Leitfaden: Metallstanzen vs. CNC-Bearbeitung

Die Entscheidung zwischen Metallstanzung und CNC-Bearbeitung ist nicht nur eine Kostenfrage. Sie wirkt sich auf die Geometrie, die Toleranzen, die Materialauswahl, die Vorlaufzeit, das Werkzeugrisiko und die spätere Anpassbarkeit des Designs aus.

Stanzen von Metall eignet sich in der Regel besser für einfache, dünne Blechteile, die in großen Stückzahlen hergestellt werden. CNC-Bearbeitung eignet sich in der Regel besser für Prototypen, kleine bis mittlere Stückzahlen, Teile mit engen Toleranzen, dickeres Ausgangsmaterial und komplexe 3D-Geometrien. Die Schwierigkeit besteht darin, zu entscheiden, wo sich Ihr Teil zwischen diesen Fällen einordnet.

In diesem Leitfaden werden beide Verfahren unter dem Gesichtspunkt der fertigungstechnischen Machbarkeit verglichen.

Was ist der Unterschied zwischen Metallstanzen und CNC-Bearbeitung, und warum ist die Wahl entscheidend?

Das Metallstanzen als Kaltumformungsverfahren für Blechteile

Das Metallstanzen ist ein Kaltumformungsverfahren. Eine Presse drückt Blech in eine Matrize oder durch diese hindurch, um die gewünschte Form zu erzeugen. Dabei wird kein Material abgetragen, wie dies bei der spanenden Bearbeitung der Fall ist. Stattdessen wird das Material durch Krafteinwirkung geschnitten, gebogen, gestanzt, gezogen oder geformt.

Das Stanzen eignet sich am besten für Blechteile mit relativ gleichmäßiger Dicke. Zu den gängigen Stanzteilen zählen Halterungen, Klammern, Abdeckungen, Schutzbleche, Gehäuse, Verkleidungen und flache Rohlinge mit Löchern oder Biegungen.

Das wichtigste wirtschaftliche Merkmal des Stanzens ist das Stanzwerkzeug. Ein Stanzwerkzeug kann bereits vor Produktionsbeginn Tausende von Dollar kosten. Beispielhafte Kostenvergleiche aus der Branche zeigen Werkzeugkosten von rund $5.000 US-Dollar in einem Szenario und $6.000–$15.000 US-Dollar für Folgeverbund- oder Kombinationswerkzeuge in einem anderen. Diese Zahlen sind zwar nur Beispiele, verdeutlichen jedoch das grundlegende Muster: hohe Vorlaufkosten für die Werkzeuge, niedrige Stückkosten bei hohen Stückzahlen.

CNC-Bearbeitung als subtraktives Verfahren für Vollmaterial und Präzisionsmerkmale

Nach Angaben von die „Manufacturing Extension Partnership“ (MEP) des NIST, CNC-Bearbeitungsverfahren werden als subtraktive Fertigungsverfahren klassifiziert, bei denen Material durch programmierte Werkzeugwege, Zerspanungsvorgänge und kontrollierte Bearbeitungsparameter aus einem massiven Werkstück abgetragen wird. Zu den wichtigsten Bearbeitungsverfahren zählen Fräsen, Drehen, Bohren, Ausbohren und Gewindeschneiden.

Die CNC-Bearbeitung kommt häufig zum Einsatz, wenn das Bauteil eine komplexe 3D-Geometrie, Aussparungen, variable Wandstärken, Elemente mit engen Toleranzen oder Details aufweist, die sich aus Blech nur schwer formen lassen.

Die Kostenstruktur unterscheidet sich von der des Stanzens. Bei der CNC-Bearbeitung fallen in der Regel deutlich geringere Kosten für Spezialwerkzeuge an. Zwar sind weiterhin Programmierung, Einrichtung, Spannvorrichtungen, Werkzeuge und Prüfungen erforderlich, doch muss nicht für jedes Design ein eigenes Stanzwerkzeug angefertigt werden. Daher eignet sich die CNC-Bearbeitung besonders für Prototypen und Kleinserien.

Warum die Wahl des Verfahrens Auswirkungen auf Kosten, Toleranzen, Durchlaufzeiten und Konstruktionsflexibilität hat

Ein falsches Verfahren kann dazu führen, dass ein realisierbares Bauteil zu teuer, zu langsam oder zu riskant wird.

Entscheidet sich ein Käufer bei einer einfachen Blechhalterung für die CNC-Bearbeitung, die später in großen Stückzahlen hergestellt wird, können die Stückkosten höher ausfallen als nötig. Entscheidet sich der Käufer zu früh für das Stanzen, können die Werkzeugkosten verloren sein, falls sich die Konstruktion ändert.

Die Eignung der Toleranzen sollte anhand der jeweiligen Merkmalsart beurteilt werden, nicht anhand des Bauteils als Ganzes. Beim Vergleich von Stanz- und Zerspanungsverfahren sind Außenprofil, Lage der Bohrungen zueinander, geformter Winkel, Ebenheit, Bohrungsdurchmesser, Gewindegüte und Dichtflächen separat zu betrachten. Das Stanzen eignet sich möglicherweise für Blechmerkmale und geformte Geometrien, während die zerspanende Bearbeitung in der Regel für Präzisionsbohrungen, Gewinde, enge Positionskontrolle und kritische Passflächen gewählt wird. Die Eignung muss mit dem Lieferanten für das jeweilige Material, die Werkzeugauslegung, das Bezugssystem und die Prüfmethode abgeklärt werden.

Tabelle: Metallstanzung vs. CNC-Bearbeitung im Überblick

Machbarkeit: Kann Ihr Bauteil durch Stanzen oder CNC-Bearbeitung hergestellt werden?

Wie sich die Komplexität eines Bauteils auf die Wahl zwischen Stanzen und Zerspanen auswirkt

Die Komplexität des Bauteils ist eines der ersten Auswahlkriterien. Im Stanzen bedeutet “komplex” nicht nur, dass das Bauteil kompliziert aussieht. Mit Folgeverbundwerkzeugen lassen sich viele Arbeitsschritte in einem einzigen Werkzeug ausführen, darunter das Stanzen, Lochen, Biegen und Umformen. Entscheidend ist dabei, ob sich die Merkmale durch Umform- und Schneidvorgänge aus Blech herstellen lassen.

Beim Stanzen werden Teile in der Regel mit folgenden Eigenschaften hergestellt:

• Gleichmäßige Dicke
• Flache oder flach geformte Geometrie
• Löcher, Schlitze, Laschen, Biegungen und einfache Formen
• Wiederholbare Merkmale, die in einen Stempel integriert werden können
• Anforderungen an eine stabile Konstruktion

Bei der CNC-Bearbeitung werden Teile mit folgenden Eigenschaften gefertigt:

• Taschen und Hohlräume
• Variable Wandstärke
• Komplexe 3D-Konturen
• Gewinde, Bohrungen und Präzisionsbohrungen
• Merkmale auf mehreren Seiten
• Kritische Oberflächen, die kontrollierte Werkzeugwege erfordern

So wirkt sich die Komplexität eines Bauteils auf die Wahl zwischen Stanzen und Zerspanen aus: Beim Stanzen lassen sich sich wiederholende Blechgeometrien gut umsetzen, während die CNC-Bearbeitung mehr geometrische Freiheit bietet.

Grenzwerte für die Materialdicke beim Metallstanzen im Vergleich zur zerspanenden Bearbeitung

Die Materialauswahl sollte unter Berücksichtigung der Produktfamilie und der Einsatzbedingungen erfolgen und nicht allein anhand der Dicke. Kohlenstoffarmer Stahl, Edelstahl, Aluminium und Kupferlegierungen unterscheiden sich hinsichtlich Formbarkeit, Rückfederung, Kaltverfestigung, Risiko von Oberflächenmarkierungen und erforderlicher Presskraft, während gehärtete oder sehr hochfeste Legierungen die Entscheidung für die spanende Bearbeitung oder ein anderes Verfahren begünstigen können. Auch die Kornrichtung und der Härtezustand können die Gleichmäßigkeit der Biegung und die Maßhaltigkeit beeinflussen.

Die Grenzwerte für die Materialstärke beim Metallstanzen im Vergleich zur zerspanenden Bearbeitung sind nicht durch einen einheitlichen Wert festgelegt. Sie hängen von der Materialfestigkeit, der Bauteilgröße, der Werkzeugkonstruktion, der Presskapazität, dem Biegeradius und der Umformtiefe ab. Eine dünne Aluminiumabdeckung lässt sich möglicherweise gut stanzen. Ein dickes Bauteil mit tiefen Aussparungen, Vorsprüngen und Gewindebohrungen lässt sich in der Regel besser zerspanen.

Wenn das Fertigteil nicht in erster Linie als geformtes Blechteil beschrieben werden kann, sollte die CNC-Bearbeitung weiterhin in Betracht gezogen werden.

Konstruktionsmerkmale, die sich nur schwer durch Stanzen herstellen lassen

Bestimmte Merkmale erhöhen das Risiko beim Stanzen oder sprechen eher für eine CNC-Bearbeitung.

Zu den Konstruktionsmerkmalen, die sich nur schwer durch Stanzen herstellen lassen, gehören:

• Tiefe Taschen oder Hohlräume
• Unterschneidet
• Bereiche mit variabler Dicke
• Präzisionsbohrungen
• Fäden
• Dicke Vorsprünge
• Scharfe Innenecken
• Mehrseitig bearbeitete Oberflächen
• Sehr enge Positionstoleranzen bei kritischen Merkmalen

Durch das Stanzen lässt sich zwar nach wie vor die Grundform herstellen, doch erfordern diese Merkmale häufig eine Nachbearbeitung oder eine Prozessänderung.

Ein Hybridverfahren ist nur dann praktikabel, wenn das Stanzteil für die Bearbeitung wiederholgenau positioniert werden kann und die Bezugspunktstrategie im Voraus festgelegt ist. Formabweichungen, Eigenspannungen, der Zustand der Grate sowie das für die Nachbearbeitung verfügbare Material beeinflussen allesamt, ob die erforderlichen Merkmale bei der Nachbearbeitung erhalten bleiben. Wenn die Positionierung und die Merkmalskontrolle von instabilen Formoberflächen abhängen, kann die Hybridbearbeitung zusätzliche Kosten verursachen, ohne das Risiko zu verringern.

Wann ist die CNC-Bearbeitung besser als das Stanzen?

Die CNC-Bearbeitung ist dem Metallstanzen vorzuziehen, wenn sich die Konstruktion noch ändert, die Bestellmenge gering ist, enge Toleranzanforderungen bestehen oder das Bauteil nicht effizient aus Blech gefertigt werden kann.

Dies ist auch dann von Vorteil, wenn sich die Kosten für eine Stanzform nicht durch die Stückzahl amortisieren lassen. Werden nur wenige hundert Teile benötigt, können die Werkzeugkosten den Großteil der Gesamtkosten ausmachen. Durch die CNC-Bearbeitung wird dieses Risiko der versunkenen Werkzeugkosten vermieden, und Konstruktionsänderungen lassen sich mit deutlich geringeren Nachteilen umsetzen.

Wie die einzelnen Prozesse ablaufen und was das für das Design bedeutet

Stufenpressen, Kombinationswerkzeuge, Stanzen, Lochen, Biegen und Umformen

Beim Stanzen können verschiedene Arten von Stanzwerkzeugen zum Einsatz kommen. Ein einfaches Stanzwerkzeug führt möglicherweise nur einen Arbeitsschritt aus. Ein Kombinationswerkzeug kann in einem einzigen Presshub mehrere Arbeitsschritte ausführen. Ein Folgewerkzeug führt das Metallband durch eine Abfolge von Stationen, wobei an jeder Station ein weiteres Merkmal hinzugefügt wird.

Zu den typischen Stanzvorgängen gehören:

• Ausschneiden: Schneiden des Außenprofils
• Stanzen: Erzeugen von Löchern oder Schlitzen
• Biegen: Formen von Flanschen oder Winkeln
• Umformen: Formen des Blechs zu einem 3D-Profil
• Piercing: kleine Öffnungen schneiden
• Prägung oder lokale Formgebung: Erzeugen lokaler Prägungen oder Merkmale

Für die Konstruktion bedeutet dies, dass die Merkmale so angeordnet werden sollten, dass sie in einer Stanzfolge gefertigt werden können. Bei der Konstruktion des Bauteils sollten außerdem der Rückfederungseffekt, die Gratrichtung, das Biegeverhalten und die Anordnung der Stanzstreifen berücksichtigt werden.

CNC-Fräsen, Drehen, Bohren, Werkzeugwege, Werkstückspannung und Einrichtung

Die CNC-Bearbeitung beginnt mit der CAD/CAM-Programmierung und der Prozessplanung. Der Zulieferer legt die Werkzeugwege fest, wählt die Schneidwerkzeuge aus, plant die Werkstückspannung und entscheidet, wie viele Umrüstungen erforderlich sind.

Von einer Rüstung spricht man jedes Mal, wenn ein Werkstück in einer Maschine positioniert und eingespannt werden muss. Mehr Rüstvorgänge bedeuten oft höhere Kosten und ein erhöhtes Risiko der Toleranzsumme. Ein Werkstück mit Merkmalen auf mehreren Flächen erfordert möglicherweise mehrere Rüstvorgänge, es sei denn, es wird auf moderneren Maschinen bearbeitet.

Bei der Konstruktion sollten CNC-geeignete Teile unnötig tiefe, schmale Aussparungen, schwer zugängliche Flächen und extrem enge Toleranzen vermeiden, sofern diese nicht erforderlich sind. Ein standardmäßiger Werkzeugzugang und gute Aufspannflächen tragen zur Kostensenkung bei.

Probleme mit Graten und Kantenqualität bei gestanzten und bearbeiteten Bauteilen

Die Probleme hinsichtlich Grat- und Kantenqualität bei gestanzten und bearbeiteten Bauteilen unterscheiden sich je nach Verfahren.

Geprägte Kanten werden abgeschnitten. An der Kante können Umroll-, Polier-, Bruch- und Gratbereiche auftreten. Die Gratrichtung und der Zustand der Kante wirken sich auf die Passgenauigkeit bei der Montage, die Einsteckkraft, die Haftfestigkeit der Beschichtung, die Dichtigkeit, die Handhabungssicherheit und das Ermüdungsrisiko aus. Sie beeinflussen zudem, ob nachträgliches Entgraten, Kantenabrundung oder Prüfschritte erforderlich sind. Einkäufer sollten vor der Angebotserstellung die zulässigen Gratbedingungen, die Kantenausrichtung und die Entgratungsmethode für kritische Merkmale bestätigen.

Bearbeitete Kanten können zudem Grate aufweisen, insbesondere an Bohrungsausläufen, Schnittpunkten von Elementen und scharfen Kanten. Auf bearbeiteten Oberflächen können Werkzeugspuren zu sehen sein. Wenn das Bauteil ein bestimmtes Erscheinungsbild oder eine bestimmte Dichtfläche erfordert, können Nachbearbeitungsschritte erforderlich sein.

Die Vor- und Nachteile hinsichtlich der Oberflächenbeschaffenheit von Stanz- und bearbeiteten Teilen sollten frühzeitig abgewogen werden. Beim Stanzen bleibt die Blechoberfläche über große Flächen erhalten, doch die Schnittkanten erfordern unter Umständen besondere Aufmerksamkeit. Bei der CNC-Bearbeitung lassen sich kontrollierte Oberflächen erzielen, doch Werkzeugspuren und Entgraten spielen weiterhin eine Rolle.

Prozessdiagramm: Blechumformung im Vergleich zum Zuschneiden von Material aus dem Lagerbestand

• Stanzen von Metall
  Blechrolle oder Rohling
  ↓
  Matrize und Presse üben Kraft aus
  ↓
  Stanzen / Lochen / Biegen / Umformen
  ↓
  Stanzteil aus Blech

• CNC-Bearbeitung

Stange / Platte / Knüppel

↓

Werkstückspannung und CNC-Fräsbahnen

↓

Fräsen / Drehen / Bohren

↓

Aus Vollmaterial gefertigtes Teil

Der Unterschied im Verfahren bedingt den Unterschied in der Konstruktion. Beim Stanzen wird ein Blech in die gewünschte Form gebracht. Bei der CNC-Bearbeitung wird Material abgetragen, bis die gewünschte Geometrie übrig bleibt.

Vorteile und Einschränkungen der einzelnen Verfahren

Wenn Stanzteile günstiger sind als bearbeitete Teile

Stanzteile sind nur dann wirtschaftlich, wenn die Gesamtkosten des Programms auf einer vergleichbaren Basis betrachtet werden. Vergleichen Sie die Kosten für Werkzeuge, Stückkosten, Ausschuss, Entgraten, Prüfung, Beschichtung, Wartung, Vorrichtungen und zu erwartende technische Änderungen und nicht nur den Stückpreis allein.

Eine einfache Berechnung der Gewinnschwelle lautet: Gewinnschwellenvolumen = Kosten für Stanzwerkzeuge ÷ (Stückkosten für bearbeitete Teile – Stückkosten für gestanzte Teile). Der Umbruchpunkt hängt weiterhin von der Geometrie, der Bandausnutzung, den Folgearbeiten und der Zuverlässigkeit der Prognose ab.

Einschränkungen beim Metallstanzen bei der Kleinserienfertigung

Die größte Einschränkung beim Metallstanzen bei der Kleinserienfertigung ist die Amortisation der Werkzeuge. Wenn die Matrize Tausende von Dollar kostet und nur wenige hundert Teile benötigt werden, können die Werkzeugkosten pro Teil zu hoch ausfallen.

Geringe Stückzahlen erhöhen zudem das Konstruktionsrisiko. Frühe Entwürfe ändern sich oft nach Testfertigungen. Bei der CNC-Bearbeitung lässt sich eine Änderung im CAD oft durch eine aktualisierte Programmierung umsetzen. Beim Stanzen kann eine Änderung hingegen eine Überarbeitung der Stanzform oder ein neues Werkzeug erfordern.

Warum die Werkzeugkosten das Stanzen für Prototypen ungeeignet machen

Aufgrund der Werkzeugkosten eignet sich das Stanzen nicht für Prototypen, da diese zum Lernen dienen. Nach den Tests können Änderungen an Bohrungen, Biegungen, Wandstärken oder Toleranzen erforderlich werden.

Bei einer Stanzform muss das Design endgültig festgelegt sein. Wird die Werkzeugbau bereits vor der endgültigen Festlegung des Designs in Angriff genommen, können Fehler festgeschrieben werden. Aus diesem Grund erstellen viele Teams zunächst Prototypen mittels CNC-Bearbeitung, prüfen Bedarf und Funktion und gehen erst dann zum Stanzen über, wenn Design und Produktionsmenge feststehen.

Abwägungen hinsichtlich der Oberflächenbeschaffenheit bei Stanz- und bearbeiteten Teilen

Stanzteile weisen an den großen Flächen oft noch die ursprüngliche Blechoberfläche auf. Die Schnittkanten und die umgeformten Bereiche sind die wichtigsten Stellen, die überprüft werden müssen. Durch das Umformen kann sich das Erscheinungsbild verändern, und Grate können die Passgenauigkeit oder die Sicherheit beeinträchtigen.

Bei bearbeiteten Bauteilen lassen sich an bestimmten Merkmalen kontrollierte Oberflächen erzielen, doch die Zerspanung hinterlässt Werkzeugspuren. Die Oberflächengüte kann von der Wahl des Werkzeugs, den Vorschüben, den Schnittgeschwindigkeiten und der Nachbearbeitung abhängen. Verfügt das Bauteil über Dichtflächen, Gleitflächen oder müssen ästhetische Anforderungen erfüllt werden, sollte die geforderte Oberflächengüte dem entsprechenden Prozessschritt zugeordnet werden.

Häufige Fehlerszenarien und Entscheidungsrisiken

Risiken bei der Entscheidung für das Stanzen bei Designänderungen

Das größte Risiko bei einer zu frühen Entscheidung für das Stanzen sind die Kosten für Konstruktionsänderungen. Eine kleine CAD-Änderung mag bei der CNC-Bearbeitung einfach sein, ist beim Stanzen jedoch kostspielig, wenn sie Auswirkungen auf das Stanzwerkzeug hat.

Änderungen, die sich auf die Lochposition, die Biegegeometrie, das Außenprofil, die Formtiefe oder die Materialstärke auswirken, erfordern unter Umständen eine Anpassung des Werkzeugs. Bei größeren Änderungen ist möglicherweise eine neue Matrize erforderlich. Aus diesem Grund ist die Konstruktionsstabilität einer der wichtigsten Prüfpunkte beim Stanzen.

Wenn das Metallstanzen die geforderte Präzision nicht gewährleisten kann

Das Metallstanzen kann die geforderte Präzision nicht gewährleisten, wenn die Toleranzanforderungen über das hinausgehen, was das Werkzeug, das Material und der Pressprozess zuverlässig gewährleisten können. In öffentlichen Leitfäden werden oft keine allgemeingültigen Toleranzbereiche für das Stanzen angegeben, da diese in hohem Maße werkzeugspezifisch sind.

Bei sehr engen Toleranzvorgaben ist die CNC-Bearbeitung in der Regel die sicherere Wahl, da sie eine direktere Kontrolle über die Maßgenauigkeit und deren Überprüfung ermöglicht.

Bei extrem engen Toleranzen, wie beispielsweise ±0,0005 Zoll bei kritischen Merkmalen, wird in der Regel die Zerspanung bevorzugt, da die Stanzbarkeit in hohem Maße von der Werkzeugkonstruktion, dem Materialverhalten und der Prozessstabilität abhängt.

Das bedeutet nicht, dass das Stanzen ungenau ist. Es bedeutet vielmehr, dass das Stanzen nicht immer das beste Verfahren für höchste Präzision ist, insbesondere bei lokal begrenzten kritischen Merkmalen, bei denen die Toleranzkontrolle schwieriger ist.

Was passiert, wenn die Absatzprognosen falsch sind?

Fehler bei der Mengenprognose können den optimalen Prozess beeinflussen.

Wenn die tatsächliche Nachfrage deutlich geringer ausfällt als erwartet, machen sich die Investitionen in Stanzwerkzeuge möglicherweise nicht bezahlt. Der Käufer muss dann möglicherweise hohe Vorlaufkosten tragen, ohne dass das Produktionsvolumen ausreicht, um die Stückkosten zu senken.

Wenn die Nachfrage deutlich höher ausfällt als erwartet, kann die CNC-Bearbeitung kostspielig werden, da bei jedem Teil Maschinenzeit anfällt. In diesem Fall muss ein Teil, das ursprünglich als CNC-Bauteil konzipiert war, möglicherweise für das Stanzen oder ein Hybridverfahren neu konstruiert werden.

In manchen Programmen spielt auch das Jahresvolumen eine geringere Rolle als das Gesamtvolumen über die gesamte Lebensdauer. Bei einem Bauteil, das über viele Jahre hinweg in einer Stückzahl von 500 pro Jahr gefertigt wird, können andere Entscheidungen hinsichtlich der Werkzeuge gerechtfertigt sein als bei einer einmaligen Auflage von 500 Stück.

Checkliste: Konstruktionsstabilität, Toleranzrisiko, Werkzeugrisiko und Lieferantenprüfung

Bevor Sie sich für das Stanzen oder die CNC-Bearbeitung entscheiden, sollten Sie Folgendes prüfen:

• Ist das Design bereits festgelegt oder wird noch daran gearbeitet?
• Handelt es sich bei dem Bauteil hauptsächlich um Blech oder um eine Geometrie aus Vollmaterial?
• Sind die kritischen Toleranzen mit dem Stanzverfahren vereinbar, oder ist eine maschinelle Bearbeitung erforderlich?
• Ist das Volumen groß genug, um die Werkzeugkosten zu decken?
• Gibt es Merkmale, die möglicherweise eine Nachbearbeitung erfordern?
• Sind die Schleifrichtung und die Kantenqualität wichtig?
• Ist die Materialstärke für das Stanzen geeignet?
• Ist die Vorlaufzeit für den Chipentwurf und die Fehlerbehebung akzeptabel?
• Hat der Lieferant die Herstellbarkeit geprüft, bevor er ein Angebot für die Produktion abgegeben hat?

Diese Checkliste verringert das Risiko, sich für das auf den ersten Blick kostengünstigere Verfahren zu entscheiden und später festzustellen, dass es die Anforderungen an das Bauteil nicht erfüllen kann.

Kosten-, Toleranz- und Vorlaufzeit-Faktoren

Kostenvergleich zwischen Metallstanzung und CNC-Bearbeitung bei Teilen in Großserienfertigung

Beim Vergleich der Kosten für das Metallstanzen und die CNC-Bearbeitung von Teilen in Großserie spricht in der Regel das Stanzen für sich, sofern das Teil stanzbar ist. Sobald das Stanzwerkzeug fertiggestellt ist, kann die Presse die Teile schnell produzieren, und die Werkzeugkosten verteilen sich auf viele Einzelteile.

Die CNC-Bearbeitung ist nach wie vor an Maschinenzeit, Werkzeugverschleiß, Rüstzeiten und Handhabung gebunden. Selbst wenn sich die Programmierkosten auf mehr Teile verteilen, benötigt jedes Teil dennoch Bearbeitungszeit.

Bei flachen Blechteilen, die in großen Stückzahlen hergestellt werden, ist dieser Unterschied oft entscheidend.

Kosten für Stanzwerkzeuge im Vergleich zu CNC-Rüstkosten

Ein wichtiger Vergleich ist der zwischen den Kosten für Stanzwerkzeuge und den Rüstkosten für die CNC-Bearbeitung. Für das Stanzen ist ein spezielles Stanzwerkzeug erforderlich. Die CNC-Bearbeitung erfordert Programmierung, Werkzeuge, Werkstückspannung und Rüstung, kommt jedoch in der Regel ohne spezielle feste Werkzeuge aus.

Aus diesem Grund sind die Einstiegskosten beim Stanzen hoch, während die Stückkosten bei großen Stückzahlen niedrig sind. Bei der CNC-Bearbeitung sind die Einstiegskosten niedriger, die Stückkosten steigen jedoch mit zunehmender Stückzahl.

Produktionsmengen-Schwellenwert für den Wechsel von der Zerspanung zum Stanzen

Die Schwelle für das Produktionsvolumen, ab der von der Zerspanung auf das Stanzen umgestellt wird, ist nicht einheitlich. Forschungsbeispiele zeigen, dass diese Schwelle in einem weiten Bereich liegt.

Ein Vergleich legt nahe, dass die CNC-Bearbeitung bis zu etwa 500 Stück kosteneffizient bleiben kann, wobei 500–2.000 Stück eine Grauzone darstellen und das Stanzen ab etwa 2.000 Stück oft die bessere Wahl ist. Ein weiterer Vergleich bei geringen Stückzahlen legt nahe, dass das Stanzen je nach Teilegeometrie und Werkzeugkosten bei etwa 500–1.000 Stück kostengünstig sein kann.

Die praktische Bandbreite liegt daher bei vielen einfachen Teilen bei etwa 500–2.000+ Stück, doch die tatsächliche Rentabilitätsschwelle muss anhand der tatsächlichen Werkzeugkosten, der Stückkosten, der zu erwartenden Änderungen und des Gesamtvolumens über die gesamte Lebensdauer berechnet werden.

Toleranzunterschiede zwischen Stanz- und Drehteilen

Die Toleranzunterschiede zwischen Stanz- und Drehteilen ergeben sich aus der Art und Weise, wie die jeweiligen Verfahren die Geometrie steuern.

In technischen Zeichnungen werden häufig ASME Y14.5-Vorgaben für Geometrische Dimensions- und Toleranzangaben (GD&T) um festzulegen, wie Maß- und Geometrieanforderungen in der Präzisionsfertigung definiert, gemessen und überprüft werden. Diese Regeln werden dann prozessübergreifend, beispielsweise bei der CNC-Bearbeitung und beim Stanzen, angewendet, um eine einheitliche Auslegung der Toleranzen zu gewährleisten.

Beim Stanzen werden die Abmessungen durch die Werkzeuggeometrie, das Materialverhalten, die Pressleistung und die Konsistenz des Umformprozesses gesteuert. Der Prozess lässt sich bei hohen Stückzahlen wiederholen, ist jedoch weniger flexibel, wenn Toleranzen nach der Fertigung des Werkzeugs angepasst werden müssen.

Kostentreiber und Break-Even-Analyse

Kostentreiber beim Stanzverfahren mit Folgeverbundwerkzeugen im Vergleich zur CNC-Bearbeitung

Zu den Kostenfaktoren beim Stanzverfahren mit Folgeverbundwerkzeugen im Vergleich zur CNC-Bearbeitung zählen verschiedene Arten von Aufwendungen.

Zu den wichtigsten Kostenfaktoren beim Stanzen zählen:

• Entwurf und Fertigung von Formen
• Anzahl der Stationen in der Form
• Teilkomplexität
• Materialdicke und Festigkeit
• Pressevorschriften
• Streifenanordnung und Verschnitt
• Wartung der Stempel
• Nachentgraten, Endbearbeitung oder maschinelle Bearbeitung

Zu den wichtigsten Kostenfaktoren bei der CNC-Bearbeitung zählen:

• Programmierungszeit
• Maschinenzeit pro Teil
• Anzahl der Setups
• Schneidwerkzeuge und Werkzeugverschleiß
• Materialabtragungsvolumen
• Komplexität der Werkstückspannung
• Inspektionsbedarf
• Entgraten und Endbearbeitung

Eine einfache, gestanzte Halterung mag bei großen Stückzahlen kostengünstig sein. Ein Stanzteil, das eine komplexe Umformung und Nachbearbeitung erfordert, kann jedoch ein ganz anderes Kostenprofil aufweisen.

Wie sich das Jahresvolumen auf die Kosten für das Stanzen im Vergleich zur Zerspanung auswirkt

Das Jahresvolumen wirkt sich auf die Kosten für das Stanzen im Vergleich zur Zerspanung aus, da die Werkzeugkosten über die erwartete Stückzahl abgeschrieben werden.

Bei hohen Jahresstückzahlen und einer stabilen Konstruktion lassen sich durch das Stanzen die Teilekosten schnell senken. Sind die Jahresstückzahlen zwar gering, das Teil soll jedoch über viele Jahre hinweg produziert werden, sollte die Gesamtstückzahl über die gesamte Lebensdauer in die Berechnung einbezogen werden.

Bei ungewisser Nachfrage kann die CNC-Bearbeitung das Risiko in der frühen Produktionsphase verringern. So kann der Käufer die Nachfrage absichern, bevor er sich auf die Herstellung von Werkzeugen festlegt.

Reichen 500, 1.000 oder 2.000 Teile aus, um das Stanzen zu rechtfertigen?

Ein Auftrag über 500 Stück rechtfertigt das Stanzen möglicherweise nur, wenn das Teil einfach ist, die Werkzeugkosten gering sind, die Konstruktion stabil ist und weitere Aufträge wahrscheinlich sind. Ein Auftrag über 1.000 Stück fällt oft in die Grauzone. Ein Auftrag über 2.000 Stück kann für viele einfache Teile bereits eine Rechtfertigung für das Stanzen darstellen Blechbauteile, aber das hängt immer noch von den Werkzeugkosten und der Teilegeometrie ab.

Entscheidend ist, dass die Bestellmenge allein nicht ausreicht. Die Bewertung sollte Folgendes umfassen:

• Werkzeugkosten
• Preis für CNC-Teile
• Preis für Stanzteile
• Voraussichtliche Änderungen am Design
• Gesamtnachfrage
• Bestandsrisiko
• Sekundäre Betriebskosten

Tabelle: Beispiel für einen Kostenvergleich bei Prototypen, Kleinserien und Großserien

Die nachstehenden Zahlen sind anschauliche Beispiele, die aus veröffentlichten Branchenvergleichen stammen. Es handelt sich dabei nicht um Preislisten.

Anwendungen und Anwendungsfälle nach Bauteiltyp

Halterungen, Klammern, Abdeckungen, Gehäuse und andere gestanzte Blechteile

Das Stanzen wird häufig für Halterungen, Klammern, Abdeckungen, Gehäuse, Schutzbleche, Verkleidungen und ähnliche Blechteile eingesetzt. Diese Teile weisen oft flache Profile, Löcher, Laschen, Flansche und Biegungen auf.

Bei diesen Bauteilen ist das Stanzen dann eine attraktive Option, wenn die Geometrie stabil ist und das Produktionsvolumen hoch genug ist. Eine Halterung, deren maschinelle Bearbeitung in großen Stückzahlen zu kostspielig ist, kann ein geeigneter Kandidat für das Stanzen sein, wenn ihre kritischen Merkmale durch die Stanzform gehalten oder durch Nachbearbeitungsschritte realisiert werden können.

Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Zahnräder, Wellen und präzisionsgefertigte CNC-Bauteile

Die CNC-Bearbeitung wird häufig für Teile aus der Luft- und Raumfahrt, medizinische Komponenten, Zahnräder, Wellen, Vorrichtungen und industrielle Präzisionsbauteile eingesetzt. Diese Teile erfordern oft enge Toleranzen, kontrollierte Oberflächen, komplexe Geometrien oder hochfeste Werkstoffe.

Eine Welle, ein Zahnrad oder ein Präzisionsgehäuse eignet sich in der Regel nicht für das Stanzverfahren, wenn Rundheit, Bohrungen, Aussparungen, Gewinde oder hochpräzise Schnittstellen erforderlich sind. Die CNC-Bearbeitung bietet mehr Kontrolle über diese Merkmale.

Flache Blechteile im Vergleich zu komplexen 3D-Bauteilen

Bei flachen Blechteilen wird bei hohen Stückzahlen häufig das Stanzen bevorzugt. Bei komplexen 3D-Bauteilen wird oft die CNC-Bearbeitung bevorzugt, insbesondere wenn sich die Geometrie nicht in eine praktikable Blechform abwickeln lässt.

Manche Teile lassen sich nicht eindeutig einer dieser Kategorien zuordnen. Ein flaches Gehäuse kann beispielsweise gestanzt sein. Ein Gehäuse mit Präzisionsbohrungen, dicken Auflagen oder bearbeiteten Dichtflächen erfordert möglicherweise eine CNC-Bearbeitung oder ein Hybridverfahren.

Hybrid-Anwendungsfall: Stanzen der Grundform und CNC-Bearbeitung kritischer Merkmale

Ein Hybridverfahren kann Kosten senken, ohne dabei an Präzision einzubüßen, wo es darauf ankommt. Die Grundform kann gestanzt werden, anschließend können kritische Bohrungen, Schlitze, Dichtflächen oder Bezugspunkte per CNC bearbeitet werden.

Dieser Ansatz kann funktionieren, wenn der Großteil des Bauteils aus einfachem Blech besteht, einige lokale Merkmale jedoch die Möglichkeiten des Stanzverfahrens übersteigen. Da dadurch zusätzliche Prozessschritte entstehen, sollte dies anhand des Produktionsvolumens, der erforderlichen Toleranzen und der Gesamtkosten gerechtfertigt sein.

Entscheidungshilfe: Wie Sie das richtige Verfahren wählen

Entscheidungsmatrix: Volumen, Geometrie, Toleranz, Werkstoff, Lieferzeit und Konstruktionsstabilität

Diese Matrix ist in der frühen Beschaffungsphase hilfreich. Sie ersetzt zwar nicht die Prüfung der Herstellbarkeit, hilft jedoch dabei, ungeeignete Prozessoptionen bereits vor der Angebotserstellung auszusortieren.

Sollten Sie Prototypen mit CNC fertigen und später auf Stanzteile umsteigen?

Bei vielen neuen Produkten ist der praktikable Weg, zunächst die CNC-Bearbeitung und erst später das Stanzen einzusetzen. Die CNC-Bearbeitung eignet sich für Prototypen, Testbauten und Designiterationen. Sobald das Design ausgereift ist und das Produktionsvolumen den Einsatz von Werkzeugen rechtfertigt, kann das Bauteil für das Stanzen neu konstruiert oder optimiert werden.

Diese Strategie funktioniert am besten, wenn bereits bei der frühen CNC-Konstruktion die spätere Stanzbearbeitung berücksichtigt wird. Eine gleichmäßige Dicke, einfache Biegungen, realistische Lochpositionen und möglichst wenige nicht stanzbare Merkmale können den späteren Umbauaufwand reduzieren.

Was Käufer vor der Einholung von Angeboten prüfen sollten

Bevor sie Angebote einholen, sollten Einkäufer das Bezugssystem, die kritischen Merkmale, die Folgebearbeitungen, das Entgratungsverfahren, den Plan zur Ebenheitskontrolle sowie die Frage klären, ob die Schlüsselmaße in der Form oder in einem Folgeprozess hergestellt werden. Erkundigen Sie sich, welche Regelungen für die Erstmusterprüfung, den Nachweis der Fertigungsfähigkeit, die Musterprüfung und die Verantwortung für die Werkzeugwartung gelten. Klären Sie außerdem, ob die tatsächlich geeignete Alternative die Zerspanung, das Stanzen oder ein Fertigungsverfahren wie das Schneiden und Biegen von Blechen ist.

Ein Angebot, das sich ausschließlich auf eine Zeichnung und die Stückzahl stützt, lässt möglicherweise Prozessrisiken außer Acht. Die wichtigsten Details sind oft die Toleranzangaben, die Materialbeschaffenheit und die Produktionsprognose.

Wählen Sie zwischen Stanzen, CNC-Bearbeitung oder einem Hybridverfahren

Die beste Wahl hängt selten nur von einem einzigen Faktor ab. Sie ergibt sich aus dem Zusammenspiel von Stückzahl, Geometrie, Toleranz, Werkstoff, Lieferzeit und Konstruktionsstabilität.

Bei einfachen, stabilen Blechteilen in großen Stückzahlen ist das Stanzen oft langfristig das bessere Verfahren. Bei Prototypen, Teilen mit engen Toleranzen, komplexen 3D-Bauteilen und ungewisser Nachfrage ist die CNC-Bearbeitung in der Regel die sicherere Wahl. Bei Teilen, die sowohl eine kostengünstige Blechumformung als auch Präzisionsmerkmale erfordern, bietet ein Hybridverfahren möglicherweise das beste Gleichgewicht.

FAQ

Referenzen

https://www.asme.org/codes-standards/find-codes-standards/y14-5-dimensioning-tolerancing

https://www.nist.gov/mep