete Materialmenge.

Die Geräte für den Spritzguss sind im Allgemeinen selbstregulierend und vertrauen auf die Automatisierung, um den Auftrag abzuschließen. CNC-Maschinen, EDM-Maschinen und 3D-Drucker vertrauen auf die Spezifikationen des CAD-Entwurfs, um eine Form herzustellen. Die Spritzgießmaschine vertraut auch beim Injizieren von Materialien in die Form auf Automatisierung. Oftmals kühlen industrielle Spritzgießmaschinen den fertigen Gegenstand autonom ab und werfen ihn aus. 

Arbeitskosten umfassen:

• Kosten für Einrichtung/Konfiguration: Die Einrichtungsarbeiten konzentrieren sich auf die Zeit, die benötigt wird, um die genutzten Geräte so zu konfigurieren, dass sie die Form und das Endprodukt produzieren. 

• Reparaturkosten: Reparatur- und Wartungsaufgaben schließen das Ersetzen von fehlerhaften Teilen und die Verwendung von Werkzeugen zur Durchführung von Wartungsvorgängen ein. 

• Überwachungskosten: Trotz des Vertrauens auf Automatisierung wird vom Betriebspersonal der Geräte erwartet, dass es den Fortschritt des Spritzgussprozesses überwacht. Das im Verlauf des Verfahrens anfallende Gehalt für Betriebspersonal wird zu den Gesamtkosten für das Spritzgießen hinzugefügt. 

Bei einer betriebsinternen Produktion werden diese Kosten mit den Arbeitskosten verrechnet. Wenn ein Unternehmen den Spritzguss auslagert, werden die Arbeit und der Aufschlag des Dienstleisters zu den Dienstleistungskosten hinzugefügt.

Die unten stehende Tabelle hebt die mit dem Spritzguss eines hypothetischen Kunststoffgegenstands, wie eines kleinen Gehäuses eines Elektrogeräts, verbundenen Kosten hervor. So lässt sich die Kostendynamik des Spritzgusses einfacher verstehen.

^{* Die Anschaffungskosten werden in diesem Beispiel nicht die Produktionskosten eingerechnet, da die Kosten für diese Werkzeuge auf mehrere Projekte aufgeteilt werden können. Der Kauf einer Desktop-Spritzgießmaschine und eines SLA-3D-Druckers ermöglicht es Unternehmen, für weniger als 10 000 $ in den Spritzguss einzusteigen.}

Die drei Szenarien in der Tabelle geben die Spritzgussmethoden und die Formentypen wieder, die zu den niedrigsten Kosten pro Teil führen, abhängig vom Produktionsvolumen. 

Im Allgemeinen ist das Spritzgießen bei höheren Volumen am effizientesten, da die Kosten sich dann auf Tausende von Teilen verteilen. Aber auch wenn die Kosten pro Teil bei der Kleinserienfertigung etwas höher sind, ist das doch immer noch wesentlich erschwinglicher für eine Kleinserienproduktion als andere Fertigungsmethoden.

Die Produktion von mittelgroßen Volumen ist mit bearbeiteten Aluminiumformen am effizientesten. Diese verursachen niedrigere Kosten als Stahlformen, sind aber beständig genug, um ein paar tausend Schüssen standzuhalten, abhängig von Faktoren wie Material und Design. In den meisten Fällen ist das Spritzgießen für Kleinserien nur bei Verwendung von 3D-gedruckten Formen vertretbar. Wenn wir in unserem Beispiel eine Aluminiumform verwenden würden, um 100 Teile zu produzieren, wären das Kosten von 30 $ pro Teil, bei einer traditionellen Stahlform wären das 200 $ pro Teil.

Die Werkzeugbestückungskosten für den Spritzguss sind sehr hoch und hängen von einer Reihe von Parametern und der Designkomplexität ab. Formen für den Spritzguss werden normalerweise mittels CNC-Bearbeitung aus Aluminium oder Werkzeugstahl erstellt, über EDM bearbeitet, sodass ein Werkstück geformt wird, oder 3D-gedruckt. Die bearbeiteten Teile oder Druckteile werden dann nachbearbeitet, um dem gewünschten Standard zu entsprechen. Die nachbearbeitete Form verfügt über Eigenschaften wie die für ein Teil benötigte Oberflächengeometrie, das Flusssystem zur Führung des Flusses der injizierten Materialien und Kühlkanäle zur Sicherstellung, dass die Form schnell abkühlt.

Eine wichtige Anmerkung: Der Großteil des Spritzgussverfahrens ist dem Abkühlen gewidmet. Je schneller eine Form abkühlt, desto schneller wird das injizierte Material fest und umso schneller kann der Produktionszyklus wiederholt werden. Deshalb spielen die Kühlkanäle eine wichtige Rolle, insbesondere bei Produktionen mit hohem Volumen, und sollten in das Design der Form miteinbezogen werden. Für die Kleinserienfertigung mit 3D-gedruckten Formen ist die manuelle Abkühlung mittels Druckluft eine Option.

Andere Variablen, die das Spritzgussverfahren und die unmittelbar damit verbundenen Kosten beeinflussen, sind u. a.: 

• Größe der Teile: Je größer der Gegenstand oder das Teil, das gegossen werden soll, desto größer wird auch seine Form sein, die das Teil birgt. Größere Teile tendieren dazu, mehr Injektionsmaterial zu benötigen, um einen Produktionszyklus abzuschließen. Designs größerer Formen gehen für gewöhnlich mit höheren Kosten einher, im Vergleich zur Herstellung desselben Designs mit kleineren Abmessungen. 

• Teildesign: Komplexe Teildesigns mit komplizierten Geometrien erfordern komplexe Formen, um das Projekt durchführen zu können. Formdesigns haben üblicherweise zwei Seiten: Seite A und B. Seite A, auch bekannt als kosmetische Seite, ist üblicherweise die Seite, die der Nutzer sieht. Es wird erwartet, dass Seite A glatter und ästhetisch ansprechend ist. Seite B enthält die verborgenen Strukturen, die die Nutzung des Teils unterstützen. Die Struktur der Seite B kann Rippen, Höcker usw. enthalten, und ihre Oberflächenbeschaffenheit ist für gewöhnlich viel rauer als die der Seite A. Formen mit komplexen Entwürfen der Seiten A und B sind im Allgemeinen teurer in der Herstellung als einfachere Formen. Komplexe Designs, die Hinterschnitte enthalten, könnten auch den Wechsel von seitlichen Bewegungen und Kernen erfordern, was die Formkosten erhöht.

• Produktionsvolumen: Die Anzahl der mittels Spritzguss herzustellenden Gegenstände bestimmt die Produktionstechnologie und die Qualität des bei Erstellung der Form zu verwendenden Materials. Projekte mit niedrigem Volumen könnten 3D-gedruckte Spritzgusswerkzeuge oder bearbeitete Formen niedriger Qualität erfordern, während große Produktionsvolumen hochqualitative Stahlformen oder sogar mehrere Formen benötigen, um den Prozess zu managen, ohne dass Verschleiß die Qualität der produzierten Gegenstände beeinträchtigt. Das beeinflusst die Kosten für die Form, aber natürlich werden die höheren Kosten für Formen, die für hohe Volumen nötig sind, auf mehrere Teile verteilt, was normalerweise zu niedrigeren Kosten pro Teil führt.

• Teilevolumen und Hohlräume: Das Teilevolumen bezieht sich auf die Hohlraumgröße einer Form. Je mehr Hohlräume oder Hohlraumvolumen eine Form benötigt, desto länger ist die Presszeit. Eine höhere Presszeit verlangsamt den Produktionsprozess, was zu einer Kostensteigerung führt. 

Online-Kostenschätzungen für den Spritzguss oder Angebote eines Spritzgussdienstleisters können Bezugsgrößen darstellen und Ihnen helfen, die Kosten für den Spritzguss bestimmter Teile einzuschätzen. 

Optionen, die die Spritzgusskosten einschätzen und beim Kalkulationsprozess helfen, sind u. a.:

• CustomPart

• ICOMold

• 3D Hubs

• Protolabs

Eine Vergleichstabelle für Spritzgusskosten dient einem ähnlichen Zweck. Spritzgussdienstleister verwenden Kostenvergleichstabellen, um potenziellen Kunden eine grobe Schätzung für das Verfahren zu geben. 

Die Kosten für den Formenbau werden maßgeblich über die Komplexität und den Zeitaufwand für die Produktion definiert. Wir raten dazu, die Prinzipien des „Design for Manufacturing“ zu beachten, um die Kosten pro Teil beim Spritzguss zu senken. 

Die Produktionskosten der Form können reduziert werden, indem die folgenden Designleitfäden befolgt werden: 

• Bewerten Sie das CAD-Modell, um die Machbarkeit zu bestimmen, bevor Sie ein Spritzgussprojekt umsetzen. Eliminieren Sie mögliche Engpässe wie steile Winkel, Hinterschnitte und andere komplexe Geometrien. 

• Bewerten Sie das Modelldesign, um unnötige Eigenschaften zu eliminieren. Das reduziert die Formgröße und die Menge an zur Modellentwicklung benötigtem Material. 

• Wenden Sie einen Kern-Hohlraum-Ansatz an, der das Design von Formseite B vereinfacht. Beim Kern-Hohlraum-Ansatz werden die Wandhohlräume auf den Grund der Form abgesenkt, wodurch die Notwendigkeit, hohe Entformungsschrägen zu gießen, reduziert wird, während die Oberflächengüte verbessert wird.

• Machen Sie Gebrauch von gleichen, zusammenpassenden Teilen, um die Notwendigkeit der Erstellung mehrerer Formen zu reduzieren, wenn nur eine Universalform verwendet werden kann, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen. 

Obwohl der Spritzguss traditionell als ein Fertigungsprozess angesehen wird, der aufgrund seiner hohen Werkzeugausstattungskosten nur für die Massenproduktion ist, befähigt die Ausnutzung des 3D-Drucks zur Herstellung von Spritzgusswerkzeug Sie dazu, diesen Prozess zu nutzen, um hochqualitative und reproduzierbare Teile für die Prototypenerstellung und Kleinserienproduktion herzustellen.

Verwenden Sie Spritzgussformen aus dem 3D-Drucker sowohl mit Benchtop- als auch industriellen Geräten nutzen können, um effizient und erschwinglich Hunderte bis Tausende funktionsfähiger Prototypen und Teile zur Beschleunigung der Produktentwicklung herzustellen, die Kosten und Durchlaufzeiten zu reduzieren und bessere Produkte auf den Markt zu bringen.