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Ein Verfahren auswählen

Wie Sie für ein echtes Teil ein Fertigungsverfahren wählen: Material, Form, Größe, Präzision und Stückzahl.

Ingenieure wählen ein Fertigungsverfahren, indem sie sechs Dinge abwägen: das Material, die Stückzahl, die Form, die Größe, die nötige Präzision und die Kosten. Kein Verfahren gewinnt bei allen sechs, daher ist jede Wahl ein Kompromiss. Diese Seite hilft Ihnen, das Feld einzugrenzen, und verweist dann auf die Lektionen zum Weiterlesen.

Die sechs Fragen

  1. Material. Jedes Verfahren funktioniert nur bei bestimmten Materialien, weil es sie auf seine eigene Weise schmelzen, fließen lassen, biegen oder schneiden muss.
  2. Stückzahl. Wie viele Teile Sie brauchen, entscheidet, ob sich eine teure Form oder Matrize bezahlt macht.
  3. Form. Dünne Wände, hohle Innenräume, tiefe Taschen und feine Löcher sind für manche Verfahren einfach und für andere unmöglich.
  4. Größe. Jede Maschine und jede Form hat Grenzen, daher brauchen ein Teil von der Größe eines Reiskorns und eines von der Größe einer Autotür unterschiedliche Verfahren.
  5. Präzision. Enge Toleranzen (der erlaubte Maßfehler) und glatte Oberflächen erfordern oft Zerspanen oder Schleifen nach dem ersten Formgebungsschritt.
  6. Kosten. Ziel sind die niedrigsten Gesamtkosten für Ihre Stückzahl: Werkzeuge (die für Ihr Teil gefertigten Formen, Matrizen und Vorrichtungen), Maschinenzeit, Material und Nachbearbeitung.

Entscheidungshilfe

Stückzahl und Material grenzen das Feld am schnellsten ein, daher beginnt diese Hilfe mit ihnen.

Je mehr Teile Sie brauchen, desto mehr lohnt sich eine teure Form oder MatrizeTypische erste Wahl mit Lektionsnummern: Suchen Sie Ihre Stückzahlspalte, dann Ihre MaterialzeileWie viele Teile?1 bis 10 TeilePrototypen, Einzelstücke, ReparaturenHunderte bis Tausendekleine und mittlere SerienZehntausende oder mehrMassenfertigungMetallZerspanen 5.1–5.3oder Metall-3D-Druck 8.4Feinguss 1.2oder Sandguss 1.1Druckguss 1.4oder Stanzen 4.2, Schmieden 3.1Kunststoff3D-Druck 8.1–8.3oder Zerspanen 5.1–5.3Thermoformen 2.4oder SLS-3D-Druck 8.3Spritzgießen 2.1oder Blasformen 2.3, wenn hohlVerbundwerkstoffHandlaminieren 10.1oder Vakuuminfusion 10.2Resin Transfer Molding 10.2oder Faserwickeln 10.4Formpressen 2.6oder Pultrusion 10.3Von links nach rechts: teurere Werkzeuge, aber günstigere Teile, sobald man viele fertigtFrage und AntwortenMaterialfamilieZu betrachtendes Verfahren, mit seinen Lektionsnummern
Entscheidungshilfe für Verfahren · 3 Stückzahlbereiche × 3 MaterialfamilienJedes Feld nennt eine typische erste Wahl und eine häufige Alternative, mit ihren Lektionsnummern. Form, Größe und Präzision können die Antwort noch ändern, nehmen Sie daher jedes Feld als erste Idee zum Prüfen, nicht als Urteil.

Schnelle Auswahl

Die meisten Alltagsgegenstände durchlaufen eine Kette von Verfahren, hier der Reihe nach aufgeführt.

Ich möchte herstellen …Üblicherweise hergestellt durchLektionen
Plastik-GetränkeflascheEin kleiner Reagenzglas-förmiger Rohling (die Preform) wird spritzgegossen, dann wieder erwärmt und zur Flasche geblasen2.1, 2.3
HandyhülleSpritzgegossener Kunststoff; Hüllen mit harter Schale und weichem Rand werden überspritzt2.1, 2.2
GartenschlauchWeiches PVC oder Gummi, durch ein ringförmiges Werkzeug gepresst, oft in Schichten um ein Gewebe3.3
KarosserieteilAus Stahl- oder Aluminiumblech gestanzt, in die Karosserie punktgeschweißt, dann lackiert4.2, 7.2, 11.1
GetränkedoseEine Scheibe aus Aluminiumblech wird zu einem Napf gezogen, seine Wand dünn und hoch abgestreckt, dann bedruckt6.1, 4.2
KüchenspüleAus einem Edelstahlblech tiefgezogen, dann beschnitten und gebürstet oder poliert4.2, 5.9
Aluminium-FensterrahmenAluminiumprofile werden stranggepresst, abgelängt und an den Ecken verbunden, dann eloxiert oder pulverbeschichtet3.3, 11.6, 11.2
Fahrradrahmen (Aluminium oder Stahl)Gezogene oder stranggepresste Rohre, oft durch Innenhochdruckumformen geformt, dann WIG-geschweißt; Aluminiumrahmen werden anschließend wärmebehandelt3.3, 4.5, 7.1, 12.1
SchraubeStahldraht wird kaltgestaucht, um den Kopf zu formen, dann wird das Gewinde gewalzt; oft gehärtet und verzinkt3.5, 3.6, 12.1, 11.5
KurbelwelleGeschmiedeter Stahl (manchmal Gusseisen), dann gedreht, geschliffen und randschichtgehärtet3.1, 5.1, 5.7, 12.2
ZahnradZähne durch Wälzfräsen geschnitten, dann einsatzgehärtet und geschliffen; kleine Zahnräder werden auch gesintert oder gespritzt5.5, 12.2, 5.7, 9.1, 2.1
MotorblockEisen oder Aluminium in Sandformen gegossen, oder Aluminium im Druckguss, dann bearbeitet und gehont1.1, 1.4, 5.2, 5.8
Turbinenschaufel eines StrahltriebwerksIm Feinguss als Einkristall aus Nickel-Superlegierung gegossen, Kühlbohrungen durch Erodieren oder Laser gebohrt, dann beschichtet1.2, 1.8, 6.6, 11.10
Hüftimplantat aus TitanGeschmiedete und bearbeitete Titanlegierung; poröse Oberflächen werden oft 3D-gedruckt oder plasmagespritzt3.1, 5.2, 8.4, 11.10
Carbon-FahrradfelgeCarbon-Prepreg (in Harz getränktes Fasergewebe) in eine Felgenform laminiert, dann unter Wärme und Druck ausgehärtet10.1
Leiterplatte (PCB)Kupferfolie auf einer Glasfaserplatte wird mit Licht strukturiert und geätzt; Löcher werden gebohrt und galvanisiert; Bauteile werden aufgelötet13.2, 6.8, 5.3, 11.5, 7.3
SiliziumchipEin Siliziumkristall wird gezüchtet und in Wafer geschnitten, dann durch Hunderte Schritte aus Strukturieren, Abscheiden und Ätzen aufgebaut13.1, 13.2, 13.4, 11.9

Kosten im Verhältnis zur Stückzahl

Jedes Verfahren hat zwei Arten von Kosten. Werkzeugkosten fallen einmal an, vor dem ersten guten Teil: die Form, Matrize oder Vorrichtung, die nur für Ihr Teil gefertigt wird. Laufende Kosten fallen für jedes Teil erneut an: Material, Maschinenzeit, Energie und Arbeit.

Kosten pro Teil = Werkzeugkosten ÷ Stückzahl + laufende Kosten pro Teil

Je mehr Teile sich die Werkzeuge teilen, desto weniger trägt jedes: Bei 10 Teilen zahlt jedes ein Zehntel davon, bei 100.000 Teilen fast nichts. Ein Verfahren mit teuren Werkzeugen wie das Spritzgießen ist daher bei wenigen Teilen sehr teuer und bei vielen sehr günstig. Ein Verfahren mit wenig Werkzeug wie Zerspanen oder 3D-Druck kostet pro Teil etwa gleich viel, egal wie viele es sind.

Jenseits der Break-even-Stückzahl gewinnt die teure Form oder MatrizeSchematisch, nicht maßstäblich: Die Werkzeuge werden einmal bezahlt und dann von jedem gefertigten Teil geteiltKosten pro TeilStückzahlTeure Form oder MatrizeDruckguss, Spritzguss, StanzenWenig oder kein WerkzeugZerspanen, 3D-DruckBreak-even-Stückzahl← weniger Teile: wenig Werkzeug ist günstigermehr Teile: Form oder Matrize ist günstiger →
Kosten pro Teil im Verhältnis zur Stückzahl · schematisch, nicht maßstäblichWo sich die beiden Linien kreuzen, liegt die Break-even-Stückzahl: Darunter ist das Verfahren mit wenig Werkzeug günstiger; darüber gewinnt die Form oder Matrize. Der Schnittpunkt ist für jedes Teil anders, daher vergleichen Ingenieure Angebote bei mehreren Stückzahlen, bevor sie sich festlegen.

Faustregeln

  • Zuerst zählen. Für eine Handvoll Teile wählen Sie ein Verfahren ohne eigene Werkzeuge, etwa Zerspanen oder 3D-Druck; für Zehntausende lohnt sich eine Form oder Matrize.
  • Nahe herankommen, dann nacharbeiten. Gießen, schmieden oder formen Sie das Teil nahe an seiner Endform (endkonturnah), und bearbeiten Sie dann nur die Flächen, die präzise sein müssen.
  • Präzision nur dort verlangen, wo sie zählt. Jede engere Toleranz bringt mehr Bearbeitung, Prüfung und Kosten, daher sparen Sie sie für Flächen auf, die passen, dichten oder gleiten.
  • Wände gleichmäßig halten. Beim Formen und Gießen kühlen dicke Stellen zuletzt ab und können Einfallstellen bilden, sich verziehen oder Lunker einschließen; Rippen bringen Steifigkeit ohne dicke Wände.
  • Formschrägen vorsehen, Hinterschnitte vermeiden. Eine leichte Verjüngung und keine hakenförmigen Merkmale lassen das Teil gerade aus der Form kommen, sodass die Form einfach und günstig bleibt.
  • Festigkeit bei wiederholter Belastung nötig? Denken Sie an Schmieden. Das Schmieden lässt den Faserverlauf des Metalls der Form des Teils folgen, daher widersteht es der Ermüdung besser als ein Gussteil.
  • Hohle und lange Formen haben eigene Verfahren. Flaschen und Tanks: Blasformen oder Rotationsformen (2.3, 2.5). Lange gleichbleibende Profile: Strangpressen (3.3) oder Pultrusion (10.3).
  • Die ganze Kette planen. Die meisten Teile werden geformt, dann bearbeitet, wärmebehandelt und endbearbeitet, und jeder Schritt kostet Geld und Zeit.

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