Der Faktor Bearbeitbarkeit: Wie die Materialauswahl Ihre endgültigen CNC-Bearbeitungskosten steuert

Sie haben ein schockierend hohes Angebot für die CNC-Bearbeitung erhalten? Oft liegt das Problem nicht an Ihrem Entwurf, sondern an den versteckten Kosten für die Bearbeitbarkeit des Materials. Wir zeigen Ihnen, wie Sie die insgesamt Herstellungskosten, optimieren Sie Ihre Materialauswahl und senken Sie den Preis Ihrer Teile erheblich, noch bevor Sie ein Angebot anfordern.

Die endgültigen Kosten für die CNC-Bearbeitung werden in erster Linie durch die Bearbeitbarkeit des Materials (MR) bestimmt, nicht durch den Rohstoffpreis. Eine schlechte Bearbeitbarkeit (ein niedriger MR) erhöht die Bearbeitungszeit, die Werkzeugkosten und die Arbeitskosten drastisch. So kann die Bearbeitung von Edelstahl 304 (MR 40%) 40-50% mehr kosten als die Bearbeitung von Edelstahl 303 (MR 75%), selbst wenn der Einkaufspreis etwas niedriger ist.

Jetzt werden Sie lernen, wie Sie dieses Wissen anwenden können. Wir stellen Ihnen spezielle DFM-Techniken (Design for Manufacturability), Fallstudien aus der Praxis und Erkenntnisse von Zulieferern vor, die Ihnen sofort helfen werden, Ihre CNC-Bearbeitungskosten zu senken.

Was 90% Ihres Angebots verbirgt

Als Ingenieur sind Sie darauf trainiert, Daten zu analysieren. Schauen wir uns also die Daten eines typischen Angebots an. Wir nennen es den "Kosten-Eisberg", weil der Teil, den Sie sehen - die Rohmaterialkosten - fast immer der kleinste, unbedeutendste Teil ist.

Die tatsächlichen finanziellen Auswirkungen, die 80-90% der unter der Oberfläche verborgenen Kosten, werden durch die Bearbeitbarkeit bestimmt. Diese "versteckten" Kosten setzen sich aus drei Teilen zusammen:

1. Bearbeitungszeit Kosten: Dies ist der wichtigste Faktor. Jede CNC-Werkstatt hat eine Maschinenstundensatz (in den USA oft $75 - $150/Stunde), der die Kosten für die Maschine, den Strom, das Personal und die Gemeinkosten berücksichtigt. Dieser Takt ist immer Laufen. Wenn Sie ein Material wählen, das die Maschine zwingt, doppelt so langsam zu laufen, haben Sie diese gesamte, massive Kostenkomponente einfach verdoppelt.
2. Werkzeugkosten: Dabei geht es nicht nur um allmählichen Werkzeugverschleiß. Schwer zu bearbeitende Werkstoffe verursachen "katastrophale Werkzeugausfälle". Das bedeutet, dass ein $150-Schaftfräser innerhalb von Sekunden zerbrechen kann. Das kostet nicht nur ein neues Werkzeug, sondern führt auch zu einem Produktionsstopp für den Austausch und die Neukalibrierung - und das alles, während die $150-Stundenuhr weiterläuft.
3. Einrichtung und Arbeitskosten: Über die anfängliche Programmierung hinaus erfordern einige Materialien ständige "manuelle Eingriffe". Ein "gummiartiges" Material wie z. B. Edelstahl 304 erzeugt lange, strähnige Späne, die sich um das Werkzeug wickeln können und den Bediener zwingen, die Maschine anzuhalten und sie zu entfernen. Dies sind reine Arbeitskosten, die direkt auf Ihr Teil aufgeschlagen werden.

Was versteht man unter Machinability Rating (MR)?

Wie können wir also "schwer zu bearbeiten" quantifizieren? Wir verwenden eine einfache, aussagekräftige Zahl: die Bewertung der Bearbeitbarkeit (MR).

Der Basiswert für die Industrie liegt bei 100% für einen bestimmten, leicht zu schneidenden Stahl (AISI 1212). Jedes andere Material wird dagegen bewertet.

• Eine höhere MR = leichter zu bearbeiten, höhere Geschwindigkeiten, geringere Kosten.
• Eine niedrigere MR = schwieriger zu bearbeiten, langsamere Geschwindigkeiten, höhere Kosten.

Das ist kein kleiner Unterschied. Der Unterschied zwischen den Materialien ist enorm und wirkt sich direkt auf die Endkosten Ihres Teils aus. Sehen Sie sich diesen Vergleich an - er könnte die Art und Weise, wie Sie Materialien auswählen, für immer verändern.

Wie Sie sehen können, ist der "billigere" nichtrostende Stahl 304 grundsätzlich fast 50% härter und langsamer zu bearbeiten als der nichtrostende Stahl 303. Die 5-10%, die Sie bei den Rohstoffen eingespart haben, werden durch eine 40-50% vollständig gelöscht. erhöhen. in der Bearbeitungszeit.

Ihre wichtigsten Entscheidungen zur Kostenreduzierung

Die MR-Nummer zu kennen ist eine Sache. Sie in Aktion zu sehen, ist das Entscheidende. Als Ingenieure müssen Sie ständig Kompromisse zwischen Leistung und Kosten eingehen. Hier sind die drei häufigsten "Entscheidungspunkte", die wir täglich sehen - und wie sie sich auf Ihre endgültigen CNC-Bearbeitungskosten auswirken.

Warum Sie sich (fast) immer für 303 statt 304 Edelstahl entscheiden sollten

Vor kurzem hat uns ein neuer Ingenieur einen Entwurf für ein Flüssigkeitsregelventilgehäuse aus Edelstahl 304 zugeschickt. Unser Angebot lag bei $120 pro Teil.

Er war wütend und wies darauf hin, dass das Rohmaterial 304 nur 5-10% billiger ist als 303. Wie könnte unser Preis 40% höher sein?

Wir mussten ihm die "versteckte" Realität in der Fabrikhalle erklären. Wir stellten ihm eine Frage: "Muss dieses Teil einer bestimmten, scharfen Säure widerstehen, oder muss es nur nicht rosten?"

Er gab zu, dass es nur um die allgemeine Korrosionsbeständigkeit in einer lebensmitteltauglichen Umgebung ging.

Hier lag das Problem:

• 304 (MR 40%) ist notorisch "gummiartig" und leidet unter extremen
• Kaltverfestigung. Die Materialoberfläche verhärtet sich beim Schneiden sofort, was die Standzeit der Werkzeuge beeinträchtigt. Die strähnigen Späne zwingen uns außerdem zum Anhalten der Maschine. manuell um sie zu räumen, was reine Arbeitskosten bedeutet.
• 303 (MR 75%) enthält Schwefel, der speziell zu diesem Zweck hinzugefügt wurde. Es ist so konzipiert, dass es "frei zerspanbar" ist. Die Späne brechen sauber ab, wir können die Maschine 60%+ schneller laufen lassen, und die Standzeit der Werkzeuge ist dramatisch länger.

Wir haben das Teil in 303 neu notiert. Der neue Preis? $78.

Das Wichtigste für Sie: Es sei denn, Sie haben eine spezielle Anforderung an die Chemikalienbeständigkeit, die nur 304 treffen können, wählen 303 ist die einfachste und wichtigste Entscheidung zur Kosteneinsparung Sie auf einem Teil aus rostfreiem Stahl machen können. Dass 5% Sie "sparen" auf rohen 304 Material kostet Sie 40% mehr auf das endgültige Teil.

Die versteckten Kosten von 7075 gegenüber 6061-Aluminium

Hier ist eine weitere häufige Falle. Sie brauchen ein hochfestes Aluminiumteil, also entscheiden Sie sich für 7075-T6. Es ist stark, fast wie Stahl.

Aber schauen Sie sich die Daten noch einmal an. 7075 (MR 100-120%) ist wesentlich schwerer zu bearbeiten als das "Standardmaterial" 6061 (MR 150-200%). Dies erzwingt langsamere Zykluszeiten und verursacht einen höheren Werkzeugverschleiß.

An dieser Stelle müssen Sie die entscheidende technische Frage stellen: "Will ich wirklich die volle Zugfestigkeit von 7075 benötigen?"

Wenn Ihre Analyse zeigt, dass 6061 90% der funktionalen Anforderungen erfüllt, können Sie über 30% an Bearbeitungskosten sparen. pro Teil. Manchmal ist eine etwas dickere Wand oder eine zusätzliche Rippe aus 6061 wesentlich billiger als ein dünneres Teil aus 7075.

Titan und Inconel

Schließlich haben wir noch die exotischen Legierungen. Wenn Sie einen Werkstoff wie Ti-6Al-4V (Titan, MR 20%) oder Inconel (MR 8-15%) spezifizieren, ändert sich die Kostendiskussion völlig.

Die Kostentreiber sind hier nicht nur die "Härte", sondern auch die Physik.

1. Titan ist eine Falle (niedrige Wärmeleitfähigkeit): Beim Schneiden von Aluminium entweichen 90% der Wärme mit dem Span. Beim Schneiden von Titan fließen 80% der Wärme zurück in das Schneidwerkzeug. Dadurch wird das Werkzeug nicht nur abgenutzt, sondern schmilzt auch. Wir sind gezwungen, mit "Kriechgeschwindigkeiten" zu arbeiten, um die Hitze zu bewältigen, wie in unserem Leitfaden für die Bearbeitung von Titan.
2. Die Inconel-Falle (Extreme Kaltverfestigung): Inconel härtet so schnell und so stark aus, dass spezielle Maschinen mit niedrigen Drehzahlen und hohem Drehmoment sowie extrem teure Werkzeuge erforderlich sind. Dies ist einer der Hauptgründe für die hohe Bearbeitungskosten für Inconel.

Das Wichtigste für Sie: Der Kostenanstieg für diese Materialien ist nicht linear - er ist exponentiell. Wenn Sie sich für eines dieser Verfahren entscheiden, müssen Sie akzeptieren, dass die Kosten für das endgültige Teil fast ausschließlich von der Bearbeitungszeit und den Werkzeugen und nicht vom Rohmaterial bestimmt werden.

Wie wir Wirklich Angebot eines schwer zu bearbeitenden Teils

Sie haben die Daten gesehen, aber jetzt möchte ich den Vorhang zurückziehen und zwei "Insider"-Wahrheiten darüber preisgeben, wie ein Anbieter denkt wenn Sie ein Angebot für einen schwierigen Auftrag abgeben. Diese Informationen finden Sie nicht auf einem Datenblatt, und sie richten sich direkt gegen die Enttäuschung über "himmelhohe Angebote".

Erkenntnis 1: Ihr "himmelhohes" Angebot könnte ein "Nein-Gebot" sein

Sie erhalten ein Angebot für ein Inconel-Teil, das astronomisch hoch ist. Sie denken, das Geschäft sei gierig. Aber die Wahrheit? Es handelt sich wahrscheinlich um eine Hochgeschwindigkeits-Aluminiumwerkstatt (nennen wir sie Werkstatt A), und der Kostenvoranschlag ist ihre höfliche Art zu sagen: "Bitte, zwingen Sie mich nicht, das zu tun."

Hier ist der Grund dafür:

• Geschäft A (High-Speed): Ihr Geschäft ist auf hochvolumige Aluminium- und Kunststoffteile ausgerichtet. Ihre Maschinen haben Hochgeschwindigkeitsspindeln (15.000+ RPM) und sind für schnelle, leichte Schnitte optimiert.
• Geschäft B (High-Torque): Diese Werkstatt ist für Edelstahl, Titan und Inconel ausgelegt. Die Maschinen verfügen über Spindeln mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment sowie über robuste Hochdruck-Kühlmittelanlagen.

Wenn Sie ein Inconel-Teil an Geschäft A schicken, bitten Sie sie darum:

1. ihre Werkzeuge zu zerstörendie für weiche Materialien optimiert ist.
2. Ihren Zeitplan durcheinander bringenDenn ein Inconel-Teil kann die gleiche Bearbeitungszeit beanspruchen wie 100 Aluminiumteile.
3. Verwenden Sie eine Maschine, die nicht für die Aufgabe geeignet ist. Das ist so, als würde man einen Rennwagen bitten, ein Boot zu ziehen.

Dieses "himmelhohe" Angebot ist kein echter Preis. Es ist ein als Kostenvoranschlag getarntes "Nein-Gebot", das hoch genug ist, um Sie entweder abzuschrecken oder (in dem seltenen Fall, dass Sie es akzeptieren) den immensen Aufwand und die Störung des gesamten Arbeitsablaufs zu decken.

Die Lösung: Wenn Sie Angebote für schwierige Materialien einholen, fragen Sie nicht einfach: "Können Sie das herstellen?" Fragen Sie, "Ist Ihre Werkstatt für die Bearbeitung von [Inconel / Titan / 316 Stainless] optimiert?" Wenn Sie einen "Shop B" finden, erhalten Sie ein Angebot, das realistisch und nicht defensiv ist.

Einblick 2: Die Wärmebehandlungsverzugsfalle (vorgehärteter vs. geglühter Stahl)

Dies ist eine klassische Falle für Ingenieure, die Teile aus legierten Stählen wie 4140 konstruieren. Sie haben zwei gängige Möglichkeiten:

• Schema A (scheint billiger zu sein): Beginnen Sie mit weichem, "geglühtem" Stahl (leicht zu bearbeiten) -> Bearbeiten Sie das Teil -> Senden Sie es zur Wärmebehandlung (Abschrecken), um die endgültige Härte zu erhalten.
• Schema B (scheint teurer zu sein): Beginnen Sie mit "vorgehärtetem" Stahl (30-40 HRC) -> Bearbeiten Sie das Teil (langsamer, härter für die Werkzeuge) -> Fertig.

Schema A siehe billiger, weil die Erstbearbeitung schneller geht. Der fatale Nachteil? Wärmebehandlung Verzerrung.

Wenn Ihr perfekt bearbeitetes Teil auf 800°C erhitzt und dann abgeschreckt wird, ist es wird verziehen, verdrehen und verzerren. Ihre engen Toleranzen sind dahin. Jetzt müssen Sie sekundäre, sehr teure Vorgänge hinzufügen (wie Präzisionsschleifen oder langsames Hartfräsen), nur um das Teil wieder auf den richtigen Stand zu bringen - falls es überhaupt noch zu retten ist.

Die Lösung: In fast allen Fällen, Schema B ist die billigere, sicherere und schnellere Gesamtlösung. Ja, die Erstbearbeitung ist langsamer und kostet mehr für diesen einen Vorgang. Aber Sie eliminieren das massive Risiko und die Kosten von Verformungen, Ausschuss und sekundären Vorgängen. Sie kaufen Berechenbarkeit.

Ihr Design ist das ultimative Werkzeug zur Kostenkontrolle

Dies ist der stärkste Teil des gesamten Prozesses. Was wäre, wenn Sie muss Titan oder Inconel verwenden? Was ist, wenn die Leistungsanforderungen nicht verhandelbar sind?

Sie, der Designer, haben immer noch den Schlüssel zur Kontrolle der endgültigen Kosten der CNC-Bearbeitung.

Selbst bei einem festen, schwierigen Material können Sie spezifische DFM (Design für Herstellbarkeit) Auswahlmöglichkeiten, die die Endkosten des Teils um 30-50% senken können. Sie haben die Möglichkeit, ein "schwer herzustellendes" Teil oder ein "einfach herzustellendes" Teil aus dem genau dasselbe Material.

Hier sind die drei wirkungsvollsten Änderungen, die Sie vornehmen können.

1. Entspannen Sie Ihre Toleranzen (wo es keine Rolle spielt)

Wir wissen, dass das Erreichen einer engen Toleranz (z. B. +/- 0,001″) bei jedem Material langsame, sorgfältige Nachbearbeitungsgänge erfordert. Bei einem schwer zu bearbeitenden Material wird dieser Prozess zu einem Kostenfaktor.

Warum? Weil diese leichten Übergänge auf einem Material, das durch Arbeit härtet (wie Edelstahl), dazu führen können, dass das Werkzeug "reibt" anstatt zu "schneiden", was die Oberfläche weiter härtet und die Lebensdauer des Werkzeugs verkürzt. Das Risiko, dass das Werkzeug bricht oder rattert und den letzten, präzisen Schnitt ruiniert, ist unglaublich hoch.

Die Lösung: Sei ein "Toleranzgeizhals". Gehen Sie Ihre Zeichnung durch und fragen Sie: "Ist diese Toleranz funktionell kritisch?" Halten Sie enge Toleranzen nur bei wichtigen Passflächen, Bohrungen oder Lagerpassungen ein. Bei allen unkritischen Oberflächen (wie z. B. der Außenseite eines Gehäuses) kann eine Lockerung der Toleranz von +/- 0,001″ auf einen Standardwert von +/- 0,005″ oder +/- 0,010″ ganze Arbeitsgänge eliminieren, die Zykluszeit verkürzen und das Risiko von Ausschuss drastisch senken.

2. Standardisierung und Vergrößerung der Innenradien (Die $100-Ecke)

Ingenieure geben oft sehr kleine innere Eckenradien vor (z. B. R 0,5 mm oder R 1 mm). Bei einem Material wie Inconel kann diese winzige Ecke buchstäblich ein $100-Merkmal sein.

Hier ist die Physik: Um einen Radius von 1 mm zu schneiden, müssen wir einen Schaftfräser verwenden kleiner als 1 mm. Diese Werkzeuge mit winzigem Durchmesser sind unglaublich zerbrechlich. Sie haben keinerlei Steifigkeit und vibrieren (rasseln) und brechen bei der geringsten Schnittkraft. Um dies zu verhindern, müssen wir die Maschine mit einer quälend langsamen "Kriechgeschwindigkeit" laufen lassen.

Die Lösung: Geben Sie, wann immer möglich, einen größeren "Standard"-Innenradius an (z. B. R 3 mm, R 6 mm). Dadurch können wir ein viel größeres, steiferes und gängigeres Schneidwerkzeug verwenden. Dieses größere Werkzeug kann das Material schneller, mit weniger Vibrationen und ohne zu brechen abtragen. Diese einzige Änderung hat einen massiven und direkten Einfluss auf die Zykluszeit.

3. Tiefe Taschen und dünne Wände meiden

Tiefe Taschen und dünne Wände sind bei jedem Material eine Herausforderung. Bei schwer zu bearbeitenden Materialien sind sie ein Rezept für Misserfolge.

• Tiefe Taschen: Um den Boden zu erreichen, muss das Werkzeug weit aus dem Halter "heraushängen". Dieses lange, nicht abgestützte Werkzeug wirkt wie eine Stimmgabel - es wird heftig vibrieren (rattern), was zu schlechter Oberflächengüte und gebrochenen Werkzeugen führt.
• Dünne Mauern: Harte Materialien erfordern hohe Schnittkräfte. Diese Kräfte können eine dünne, nicht abgestützte Wand leicht verformen oder brechen. Die beim Schneiden entstehende Hitze (insbesondere bei Titan) führt außerdem zu einer Verformung der dünnen Wand.

Die Lösung: Wenn Ihr Entwurf eine sehr tiefe Tasche aufweist, sollten Sie sich fragen: "Könnte dies als zwei separate, einfachere, miteinander verschraubte Teile neu konstruiert werden?" Eine zweiteilige Baugruppe ist oft wesentlich billiger zu bearbeiten als ein einzelnes, komplexes "monolithisches" Teil, für das wir 90% eines massiven, teuren Titanblocks "aushöhlen" müssen.

Hören Sie auf zu raten. Optimieren Sie.

Als Ingenieur wissen Sie, dass die wichtigsten Kosten bereits feststehen, lange bevor ein Teil überhaupt eine Maschine sieht. Sie werden bereits in der Entwurfsphase festgelegt. Die Wahl des Materials ist der Kern dieser Entscheidung.

Dr. Michael Grieves, der "Vater des Konzepts des digitalen Zwillings", hat immer wieder festgestellt: "Die 'Kosten' eines Produkts werden schon sehr früh im Konstruktionszyklus festgelegt. Die Materialwahl eines Ingenieurs ... hat massive Auswirkungen auf die Produktionskosten, die Zykluszeit [und] den Werkzeugverschleiß ..., die später zu ändern unglaublich teuer ist."

Sie haben gesehen, wie eine "Einsparung" von 5% an Rohmaterial zu einem Anstieg der Gesamtkosten um 50% führen kann. Sie haben gesehen, wie ein einzelnes Konstruktionsmerkmal, z. B. ein kleiner Eckenradius, zum teuersten Teil Ihrer Konstruktion werden kann.

Die gute Nachricht ist, dass Sie jetzt den Rahmen haben, um diese Fallen zu vermeiden. Sie können aufhören zu raten und von Anfang an kosteneffizient planen.

Sind Sie unsicher, ob Ihre derzeitige Materialwahl die kostengünstigste ist? Haben Sie den Verdacht, dass Ihr Entwurf eine versteckte "Bearbeitbarkeitsfalle" aufweist, die Ihr Angebot in die Höhe treibt?

Wir helfen Ihnen, das herauszufinden.

Laden Sie noch heute Ihre CAD-Datei hoch, um einen kostenlosen und unverbindlichen DFM- und Kostenoptimierungsbericht zu erhalten. Unsere Ingenieure werden Ihre Konstruktion persönlich überprüfen und spezifische Möglichkeiten aufzeigen - von der Materialauswahl bis hin zu DFM-Änderungen - um Ihnen zu helfen, Ihre endgültigen CNC-Bearbeitungskosten erheblich zu senken.