Die teuerste Minute ist die, in der die Maschine steht

Die Intuition sagt: Der Preis eines CNC-Teils entsteht beim Zerspanen - je mehr Metall weg muss, desto mehr zahlt man. In einem realen Betrieb schneidet das Werkzeug jedoch oft weniger als die Hälfte der Zeit, die einem berechnet wird. Der Rest ist Spannen, Umrüsten, Werkzeugeinstellung, Messen. Dieser Artikel handelt von dieser anderen, unsichtbaren Hälfte des Preises - und davon, wie man sie schrumpft.

Die Rechnung, die überrascht

Der Stillstand macht fast die halbe Taktzeit aus, selbst in der Serienfertigung. Im Beispiel des SME-Handbuchs für eine einfache Welle aus Stangenmaterial Ø24×38 mm summieren sich die Tätigkeiten ohne Schneiden auf 0,66 Minuten gegenüber 0,75 Minuten Schnittzeit. Auf Werksebene ist es härter: MachineMetrics hat für 2022 eine durchschnittliche Maschinenauslastung von etwa 26 % gemessen.

Das Kalkulationshandbuch der SME enthält eine Kostentabelle für die Bearbeitung einer einfachen Welle aus Stangenmaterial Ø24×38 mm aus unlegiertem Stahl. Die Zeitaufteilung sieht so aus:

Die Tätigkeiten, in denen das Werkzeug nicht schneidet, summieren sich auf 0,66 Minuten gegenüber 0,75 Minuten Schnittzeit - fast die halbe Taktzeit. Und das ist ein Serienbeispiel, bei dem sich das Rüsten auf viele Stücke verteilt. Beim Einzelstück kippen die Proportionen: Die Stillstandszeit kann mehr als das Zehnfache des Schneidens kosten.

Und selbst das ist noch das optimistische Bild, denn es beschreibt einen einzelnen Zyklus. Auf Werksebene wird es härter: MachineMetrics, eine Plattform, die Daten direkt aus den Steuerungen tausender Werkzeugmaschinen in Hunderten US-Unternehmen sammelt, hat für 2022 eine durchschnittliche Maschinenauslastung von etwa 26 % gemessen (22-30 % je nach Monat). Eine typische Werkzeugmaschine verbringt drei Viertel ihrer Zeit ohne laufendes Programm - sie wartet auf Material, eine Umrüstung, ein Programm oder einen Bediener.

Die Anatomie des Stillstands, gemessen auf die hundertstel Minute

Man könnte das für Theorie halten. Ist es nicht - diese Zeiten werden seit Jahrzehnten gemessen und tabelliert. In den polnischen Zeitnormtabellen von 1972 haben die unproduktiven Zeiten eigene Kapitel, genau bis auf Hundertstelminuten. Ein paar Beispiele für Drehmaschinen - historische Werte, aber ein unveränderter Mechanismus:

• organisatorische Tätigkeiten bei Auftragsbeginn und -abschluss: 10-14 Minuten pro Los;
• Einrichten einer Drehmaschine für Einwerkzeug-Arbeit: von 6-11 Minuten (zwischen Spitzen) bis 12-27 Minuten (auf der Planscheibe mit Winkel und Gegengewicht); jedes weitere Werkzeug addiert 3-10 Minuten;
• Erststückprüfung: 3-8 Minuten, plus weitere 5-15 bei komplexen Arbeiten mit Rücksprache beim Meister;
• Spannen und Entspannen eines Stücks: von 0,14 Minuten im Pneumatikfutter bis 6,5 Minuten im Vierbackenfutter mit schwierigem Ausrichten - ein fast fünfzigfacher Unterschied, beim selben Teil;
• jede Messung mit Messschieber, Bügelmessschraube oder Lehre: 0,1-1,35 Minuten, bei höherer Präzision mehr.

Ehrlich addiert: eine einfache Dreharbeit als Einzelstück, drei Werkzeuge, Vierbackenfutter, Erststückprüfung - das sind 40-60 Minuten, bevor irgendein Schneiden beginnt, das vielleicht 10 Minuten wert ist.

Ein wichtiger Vorbehalt: Das sind Zahlen aus der Ära der Handmaschinen, und ihre Posten sehen heute anders aus. Aber die Summe für die Einzelfertigung liegt weiterhin in derselben Größenordnung - auf einer CNC-Fräse dauert die Vorbereitung eines neuen Auftrags realistisch eine halbe bis zwei Stunden, weil die an Handrädern und Probespänen gesparte Zeit von CAM-Programmierung, Werkstückausrichtung und Papierkram übernommen wurde. Die Positionen haben sich geändert; das Ausmaß des Phänomens nicht.

Was CNC beseitigt hat und was überlebt hat

CNC-Maschinen haben das Kleingeld aus Wołks Tabellen getilgt: Das Ändern der Spindeldrehzahl (0,06-0,45 min "per Handrad" im Jahr 1972) existiert nicht mehr, ein Werkzeugwechsel (0,6-1,4 min) dauert im Magazin Sekunden, und Messtaster für Teile und Werkzeuge - 2008 in der Fachpresse noch als Neuheit besprochen - automatisieren das Einrichten, das früher mit Probespan und Messschraube geschah.

Aber die drei schwersten Posten haben überlebt, und ein neuer ist dazugekommen:

1. Umrüsten und Aufspannungen - Schraubstöcke, Vorrichtungen, Ausrichten; jede zusätzliche Aufspannung des Teils bedeutet einen neuen Einrichtzyklus und eine neue Fehlerchance.
2. Erstmusterprüfung - heute so obligatorisch wie 1972, besonders bei engen Toleranzen, über die wir kürzlich geschrieben haben.
3. Organisatorisches - die Zeichnung, die Laufkarte, das Material, die Qualitätsdokumentation.
4. CAM-Programmierung - ein Posten, den Wołk nicht kannte: In der Einzelfertigung kann das Programm mehr Zeit kosten als die Bearbeitung.

Die praktische Schlussfolgerung im SME-Handbuch liest sich heute wie damals: Bei der Bearbeitungsplanung die Zahl der Maschinen, der Umrüstungen und der Aufspannungen minimieren - denn diese, nicht die Schnittparameter, machen den Kostenunterschied.

Losgrößen-Mathematik, oder warum ein Stück "ein Vermögen" kostet

Ein Einzelstück ist teuer, weil es die gesamte Rüstzeit des Loses allein trägt. Bei 90 Minuten Rüstzeit trägt ein Stück die vollen 90 Minuten, zehn Stücke je 9 Minuten und hundert nur je 54 Sekunden. Deshalb kostet ein Prototyp Hunderte, und zwei kleine Lose statt eines kosten fast zwei Rüstvorgänge.

Die Stillstandskosten gehorchen einer einfachen Formel, die SME als $T_s = \frac{T_b}{Q}$ schreibt: Rüstzeit des Loses geteilt durch die Stückzahl. Dieser eine Bruchstrich erklärt die meisten "seltsamen" Phänomene in Angeboten:

• bei 90 Minuten Rüstzeit: Ein Stück trägt die vollen 90 Minuten, zehn Stücke je 9 Minuten, hundert je 54 Sekunden;
• deshalb kostet ein Prototyp Hunderte, obwohl "es doch nur fünf Minuten Fräsen sind";
• deshalb kosten 5 Stück jetzt und 5 in einem Monat real fast zwei Rüstvorgänge - mehr als 10 Stück auf einmal;
• und deshalb gibt es, wie die SME-Autoren anmerken, in der Einzelfertigung keine gute Rüstzeitformel - der Inhaber eines kleinen Betriebs schätzt sie aus Erfahrung. Und Erfahrung ist, wie jedes Wissen in einem einzigen Kopf, freitags um 15 Uhr nicht immer verfügbar.

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Wie man die unsichtbare Hälfte des Preises schrumpft

Stillstand schrumpft vor allem durch weniger Aufspannungen, schnelleres Ausrichten, Werkzeugvoreinstellung und CAM-Programmierung offline, Teilefamilien und eine explizite Rüstkalkulation im Angebot. Der Kunde kann helfen, indem er Bestellungen zu größeren Losen bündelt, nach Staffelpreisen fragt und ein Los nicht ohne Grund auf mehrere Liefertermine aufteilt.

Für den Betrieb sind die Hebel seit Jahrzehnten bekannt; nur die Werkzeuge haben sich geändert:

• weniger Aufspannungen - Mehrseitenbearbeitung, Komplettbearbeitung in einer Aufspannung, eine sinnvolle Operationsfolge;
• schnelleres Ausrichten - modulare Vorrichtungen, Nullpunktspannsysteme, Messtaster statt Messuhr-Suche;
• Werkzeugvoreinstellung und CAM-Programmierung offline - die Maschine schneidet, während der Programmierer den nächsten Auftrag vorbereitet;
• Teilefamilien - ähnliche Aufträge bündeln, damit ein Rüstvorgang mehreren Positionen dient;
• ehrliche Rüstkalkulation - nicht "inklusive", nicht "ungefähr", sondern explizit und separat, denn nur dann sieht man, was sich lohnt.

Für den Kunden des Betriebs sind die Schlüsse noch einfacher: Bestellungen zu größeren Losen bündeln, nach Staffelpreisen für verschiedene Mengen fragen und ein Los nicht ohne Grund auf mehrere Liefertermine aufteilen - jeder Termin ist ein eigenes Rüsten, und irgendjemand muss es bezahlen.

Berechnet, nicht geraten

In einem guten Angebot ist die Stillstandszeit ein separater, berechenbarer Posten, wie in den Tabellen von 1972. Genau so rechnet die MetronQ-Engine: Rüsten in Abhängigkeit von Teilekomplexität und Anzahl der Aufspannungen, CAM-Programmierung, Erstmusterprüfung - alles mit dem Maschinenstundensatz des Betriebs bewertet und auf das Los umgelegt, neben den reinen Schnittkosten, mit sichtbaren Staffelpreisen für verschiedene Mengen.

In der MetronQ-Kalkulation sieht der Kunde den Stückpreis mit wachsender Menge fallen - und hört auf, sich zu wundern, warum ein Einzelstück so viel kostet. Zeiten und Sätze gelten für die Maschinen, die der Betrieb selbst anlegt und kalibriert, mehr dazu unter Maschinenpark und Kalibrierung.

Denn die teuerste Minute im Zerspanungsbetrieb ist wirklich die, in der die Maschine steht. Die zweitteuerste: die, in der jemand all diese Stillstände von Hand ausrechnet.

PS Was es kostet, diese Rechnung zu automatisieren - ein Blick auf die Preise.

Häufige Fragen zu Rüstzeiten und dem Preis von CNC-Teilen

Warum ist ein einzelnes CNC-Teil so teuer?

Weil die gesamte Rüstzeit des Loses nach der Formel $T_s = \frac{T_b}{Q}$ auf die Stückzahl verteilt wird. Bei 90 Minuten Rüstzeit trägt ein Stück die vollen 90 Minuten, zehn Stücke je 9 Minuten und hundert je 54 Sekunden. Deshalb kostet ein Prototyp Hunderte, obwohl das Fräsen selbst nur Minuten dauert.

Wie viel der CNC-Bearbeitungszeit ist tatsächliches Schneiden?

Oft weniger als die Hälfte der bezahlten Zeit. Im SME-Beispiel dauern die Tätigkeiten ohne Schneiden 0,66 Minuten gegenüber 0,75 Minuten Schnittzeit, und beim Einzelstück kann der Stillstand mehr als das Zehnfache des Schneidens kosten. Daten von MachineMetrics aus 2022 zeigen eine durchschnittliche Maschinenauslastung von nur etwa 26 %.

Wie lange dauert die Vorbereitung eines neuen Auftrags auf einer CNC-Fräse?

Realistisch eine halbe bis zwei Stunden. Die an Handrädern und Probespänen gesparte Zeit haben CAM-Programmierung, Werkstückausrichtung und Papierkram übernommen. Zum Vergleich: Die Tabellen von 1972 ergeben für eine einfache Dreharbeit als Einzelstück 40-60 Minuten Vorbereitung, bevor ein Schneiden beginnt, das vielleicht 10 Minuten wert ist.

Welche unproduktiven Zeiten haben die Einführung von CNC überlebt?

Umrüsten und Aufspannungen, Erstmusterprüfung und organisatorische Tätigkeiten haben überlebt, und die CAM-Programmierung ist dazugekommen; in der Einzelfertigung kann das Programm mehr Zeit kosten als die Bearbeitung. Verschwunden ist das Kleingeld: Drehzahlwechsel gibt es nicht mehr, ein Werkzeugwechsel dauert Sekunden. Deshalb minimiert man Maschinen, Umrüstungen und Aufspannungen.

Wie kann ein Kunde die Rüstkosten senken?

Indem er Bestellungen zu größeren Losen bündelt, nach Staffelpreisen für verschiedene Mengen fragt und ein Los nicht ohne Grund auf mehrere Liefertermine aufteilt. Jeder Termin ist ein eigenes Rüsten, das jemand bezahlen muss. 5 Stück jetzt und 5 in einem Monat kosten real fast zwei Rüstvorgänge, also mehr als 10 Stück auf einmal.