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Kostenkalkulation

Das kostet die Additive Fertigung

| Autor / Redakteur: Ludwig Haas / Simone Käfer

Was kostet die Additive Fertigung? Ein Team der Hochschule Aalen hat die Antwort.
Was kostet die Additive Fertigung? Ein Team der Hochschule Aalen hat die Antwort. (Bild: ©ExQuisine - stock.adobe.com)

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Wie viel es ein Unternehmen tatsächlich kostet, ein Bauteil selbst additiv zu fertigen, war bisher ein großes Rätsel. Forscher der Hochschule Aalen haben mit mehreren Unternehmen ein Kostenmodell erstellt. Nun kann jeder den Preis selbst berechnen.

Die einen behaupten, die Additive Fertigung sei eine kostengünstige Alternative zum Drehen oder Fräßen, andere sehen eine Kostenfalle in den jungen Verfahren. Wer hat recht? Niemand und alle – bis jetzt. Denn bisher konnten Unternehmen lediglich abschätzen, wie viel sie eine eigene Produktion mit einem 3D-Drucker kosten würde. Doch nun gibt es ein Modell, dass alle Faktoren für den Druck eines Bauteils berücksichtigt. Entwickelt wurde es von Studenten der Hochschule Aalen in Zusammenarbeit mit mehreren Fertigungsunternehmen aus verschiedenen Branchen. Als praxiserprobtes Kostenmodell folgt es der Prozesskette und berücksichtigt alle Schritte der Additiven Fertigung von der Konstruktion über das Drucken bis zum versandfertigen Bauteil.

Als Testlauf haben die Forscher ein blaues Kegelrad berechnet. Es soll mit dem Werkstoff ABS im FLM-Verfahren gedruckt werden, wofür sie einen Onyx One von Markforged nutzen. Zuerst tragen sie die voraussichtliche Entwicklungszeit und den Materialverbrauch in die Excel-Tabelle ein. Bei dem Verfahren werden für das Bauteil Stützstrukturen benötigt, diese geben sie mit 6,99 cm3 in der Tabelle an. Den Wert hat die Druckersoftware errechnet. Anhand des für das Verfahren spezifischen Materials, der Druckdauer, des Maschinentyps und weiteren Informationen werden anschließend die erwarteten Produktionskosten ermittelt. Das Kegelrad wird 54,98 Euro kosten. Dabei liegt der Preis des Engineerings bei 36,23 Euro und der des Druckprozesses bei 11,29 Euro, die Nachbearbeitung schlägt mit 2,56 Euro zu buche und die Qualitätsprüfung mit 4,90 Euro.

Die vier Kostenverursacher

Um herauszufinden, was wirklich den größten Batzen verursacht und wo am effektivsten Kosten eingespart werden können, haben die Aalener Forscher diejenigen Kostenfaktoren identifiziert, die den Preis pro gedrucktem Teil in die Höhe treiben. Das sind:

  • Engineering/Konstruktion: Die Entwicklung und Konstruktion des Bauteils ist meist zeitaufwändig und kostenintensiv. Besonders die eigene Entwicklung durch qualifizierte Mitarbeiter erhöht die Kosten. Wie bei jedem Produktionsverfahren zahlen auch die Arbeitsplätze mit leistungsfähigen Computern und Schulungen hier ein. Die 3D-Druck-gerechte Konstruktion erfordert normalerweise keinen Mehraufwand, spart an mancher Stelle sogar Zeit. Bei Dienstleistern sinkt der Faktor Engineering, je nach dem in welchem Maße und mit welchem Aufwand Zeichnungsänderungen durchgeführt werden müssen.
  • Druckverfahren: Am Verfahren hängen Druckertyp, eingesetztes Material, Sonderaufgaben, wie die Wartung der Laser, und Umfang der Vor- und Nachbearbeitung. Das oft Hauptkostentreiber ausgewiesene Druckmaterial wirkt sich im Vergleich zu den Anschaffungskosten von teuren Druckern, Schulungen, Wartungsarbeiten oder aufwändigem Handling eher gering auf den Druckpreis aus.
  • Druckdauer: Die Druckdauer pro Bauteil wird maßgeblich durch die Anzahl an Schichten beeinflusst. Bauteile mit einer hohen Schichtzahl haben feinere Oberflächen, brauchen aber länger. An dieser Stelle ist erwähnenswert, dass mehr Bauteile im Druckraum nicht automatisch eine geringere Druckdauer bedeuten. Im Gegenteil, es muss der Druckkopf bei vielen Bauteilen und somit einem vollen Bauraum längere Strecken verfahren als bei weniger Bauteilen. Die Einsparung durch komplette Bauraumnutzung rechtfertigt dennoch die minimal längere Druckzeit pro Teil, da sich die Nutzungskosten in diesem Druckjob auf mehrere Bauteile verteilen und somit die Kosten pro Teil sinken.
  • Qualität und Nachbearbeitung: Ein einfaches Wegbrechen des Bauteils von der Druckplattform verursacht nur geringe Kosten. Die Nachbearbeitung schlägt sich schnell in den Kosten nieder, wenn chemische Ablöseprozesse mit hohem Aufwand, Aushärten im Ofen oder unter UV-Licht, Abschleifen oder zusätzliche Beschichten notwendig sind. Dabei werden nicht nur teils spezielle Maschinen mit einem hohen Anschaffungswert benötigt. Die Prozesse sind auch zeitintensiv, wie stundenlanges Aushärten und Abkühlen, oder das Entsorgen ätzender Chemikalien. Sobald dabei von Menschenhand ausgeführte Arbeitsschritte involviert sind, steigen die Kosten pro Bauteil schnell an.

Nicht vergessen darf man die vom Kunden geforderte Qualität an das Bauteil. Handelt es sich um ein sicherheitsrelevantes Bauteil im Automobilbereich, gelten automatisch höhere Ansprüche an die Qualitätsprüfung und das Einhalten von Toleranzen.

Wie viel wird ein Bauteil mit welchem additiven Verfahren kosten? Die Tabelle der Aalener Studenten rechnet es aus – und berücksichtigt dabei alles, vom Arbeitsplatz des Konstrukteurs bis zur Qualitätsprüfung.
Wie viel wird ein Bauteil mit welchem additiven Verfahren kosten? Die Tabelle der Aalener Studenten rechnet es aus – und berücksichtigt dabei alles, vom Arbeitsplatz des Konstrukteurs bis zur Qualitätsprüfung. (Bild: Projektteam der Hochschule Aalen)

An fünf Stellen kann man Sparen

Die Forscher haben in ihrer Studie auch einige Stellen gefunden, bei denen sich Kosten einsparen lassen.

  • Entwicklungskosten: Sofern Bauteile nicht komplett neu entwickelt werden müssen, spart das Abändern von bestehenden, ähnlichen Bauteilen viel Zeit und somit Geld.
  • Druckmaterial: Große Einsparungen können bei der Materialauswahl getroffen werden. Je nach Anforderungen an Qualität und Eigenschaften der Materialen können die Preise sehr stark variieren. Eine sinnvolle und anforderungsorientierte Auswahl lohnt sich.
  • Oberfläche: Allgemein gilt, je gröber die Oberfläche, umso günstiger die Produktion. Dies kann einerseits durch weniger Nacharbeit, andererseits durch eine geringere Anzahl an Schichten erreicht werden. Die Kosten der Nacharbeit sinken auch, wenn anstatt teurer Analysen eine einfache Sichtprüfung ausgeführt wird.
  • Schichtdicke und Auflösung: Dickere Schichten bedeuten weniger Schichten und das spart Druckzeit, macht jedoch das Bauteil gröber. Bei einer höheren Auflösung sind zwar die Drucklagen nicht so sichtbar, jedoch werden durch die längere Druckzeit höhere Kosten verursacht.
  • Serienfertigung: Werden mehrere Exemplare gedruckt, verteilen sich die Konstruktionskosten auf die gesamte Anzahl an Teilen. Idealerweise wird der Bauraum dann zusätzlich so ausgenutzt, dass mehrere Aufträge kombiniert werden.

In Abstimmung mit der Projektgruppe stellen wir Ihnen das Kalkulationstool kostenlos zum Download bereit. Es handelt sich um eine Excel-Tabelle, die an die jeweilige Anwendung angepasst wird. Dadurch ist die Kalkulationstabelle für alle Druckverfahren und Materialien geeignet.

* Weitere Informationen: Hochschule Aalen – Technik und Wirtschaft in 73430 Aalen, Tel. (0 73 61) 5 76-0, info@hs-aalen.de

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