Verschrottung bei der Metallumformung reduzieren: 5 technische Strategien für mehr Rentabilität

Zusammenfassung

Die Reduzierung von Abfällen beim Metallstanzen ist keine bloße Ordnungsmaßnahme; sie ist der wirksamste Hebel zur Steigerung der Rentabilität, da Rohstoffe typischerweise 50–70 % der Gesamtkosten eines Bauteils ausmachen. Um aus Abfallkosten einen Wettbewerbsvorteil zu machen, müssen Hersteller einen dreigliedrigen Ansatz verfolgen: Produktgestaltung (DFM) , Werkzeugoptimierung (wie fortschrittliches Nesting und Verschnitt-Rückgewinnung) sowie Prozesskontrolle (überwachungsbasierte Sensoren) verwendet werden. Die wichtigste Kennzahl für den Erfolg ist das Materialnutzungsverhältnis (MUR) —der Prozentsatz des rohen Blechs, der in ein fertiges Bauteil übergeht.

Dieser Leitfaden behandelt technische Strategien zur Maximierung des MUR, angefangen beim Einsatz von „Nano-Verbindungen“ für dichteres Nesting bis hin zur Nutzung von „aktiven Geschwindigkeitsregelungssensoren“, die Fehler in Echtzeit verhindern. Indem Stanzbetriebe über die reine Entsorgung hinausgehen und gezielte Maßnahmen zur Abfallreduzierung umsetzen, können erhebliche Gewinnmargen zurückgewonnen werden.

Optimierungsstrategie 1: Fortgeschrittene Anordnung und Materialausnutzung

Die unmittelbarste Möglichkeit zur Reduzierung von Ausschuss liegt in der Konstruktion der Bandanordnung. Nesten bezeichnet die Praxis, Teile auf einem Metallband so anzuordnen, dass der leere Raum (Steg) zwischen ihnen minimiert wird. Während Standard-Anordnungen vom Typ "einfach" einfach zu entwerfen sind, verbleibt dabei oft übermäßiger Skelettausschuss. Fortgeschrittene Strategien wie "doppelt" oder "verschachtelte" Anordnungen können die Materialausnutzung um 5–15 % erhöhen und wirken sich damit direkt auf das Betriebsergebnis aus.

Eine leistungsstarke Technik beinhaltet formtreue Anordnung die Nutzung moderner Technologien wie nano-Verbindungen . Wie Branchenführer wie TRUMPF detailliert beschreiben, sind Nano-Fügungen winzige Haltefalze, die das Teil mit dem Streifen verbinden und größere, herkömmliche Mikro-Fügungen ersetzen. Da diese Falze minimal sind, können Teile direkt benachbart zueinander angeordnet werden, ohne das Risiko eines Auskippens oder Zusammenstoßens. Diese Nähe ermöglicht deutlich engere Anordnungen, verringert die erforderliche Stegbreite zwischen den Teilen und erlaubt es, effektiv mehr Produkte aus jeder Bandspule zu gewinnen.

Ein weiterer anspruchsvoller Ansatz ist gemischtteil-Nestung , bei dem eine kleinere, unterschiedliche Komponente aus dem Ausschussbereich eines größeren Teils gestanzt wird. Ein klassisches Beispiel von ESI Engineering Specialties betrifft einen Hersteller von Tauchausrüstung, der jährlich 20.000 D-Ringe produziert. Die Ingenieure erkannten, dass sie einen kleineren, scheibenförmigen Ring aus dem inneren "D"-Ausschnitt des größeren Rings stanzen konnten – Material, das andernfalls entsorgt worden wäre. Dadurch ergaben sich effektiv zwei Teile zum Materialpreis von einem. Es gilt hier jedoch eine wichtige Faustregel: Die Produktionsmenge des größeren Teils muss gleich oder größer sein als die des kleineren, ineinanderliegenden Teils, um zu vermeiden, dass sich ein Lagerbestand an nicht benötigten Komponenten ansammelt.

Wichtige Checkliste für Streifenlayout-Prüfungen

• Brückenbreite: Ist die Stegbreite auf die Materialstärke abgestimmt?
• Kornausrichtung: Werden Biegungen senkrecht zur Faserrichtung ausgeführt, um Risse zu verhindern?
• Teilrotation: Ermöglicht die Drehung des Teils um 180 Grad ein ineinander Greifen (Verzahnung)?
• Gemischtes Nesting: Gibt es ein kleineres Teil in der Stückliste, das in den Ausschussbereich passt?

Optimierungsstrategie 2: Werkzeugdesign und Konstruktionslösungen

Sobald das Layout optimiert ist, verlagert sich der Fokus auf die physische Werkzeugausstattung. Progressive-Die-Design bietet einzigartige Möglichkeiten, Material durch „Abfallwerkzeuge“ oder „Gewinnungswerkzeuge“ zurückzugewinnen. Ein Abfallwerkzeug ist ein sekundäres Werkzeug, das speziell dafür ausgelegt ist, den beim primären Vorgang entstehenden Abfall (Schrott) aufzunehmen und daraus ein verwendbares Bauteil zu stanzen. Obwohl dies zusätzliche Werkzeugkosten verursacht, rechtfertigen die langfristigen Einsparungen bei Hochvolumen-Laufzeiten häufig die Investition.

Für die kontinuierliche Produktion setzen einige Stanzunternehmen eine Technik des „Verbindens von Abfällen“ ein. Wie in technischen Fachdiskussionen von The Fabricator erwähnt, können Abfallstücke manchmal mechanisch miteinander verbunden werden (mittels Schnappverriegelungen oder ähnlichen Vorrichtungen), um einen durchgehenden Streifen zu bilden, der in eine sekundäre fortlaufende Stanzform eingelegt werden kann. Diese kreative Konstruktionslösung ermöglicht die automatisierte Zuführung von Material, das zuvor loser Abfall war. Ingenieure müssen jedoch vorsichtig sein kaltverfestigung . Metall, das bereits bei der ersten Bearbeitung verformt oder beansprucht wurde, kann an Duktilität verlieren und ist daher für tiefgezogene Sekundärteile ungeeignet. Es eignet sich am besten für einfache Halterungen oder flache Bauteile.

Die Validierung dieser komplexen Werkzeugkonzepte, bevor man sich auf Hartstahl festlegt, ist entscheidend. Hier wird die Zusammenarbeit mit einem leistungsorientierten Hersteller unerlässlich. Unternehmen wie Shaoyi Metal Technology angebot umfassende Stanzlösungen anbieten die die Lücke vom schnellen Prototyping bis zur Serienproduktion schließen. Indem Ingenieure deren Fähigkeit nutzen, qualifizierte Prototypen innerhalb von nur fünf Tagen bereitzustellen, können sie Materialfluss und Nesting-Eignung früh in der Entwicklungsphase testen und sicherstellen, dass aggressive Strategien zur Abfallreduzierung für die hohen Anforderungen der Automobilserienfertigung (IATF 16949) praktikabel sind.

Optimierungsstrategie 3: Fehlervermeidung und Prozesskontrolle

Abfall besteht nicht nur aus dem übrig gebliebenen Gerüst; er entsteht auch durch Teile, die weggeworfen werden. Es gilt, einen Unterschied zu machen zwischen konstruktionsbedingtem Abfall (Schwarten) und produktionsabfall (defekte Teile) ist entscheidend. Während konstruktionsbedingter Ausschuss eine Designentscheidung darstellt, ist produktionsbedingter Ausschuss ein Prozessversagen. Häufige Fehler wie slug Pulling —bei dem ein ausgestanztes Stück am Stanzwerkzeug haften bleibt und das nächste Teil beschädigt—können Tausende von Teilen ruinieren, wenn sie nicht erkannt werden.

Um dem entgegenzuwirken, setzen Hersteller zunehmend in-Die-Sensortechnologie ein. Moderne Systeme wie Active Speed Control von TRUMPF hervorgehoben, nutzen Sensoren zur Überwachung der Prozessstrahlung und regulieren die Zuführgeschwindigkeit automatisch. Wenn das System ein potenzielles Problem erkennt, beispielsweise, dass sich geschmolzenes Material nicht korrekt bildet oder ein ausgestanztes Stück nicht ausgeworfen wird, kann es die Parameter anpassen oder die Presse sofort anhalten. Dadurch verändert sich das Paradigma hin von „Qualität durch Nachprüfung aussortieren“ (Ausschuss nachträglich sortieren) zu „Qualität bereits bei der Fertigung sicherstellen“.

Ein weiteres Instrument zur Reduzierung von Produktionsausschuss ist die Implementierung von Sehsysteme und Drop & Cut technologie. Für Restbleche – die Enden von Coils oder Gerippe, die noch nutzbare Flächen aufweisen – können Kamerasysteme Teilegrafiken in das Live-Video des Blechs einblenden. Bediener können dann digitale Teiledateien per Drag-and-Drop auf das verbleibende Material ziehen, um Ersatzteile sofort auszuschneiden. Dadurch tragen auch die „unbrauchbaren“ Enden von Coils zur Umsatzerzielung bei, statt in die Recyclinganlage zu gelangen.

Optimierungsstrategie 4: Konstruktion für Fertigungsgerechtes Gestalten (DFM)

Der kostengünstigste Zeitpunkt, um Ausschuss zu reduzieren, ist vor dem Bau der Presseform. Design for Manufacturability (DFM) erfordert eine Zusammenarbeit zwischen Produktkonstrukteuren und Umformtechnikern, um die Bauteilgeometrie an Standardbandbreiten anzupassen. Oftmals ermöglicht eine geringfügige Änderung – wie beispielsweise die Verringerung einer Falzbreite um 2 mm oder die Anpassung eines Eckradius –, dass ein Teil auf einem schmaleren Standardcoil platziert werden kann oder enger mit seinem Nachbarteil angeordnet wird.

Die Werkstoffauswahl spielt ebenfalls eine Rolle. Ingenieure sollten prüfen, ob ein Bauteil gestanzt statt maschinell bearbeitet werden kann . Die Zerspanung ist ein subtraktives Verfahren, bei dem bis zu 80 % eines Werkstücks zu Spanen (Abfall) verarbeitet werden. Das Stanzverfahren hingegen ist ein nahtloses Fertigungsverfahren. Wie ESI feststellt, reduziert die Umstellung einer zerspanten Komponente auf eine gestanzte nicht nur den Materialabfall erheblich, sondern verbessert oft auch die Produktionsgeschwindigkeit. Darüber hinaus müssen Konstrukteure kornausrichtung . Die Ausrichtung eines Teils auf dem Band ausschließlich zur maximalen Ausnutzung, ohne die Kornrichtung zu berücksichtigen, kann beim Biegen zu Rissen führen und damit zu einem Ausschuss von 100 % für diese Charge. Ein ausgewogener DFM-Ansatz gewichtet Materialersparnis gegen Prozesszuverlässigkeit.

Fazit: Abfall in Gewinn verwandeln

Die Reduzierung von Ausschuss bei der Metallumformung ist eine multidisziplinäre Herausforderung, die Präzision und Kreativität belohnt. Indem Hersteller die Sichtweise verlassen, dass Ausschuss lediglich eine „Kostenstelle des Geschäfts“ sei, können sie erhebliche verborgene Gewinne erschließen. Die Integration fortschrittlicher Nesting-Strategien wie Nano-Verbindungen, die kreative Wiederverwendung von Restmaterial durch Recyclingwerkzeuge und der Einsatz intelligenter Sensoren schaffen ein robustes System, in dem die Materialausnutzung maximiert wird.

Erfolg erfordert einen Paradigmenwechsel: Jeden Quadratzentimeter der Bandzugabe als potenziellen Ertrag zu betrachten. Egal ob durch geringfügige DFM-Anpassungen, die ein besseres Nesting ermöglichen, oder durch Investitionen in intelligente Pressensteuerungen, die Tausende von Fehlern verhindern – das Ziel bleibt gleich: Maximierung des Materialnutzungsverhältnisses (MUR) und Sicherstellung, dass das einzige Metall, das das Werk verlässt, in Form von qualitativ hochwertigen, verkaufsfähigen Teilen ist.

Häufig gestellte Fragen

1. Was ist der Unterschied zwischen Ausschuss und Abfall bei der Metallumformung?

Obwohl die Begriffe oft synonym verwendet werden, bezieht sich „Schrott“ typischerweise auf recycelbares Metall (wie den Skelettrahmen oder Abfälle), das beim Verkauf an einen Händler einen gewissen Restwert hat. „Abfall“ oder „Müll“ bezieht sich normalerweise auf nicht recycelbare Materialien oder Ressourcen, die keinen Wiederverwertungswert besitzen. Im Kontext des Lean-Manufacturing gilt jedoch jedes Material als Abfall, das gekauft, aber nicht als Produkt verkauft wird, und das minimiert werden sollte.

2. Wie reduziert die Teileanordnung (Nesting) Materialkosten?

Nesting optimiert die Anordnung von Teilen auf dem Metallband, um den Leerlauf zwischen ihnen zu minimieren. Durch Techniken wie das ineinander greifende Anordnen, Drehen der Teile oder das Platzieren kleinerer Teile in den Ausschussbereichen größerer Teile können Hersteller mehr Teile pro Coil produzieren. Da Materialkosten oft 50–70 % der Gesamtkosten eines Teils ausmachen, senkt eine höhere Stückzahl pro Coil direkt die Stückkosten.

3. Welche sind die häufigsten Fehler, die beim Stanzprozess zu Ausschuss führen?

Häufige Fehler, die zu abgelehnten Teilen (Produktionsausschuss) führen, umfassen slug Pulling (bei dem Abfallmaterial zurück in den Werkzeugträger gezogen wird), grate (scharfe Kanten durch stumpfe Werkzeuge oder falschen Freiraum), trennung/Rissbildung (häufig aufgrund von Problemen mit der Faserrichtung), und faltenbildung . Die Vermeidung dieser Probleme erfordert regelmäßige Wartung der Werkzeuge und Prozessüberwachung.

4. Was ist ein Abfallwerkzeug oder Gewinnungswerkzeug?

Ein Abfallwerkzeug, auch bekannt als Gewinnungswerkzeug, ist ein spezielles Stanzwerkzeug, das darauf ausgelegt ist, einen kleineren, eigenständigen Teil aus dem bei einer primären Stanzoperation entstehenden Ausschussmaterial (Abfall) herzustellen. Beispielsweise könnte der metallische Ausschnitt eines Autofensterrahmens in ein Abfallwerkzeug eingespeist werden, um daraus eine kleine Halterung zu stanzen, wodurch für das sekundäre Teil effektiv kostenloses Material gewonnen wird.

5. Wie beeinflusst die Faserrichtung die Ausschussraten?

Metallbänder haben eine „Maserung“ ähnlich wie Holz, die während des Walzprozesses entsteht. Wenn Metall parallel zur Maserung gebogen wird, können Risse auf der Außenseite der Biegung entstehen, was zu Ausschuss führt. Durch die Gestaltung der Bandanordnung, sodass kritische Biegungen senkrecht zur Maserung verlaufen, wird dieses Risiko vermieden, auch wenn dadurch die Nesting-Dichte geringfügig schlechter wird.