Welche Kostenfaktoren dominieren die Kleinserienproduktion im Metall-3D-Druck?
Aus fertigungstechnischer und ingenieurtechnischer Sicht unterscheidet sich die Kostenstruktur des Metall-3D-Drucks in Kleinserien deutlich von der klassischen Massenproduktion. Die Dominanz von Fix- und Rüstkosten gegenüber den variablen Materialkosten bestimmt seine Wirtschaftlichkeit. Für kleine Losgrößen machen die folgenden Faktoren typischerweise den Großteil der gesamten Produktionskosten aus.
Hauptkostentreiber im Metall-AM für Kleinserien
1. Maschinen- und Bauprozesskosten
Maschinenzeit (größter Kostentreiber): Anders als bei der CNC-Bearbeitung, bei der sich die Kosten primär an Werkzeugwegen und Komplexität orientieren, hängt die DMLS-Kostenstruktur vor allem von der Bauhöhe (Z-Achse) und der Bauzeit ab. Eine Maschine, die 100 Stunden läuft, verursacht erhebliche Kapital- und Betriebskosten, die auf alle Teile der Bauplattform umgelegt werden. Dazu zählen Abschreibung, Inertgas-Atmosphäre (Argon) und Energieverbrauch.
Bauvorbereitung: Hierzu gehören die fixen, nicht wiederkehrenden Entwicklungskosten (NRE) für die Dateiaufbereitung, Generierung von Stützstrukturen und Optimierung des Bauplatten-Layouts. In Kleinserien werden diese Vorlaufkosten auf nur wenige Teile verteilt und werden so zu einem bedeutenden Kostentreiber pro Bauteil.
2. Nachbearbeitung – Arbeit und Anlagen
Stützstrukturentfernung und Erstfinish: Dies ist ein stark manueller und zeitintensiver Prozess. Das Abtrennen der Teile von der Bauplatte per Draht-EDM sowie das vorsichtige Entfernen von Stützstrukturen erfordern qualifizierte Fachkräfte. Die Kosten steigen direkt mit der Teileanzahl und der Komplexität der Stützgeometrien.
Wärmebehandlung: Nahezu alle Metall-AM-Teile benötigen eine Spannungsarm-Wärmebehandlung. Für sicherheitskritische Komponenten in der Luft- und Raumfahrt oder in der Medizintechnik ist Heißisostatisches Pressen (HIP) zudem ein obligatorischer, aber kostenintensiver Schritt – sowohl aufgrund der Anlagenzyklen als auch der zusätzlichen Logistik.
Sekundäre CNC-Bearbeitung: Um funktionale Toleranzen und Dicht-/Fügeflächen zu erreichen, ist nahezu immer CNC-Bearbeitung erforderlich. Die Kosten für Spannvorrichtungen, Programmierung und die Bearbeitung von gehärteten, As-Printed-Oberflächen in kleinen Stückzahlen sind ein wesentlicher Teil des Endpreises. Dazu gehören Prozesse wie CNC-Fräsen und Drehen.
3. Materialkosten
Pulverkosten: Metall-AM-Pulver – insbesondere spezialisierte Superlegierungen wie Inconel 718 oder Titanlegierungen – sind deutlich teurer als gewalztes Vormaterial. Grund sind strenge Anforderungen an Partikelgröße, -form und Fließfähigkeit.
Materialausnutzung: Obwohl AM häufig als abfallarmes Verfahren gilt, sind Stützstrukturen und „Opfer“-Bauteile auf der Bauplatte zu 100 % Ausschuss. Der tatsächliche Materialnutzungsfaktor (Verhältnis Endteilgewicht zu insgesamt eingesetztem Pulver) kann bei komplexen, stark gestützten Bauteilen überraschend niedrig sein.
4. Qualitätssicherung und Zertifizierung
Prozessqualifizierung: In regulierten Branchen stellt die Qualifizierung einer bestimmten Kombination aus Bauteil, Werkstoff und Prozessparametern einen erheblichen NRE-Aufwand dar.
Teileprüfung: In Kleinserien wird häufig eine 100-%-Prüfung gefordert. Dazu gehören Maßprüfungen mit KMGs sowie zerstörungsfreie Prüfungen (NDT) wie Farbeindringprüfung – alles Tätigkeiten, die qualifiziertes Personal und Zeit erfordern.
Dokumentation: Die Bereitstellung vollständiger Materialrückverfolgbarkeit und Zertifizierung für eine Charge von nur 10 Teilen verursacht nahezu denselben administrativen und prüftechnischen Aufwand wie für 100 Teile. In kleinen Losgrößen wird dies zum dominanten Kostentreiber pro Teil.
Übersicht der Kostendomänen
Kostendomäne | Warum sie in Kleinserien dominiert | Strategie zur Kostensenkung |
|---|---|---|
Maschine & Bauzeit | Feste Kosten für Bauvorbereitung und Maschinenbetrieb werden auf sehr wenige Teile verteilt. | Mehrere unterschiedliche Teile auf einer Bauplatte verschachteln, um Fixkosten zu teilen. |
Nachbearbeitungsaufwand | Stützstrukturentfernung und Finishing sind manuelle Prozesse mit geringen Skaleneffekten. | Design for AM (DfAM), um Stützstrukturen zu minimieren und Nachbearbeitung zu vereinfachen. |
Sekundäre CNC-Bearbeitung | Hohe NRE-Kosten für Spannmittel und Programmierung, kombiniert mit schwieriger Bearbeitung von As-Printed-Oberflächen. | So konstruieren, dass kritische, spanend bearbeitete Flächen minimiert werden; AM gezielt nur für komplexe Geometrien nutzen. |
Qualitätssicherung | Qualifizierungs- und Prüfaufwand wird auf wenige Teile verteilt und schlägt daher stark pro Stück zu Buche. | Gemeinsam mit dem Fertiger einen risikobasierten, optimierten Prüfplan definieren. |
Ingenieurtechnische Leitlinien zur Kostenoptimierung
Design for Additive Manufacturing (DfAM): Dies ist der wichtigste Hebel. Die Optimierung der Bauteilorientierung zur Reduzierung von Stützstrukturen und Bauhöhe sowie die Auslegung selbsttragender Winkel kann Druckzeit und Nachbearbeitungsaufwand drastisch senken.
Batch-Nesting nutzen: Kombinieren Sie mehrere unterschiedliche Projekte oder Artikel in einem einzigen Baujob, um die hohen Fixkosten für Maschinenlaufzeit und Bauvorbereitung gemeinsam zu tragen.
Toleranzen und Oberflächenqualitäten rationalisieren: Enge Toleranzen und feine Oberflächenrauheiten nur dort spezifizieren, wo sie funktional zwingend erforderlich sind. Jede Fläche, die sekundäre Präzisionsbearbeitung benötigt, erhöht die Kosten spürbar.
Gesamten Prozess betrachten: Das günstig gedruckte Teil ist wertlos, wenn hunderte Euro in Bearbeitung und Prüfung fließen müssen. Bewerten Sie die One-Stop-Gesamtkosten, die alle Nachbearbeitungsschritte einschließen, für einen realistischen Vergleich.
