Wie werden die Spritzgusskosten geschätzt?

Die kurze Antwort:Kunststoffspritzgussformen kosten zwischen 100 US-Dollar für eine 3D-gedruckte Kleinserien-Spritzgussform bis hin zu 100.000 US-Dollar und mehr für eine komplexe Mehrkavitäten-Stahlform für die Großserienproduktion, was im Allgemeinen die bedeutendsten fixen Anlaufkosten im Spritzgussbereich darstellt Formteil. Da sich diese Kosten jedoch auf Hunderte oder Tausende von Teilen verteilen, ist das Spritzgießen ein ideales Verfahren, um Kunststoffteile kostengünstig in Massenproduktion herzustellen.

In diesem Leitfaden bieten wir eine umfassende Aufschlüsselung der verschiedenen Faktoren, die die Gesamtkosten für das Spritzgießen ausmachen.

Einführung:Wie viel kostet Spritzguss?

Spritzgießen ist eines der führenden Verfahren zur Herstellung von Kunststoffen. Es wird häufig für die Massenproduktion von identischen Teilen mit engen Toleranzen verwendet. Es ist eine kostengünstige und extrem wiederholbare Technologie, die hochwertige Teile für die Großserienfertigung liefert.

Es ist ein schneller, intensiver Prozess, bei dem hohe Hitze und Druck erforderlich sind, um geschmolzenes Material in eine Form zu spritzen. Das geschmolzene Material hängt vom Umfang des Herstellungsprojekts ab. Die beliebtesten Materialien sind verschiedene Thermoplaste wie ABS, PS, PE, PC, PP oder TPU, aber auch Metalle und Keramiken können spritzgegossen werden. Die Form besteht aus einer Kavität, die das eingespritzte geschmolzene Material aufnimmt und die endgültigen Merkmale eines Teils genau widerspiegelt.

Normalerweise sind die Kosten der Form, auch Werkzeugkosten genannt, der Hauptkostentreiber beim Spritzgießen. Die Kosten für die Konstruktion und den Bau einer Form hängen vom erforderlichen Produktionsvolumen, der Komplexität des Teiledesigns, dem Formmaterial und dem Verfahren zur Herstellung der Form ab.

Einfache 3D-gedruckte Formen in kleinen Stückzahlen können nur 100 US-Dollar kosten, während die Kosten für die Entwicklung und Herstellung komplexer Formen für die Großserienproduktion die Marke von 100.000 US-Dollar erreichen können. Trotz der erheblichen Anlauffixkosten hat der Spritzgießprozess aufgrund der kostengünstigen thermoplastischen Werkstoffe geringe variable Kosten, kurze Zykluszeiten und der Personalbedarf sinkt durch Automatisierung und Skaleneffekte sukzessive. Dies bedeutet, dass die variablen Produktionskosten niedrig sind und der Prozess effizienter wird und die Kosten pro Teil bei höheren Stückzahlen sinken, da sich die Kosten auf Hunderte oder Tausende von Teilen verteilen.

In diesem Video haben wir uns mit dem Spritzgussdienstleister Multiplus zusammengetan, um Sie durch die Schritte des Spritzgussprozesses mit 3D-gedruckten Formen zu führen .

Kostenarten im Spritzguss

Um die verschiedenen Kostenarten des Spritzgießens zu verstehen, ist eine eingehende Analyse des Prozesses erforderlich.

Ausrüstungskosten

Für das Spritzgießen werden Sondermaschinen verwendet, die von kleineren Desktop-Spritzgießmaschinen, die Unternehmen im eigenen Haus einsetzen können, bis hin zu großen industriellen Spritzgießmaschinen reichen können, die hauptsächlich von Dienstleistern, Lohnfertigern und großen Herstellern betrieben werden.

Die Herstellung geringer Stückzahlen durch Spritzgießen ist mit kleineren Desktop-Spritzgießmaschinen und 3D-gedruckten Formen am kostengünstigsten. Wenn Sie neu im Spritzgießen sind und es mit begrenzten Investitionen testen möchten, könnte die Verwendung einer manuellen Tischspritzgießmaschine wie der Holipress oder der Galomb Modell-B100 eine gute Option sein. Automatisierte Kleinspritzgießanlagen wie die Tischmaschine Micromolder oder die hydraulische Maschine Babyplast 10/12 sind gute Alternativen für die Mittelserienfertigung von Kleinteilen.

Große industrielle Spritzgießmaschinen können zwischen 50.000 und mehr als 200.000 US-Dollar kosten. Auch diese Maschinen unterliegen strengeren Anlagenanforderungen und erfordern Fachpersonal für Bedienung, Wartung und Überwachung. Infolgedessen lagern die meisten Unternehmen die Massenproduktion an Dienstleister und Lohnfertiger aus, es sei denn, Spritzguss ist eine Kernkompetenz, wobei in diesem Fall die Ausrüstungskosten in den Servicekosten enthalten sind.

Formkosten (Werkzeugkosten)

Wie bereits in der Einleitung erwähnt, sind die Form- oder Werkzeugkosten in der Regel der Hauptkostentreiber beim Spritzgießen.

Spritzgussformen werden im Allgemeinen nach drei Verfahren hergestellt:

• CNC-Bearbeitung: CNC-Maschinen sind die am häufigsten verwendeten Werkzeuge zur Herstellung von Aluminium- und Edelstahlformen mit hoher Präzision. Die CNC-Bearbeitung entfernt Material durch ein Drehwerkzeug und ein festes Teil. Durch die maschinelle Bearbeitung können Formen mit sehr komplexen Kavitätendesigns hergestellt werden, die jedoch möglicherweise mehrere Werkzeugwechsel erfordern, die den Prozess verlangsamen können, was bedeutet, dass die Kosten mit der Komplexität steigen. CNC-Maschinen sind Industriewerkzeuge, die qualifizierte Arbeitskräfte und einen eigenen Raum erfordern, was bedeutet, dass viele Unternehmen die Formenproduktion an Dienstleister auslagern.

• Elektroerosive Bearbeitung (EDM): Das EDM-Verfahren wird in der Regel verwendet, um hochkomplexe Formenkonstruktionen zu erstellen, die mit Standardbearbeitungsverfahren nicht ohne weiteres reproduzierbar sind. Beim EDM werden ein Werkstück und eine Werkzeugelektrode verwendet, um die gewünschte Formform zu erzeugen. Werkzeug- und Werkstückelektrode sind durch ein Dielektrikum getrennt und mit Spannungen beaufschlagt, die zu wiederkehrenden Stromentladungen führen. Die Entladungen sind für die Umformung der Werkstückelektrode in die endgültige Form verantwortlich. EDM ist hochpräzise und erfordert im Allgemeinen keine zusätzliche Nachbearbeitung. Ähnlich der CNC-Bearbeitung ist auch EDM ein industrieller Prozess, den viele Unternehmen an Werkstätten auslagern.

• 3D-Druck: Der 3D-Druck ist eine leistungsstarke Lösung, um Spritzgussformen schnell und kostengünstig herzustellen. Es erfordert eine sehr begrenzte Ausrüstung, wodurch CNC-Zeit und qualifizierte Bediener für andere hochwertige Aufgaben in der Zwischenzeit gespart werden. Hersteller können von der Geschwindigkeit und Flexibilität des hauseigenen 3D-Drucks profitieren, um Formen zu erstellen, die sowohl auf Desktop- als auch auf industriellen Formmaschinen verwendet werden können. Darüber hinaus profitiert die Produktentwicklung von der Möglichkeit, das Design zu wiederholen und das Endmaterial zu testen, bevor in harte Werkzeuge für die Massenproduktion investiert wird. Die 3D-Drucktechnologie Stereolithographie (SLA) ist eine gute Wahl für das Spritzgießen. Es zeichnet sich durch eine glatte Oberflächenbeschaffenheit und hohe Präzision aus, die die Form auf das Endteil überträgt und auch die Entformung erleichtert. Durch Stereolithographie hergestellte 3D-Drucke werden chemisch so verbunden, dass sie vollständig dicht und isotrop sind. Desktop-SLA-Drucker, wie sie von Formlabs angeboten werden, beginnen unter 5.000 US-Dollar und können nahtlos in jeden Spritzguss-Workflow integriert werden, da sie einfach zu implementieren, zu bedienen und zu warten sind.

Mit 3D-gedruckten Formen können 100+ Teile kostengünstig und innerhalb weniger Tage hergestellt werden.

Die Entwicklung komplexerer Formen erfordert technisches Know-how. Infolgedessen lagern Unternehmen häufig bestimmte Aspekte des Spritzgießprozesses aus, wie z. B. das Design und die Herstellung des Werkzeugs.

Für Unternehmen, die über die Ausrüstung und Werkzeuge für den Spritzguss verfügen, könnte die Entscheidung für eine eigene Werkzeugherstellung die kostengünstigste Option sein, wenn auch das technische Know-how vorhanden ist. Wenn die für den Spritzguss benötigten Werkzeuge nicht ohne weiteres verfügbar sind, reduziert Outsourcing die Kosten für die Entwicklung eines Werkzeugs.

Einfache 3D-gedruckte Formen in kleinen Stückzahlen können auf einem SLA-3D-Drucker für nur 100 US-Dollar hergestellt werden. Eine Aluminiumform für eine mittlere Produktionsserie von ungefähr 1.000 bis 5.000 Einheiten fällt in den Bereich von 2.000 bis 5.000 US-Dollar. Für Formen mit komplexeren Geometrien und grundiert für größere Produktionsserien von ungefähr 10.000+ Einheiten können die Kosten für die Form zwischen 5.000 und 100.000 US-Dollar liegen.

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Injizierte Materialkosten

Je nach Anforderung der Endteile können verschiedenste Kunststoffe für den Spritzguss verwendet werden, darunter ABS, PS, PE, PC, PP oder TPU.

Die Kosten für den Einkauf von Materialien für Formen unterscheiden sich je nach gewähltem Material. Thermoplastische Pellets kosten ungefähr 1 bis 5 US-Dollar pro kg.

Die Materialkosten werden durch das Design eines Modells, das gewählte Material und die Materialmenge definiert, die zum Ausführen des Spritzgussverfahrens verwendet wird.

Arbeits- oder Servicekosten

Die mit dem Spritzgießen verbundene Ausrüstung ist im Allgemeinen selbstregulierend und verlässt sich auf die Automatisierung, um die Arbeit zu erledigen. CNC-Maschinen, EDM-Maschinen und 3D-Drucker verlassen sich auf die Spezifikationen des CAD-Designs, um eine Form herzustellen. Die Spritzgießmaschine setzt auch auf Automatisierung, um Materialien in die Form zu spritzen, und industrielle IM-Maschinen kühlen und werfen das fertige Produkt oft autonom aus.

Zu den Arbeitskosten gehören:

• Einrichtungs-/Konfigurationskosten: Die Einrichtungsarbeit konzentriert sich auf die Zeit, die benötigt wird, um die verwendete Ausrüstung zur Herstellung der Form und des fertigen Produkts zu konfigurieren.

• Reparaturkosten: Reparatur- und Wartungsaufgaben umfassen den Austausch defekter Teile und den Einsatz von Werkzeugen zur Durchführung des Wartungsprozesses.

• Überwachungskosten: Trotz der Abhängigkeit von der Automatisierung wird von den Anlagenbedienern erwartet, dass sie den Fortschritt des Spritzgießprozesses überwachen. Die während des Prozesses anfallenden Löhne der Bediener werden zu den Gesamtkosten des Spritzgusses hinzugerechnet.

Bei Eigenfertigung werden diese Kosten in die Arbeitskosten eingerechnet. Wenn ein Unternehmen Spritzguss auslagert, werden die Arbeitskosten und der Aufschlag des Dienstleisters zu den Servicekosten hinzugefügt.

Spritzguss Kostenübersicht

In der folgenden Tabelle sind die Kosten aufgeführt, die mit dem Spritzgießen eines hypothetischen Kunststoffartikels verbunden sind, z. B. eines kleinen Gehäuses eines elektronischen Geräts, wodurch die Kostendynamik beim Spritzgießen leichter verständlich wird:

	Kleinserienproduktion	Produktion mittlerer Stückzahlen	Großserienfertigung
Produktionsvolumen	100	5.000	100.000
Methode	Inhouse-Formenfertigung und Inhouse-Formen	Ausgelagerter Formenbau und Formenbau	Ausgelagerter Formenbau und Formenbau
Schimmel	3D-gedrucktes Polymer	Bearbeitetes Aluminium	Bearbeiteter Stahl
Vorlaufzeit bis zum letzten Teil	1–3 Tage	3-4 Wochen	4-8 Wochen
Ausrüstung erforderlich	3D-Drucker, Desktop-Spritzgießmaschine*	-	-
Formkosten	100 $	3.000 $	20.000 $
Materialkosten	0,5 $ / Teil	0,5 $ / Teil	0,5 $ / Teil
Arbeitskosten oder Outsourcing-Kosten	2,5 $ / Teil	1,5 $ / Teil	$1 / Teil
Gesamtproduktionskosten	400 $	13.000 $	170.000 $
Kosten pro Teil	$4	2,6 $	1,7 $

^{* Ausrüstungskosten werden in diesem Beispiel nicht in die Produktionskosten eingerechnet, da die Kosten dieser Werkzeuge auf mehrere Projekte verteilt werden können. Durch den Kauf einer Desktop-Spritzgießmaschine und eines SLA-3D-Druckers können Unternehmen für weniger als 10.000 US-Dollar mit dem Spritzgießen beginnen.}

Die drei Szenarien in der Tabelle zeigen die Methoden und Werkzeugtypen, die je nach Produktionsvolumen zu den niedrigsten Kosten pro Teil führen.

Generell ist Spritzgießen bei höheren Stückzahlen am effizientesten, da sich die Kosten dann auf Tausende von Teilen verteilen. Aber auch wenn die Kosten pro Teil für das Spritzgießen in Kleinserien etwas höher sind, ist es für die Kleinserienproduktion immer noch wesentlich günstiger als andere Herstellungsverfahren.

Die Produktion mittlerer Stückzahlen ist am effizientesten mit bearbeiteten Aluminiumformen, die niedrigere Kosten haben als herkömmliche Stahlformen, aber haltbar genug sind, um einige tausend Schuss zu halten, abhängig von Faktoren wie Material und Design. In den meisten Fällen ist Spritzgießen in kleinen Stückzahlen nur mit 3D-gedruckten Formen sinnvoll – in unserem Beispiel würden wir eine Aluminiumform zur Herstellung von 100 Teilen verwenden, die Kosten würden 30 US-Dollar für jedes Teil betragen, während eine herkömmliche Stahlform dies tun würde bedeuten $200 für jedes Teil.

Variablen, die die Spritzgusskosten beeinflussen

Die Werkzeugkosten für das Spritzgießen sind sehr hoch und hängen von einer Reihe von Parametern und der Komplexität der Konstruktion ab. Formen für den Spritzguss werden normalerweise aus Aluminium oder Werkzeugstahl CNC-gefräst, erodiert, um ein Werkstück zu formen, oder 3D-gedruckt. Das bearbeitete oder gedruckte Teil wird dann fertig bearbeitet, um den gewünschten Standard zu erreichen. Die fertige Form besteht aus Merkmalen wie den für ein Teil erforderlichen Oberflächengeometrien, einem Angusssystem zur Führung des eingespritzten Materialflusses und Kühlkanälen, die ein schnelles Abkühlen der Form gewährleisten.

Es ist wichtig zu beachten, dass ein Großteil des Spritzgussprozesses der Kühlung gewidmet ist. Je schneller eine Form abkühlt, desto schneller erstarrt das eingespritzte Material und desto schneller kann der Produktionszyklus wiederholt werden. Kühlkanäle spielen daher gerade bei der Großserienfertigung eine wichtige Rolle und sollten in die Gestaltung des Werkzeugs miteinbezogen werden. Für die Kleinserienproduktion mit 3D-gedruckten Formen ist eine manuelle Kühlung mit Druckluft eine Option.

Ein 3D-gedruckter Spritzgusskern, der mit einer Metallformschale zusammengebaut ist.

Andere Variablen, die sich auf den Spritzgussprozess auswirken und sich direkt auf die Spritzgusskosten beziehen, sind: 

• Teilegröße: Je größer der zu formende Gegenstand oder Teil, desto größer ist seine Form, um das Teil aufzunehmen. Größere Teile erfordern in der Regel mehr eingespritzte Materialien, um Produktionszyklen abzuschließen. Größere Formkonstruktionen sind im Vergleich zur Herstellung derselben Konstruktion, jedoch mit kleineren Abmessungen, normalerweise mit höheren Kosten verbunden.

• Bauteildesign: Komplexe Teilekonstruktionen mit komplizierten Geometrien erfordern komplexe Formen, um das Projekt auszuführen. Formendesigns haben normalerweise 2 Seiten:Seiten A und B. Seite A, auch als kosmetische Seite bekannt, ist normalerweise die vom Benutzer gesehene Seite. Von Seite A wird erwartet, dass sie glatt und ästhetisch ansprechend ist. Seite B enthält die versteckten Strukturen, die die Verwendung des Teils unterstützen. Die Struktur der Seite B kann Rippen, Vorsprünge usw. umfassen, und ihre Oberfläche ist normalerweise viel rauer als die der Seite A. Formen mit komplexen Gestaltungen von Seite A und Seite B sind im Vergleich zu einfacheren Formen in der Herstellung im Allgemeinen teurer. Komplexe Designs mit Hinterschneidungen können auch Gleitseitenbewegungen und Kerne erfordern, was die Kosten der Form erhöht.

• Produktionsvolumen: Die Anzahl der im Spritzguss herzustellenden Artikel bestimmt die Fertigungstechnologie und die Materialqualität bei der Herstellung des Werkzeugs. Projekte mit geringem Volumen erfordern möglicherweise 3D-gedruckte oder minderwertige bearbeitete Aluminiumformen, während große Produktionsmengen Edelstahlformen oder sogar mehrere Formen erfordern, um den Prozess ohne Verschleiß zu bewältigen, der die Qualität der produzierten Artikel beeinträchtigt. Dies wirkt sich auf die Kosten der Form aus, aber natürlich verteilen sich die erhöhten Kosten von Großserienformen auf mehr Teile, was normalerweise zu niedrigeren Stückkosten führt.

• Teilvolumen und Hohlräume: Das Teilvolumen bezieht sich auf die Kavitätengröße einer Form. Je mehr Kavitäten oder Kavitätenvolumen ein Werkzeug benötigt, desto länger ist die Presszeit. Eine längere Presszeit verlangsamt den Produktionsprozess, was zu erhöhten Kosten führt.

Spritzguss-Kostenrechner

Online-Spritzguss-Kostenschätzer oder Angebote von Spritzguss-Dienstleistern können Benchmarks liefern und Ihnen helfen, die Kosten für das Spritzgießen bestimmter Teile einzuschätzen.

Zu den Optionen des Spritzguss-Kostenschätzers zur Unterstützung des Berechnungsprozesses gehören:

• CustomPart

• ICOMold

• 3D-Hubs

• Protolabs

Einem ähnlichen Zweck dient auch eine Formkosten-Vergleichstabelle. Spritzgießdienstleister verwenden Kostenvergleichstabellen, um Interessenten eine grobe Einschätzung des Prozesses zu geben.

Spritzgusskosten senken

Die Kosten der Form werden maßgeblich durch die Komplexität und den Zeitaufwand für die Herstellung bestimmt. Wir empfehlen, die Design-for-Manufacturing-Prinzipien einzuhalten, um die Teilekosten beim Spritzgießen zu senken.

Die Herstellungskosten der Form können durch Anwendung der folgenden Konstruktionsrichtlinien gesenkt werden: 

• Bewerten Sie das CAD-Modell, um seine Machbarkeit zu bestimmen, bevor Sie ein Spritzgussprojekt durchführen. Eliminieren Sie potenzielle Engpässe wie steile Winkel, Hinterschneidungen und andere komplexe Geometrien.

• Bewerten Sie das Design des Modells, um unnötige Funktionen zu eliminieren. Dies reduziert die Größe der Form und das Material, das zur Entwicklung des Modells verwendet wird.

• Wenden Sie einen Kernhohlraum-Ansatz an, der das Design von Seite B einer Form vereinfacht. Der Kernhohlraumansatz beinhaltet das Versenken der Wandhohlräume in die Formbasis, wodurch die Notwendigkeit verringert wird, steile Entformungsschrägen zu formen, während gleichzeitig die Oberflächengüte verbessert wird.

• Nutzen Sie die Verwendung von selbstpassenden Teilen, um die Notwendigkeit zu reduzieren, mehrere Formen zu erstellen, wenn eine universelle Form verwendet werden kann, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen.

Erste Schritte mit dem Schnellspritzguss

Während Spritzgießen aufgrund seiner hohen Werkzeugkosten traditionell nur als Herstellungsverfahren für die Massenproduktion angesehen wird, können Sie mit dem 3D-Druck zur Herstellung von Spritzgussformen diesen Prozess verwenden, um hochwertige und wiederholbare Teile für den Prototypenbau und die Kleinserienproduktion herzustellen.

Verwenden Sie 3D-gedruckte Spritzgussformen mit Tisch- und Industriemaschinen, um effizient und kostengünstig Hunderte bis Tausende von Funktionsprototypen und Teilen herzustellen, um die Produktentwicklung zu beschleunigen, Kosten und Vorlaufzeiten zu reduzieren und bessere Produkte auf den Markt zu bringen.