Wie können Kleinstmengen effizient mit CNC-Bearbeitung in geringer Stückzahl realisiert werden?

Was ist die CNC-Bearbeitung in geringer Stückzahl? Umfang, Anwendungsbereich und strategische Vorteile

Die CNC-Bearbeitung in geringer Stückzahl schließt die Lücke zwischen Prototypenerstellung und Massenproduktion und ermöglicht die effiziente Fertigung von 10 bis 10.000 Einheiten pro Charge. Dieser Ansatz verändert, wie Unternehmen Erstserien, Brückenproduktionen und spezialisierte Aufträge abwickeln – ohne Investitionen in Werkzeuge für die Großserienfertigung.

Definition der Schwelle: Was gilt als CNC-Bearbeitung in geringer Stückzahl?

Wenn es um die Kleinserienfertigung geht, betrachten wir in der Regel Mengen zwischen etwa 50 und 5.000 Einheiten. Diese Zahlen können jedoch je nach Branche variieren. In der Luft- und Raumfahrt beispielsweise, wo Teile zertifiziert werden müssen, beschränken sich die meisten Fertigungsabläufe auf maximal etwa 300 Teile. Gleichzeitig können einige industrielle Hersteller ihre Serien auf bis zu 10.000 Einheiten erhöhen, wenn ein starkes Interesse am Aftermarket besteht. Was diesen Ansatz so effizient macht, ist der Einsatz von Standardwerkzeugen anstelle individueller Spezialvorrichtungen, wodurch die anfänglichen Einrichtungskosten bei etwa 15 % oder weniger der Gesamtkosten gehalten werden. Die Fähigkeit, sich schnell zu skalieren, gewinnt heutzutage an Bedeutung, da laut den aktuellen Daten zu Maschinenbau-Trends aus dem Jahr 2024 fast 8 von 10 Herstellern Schwierigkeiten haben, genau vorherzusagen, wie viel Produkt sie im nächsten Quartal benötigen werden.

Kleinserienfertigung im Vergleich zu Prototypenfertigung und Großserienfertigung: Wichtige Unterschiede

Im Gegensatz zum Prototyping (1–50 Einheiten, fokussiert auf Form- und Funktionsvalidierung) oder der Serienproduktion (>10.000 Einheiten, die spezielle Werkzeuge und Automatisierung erfordern), bietet die CNC-Bearbeitung in geringen Stückzahlen eine Balance zwischen Präzision und wirtschaftlicher Machbarkeit. Sie zeichnet sich aus durch:

• Lieferung von nahezu serienmäßiger Qualität ohne Investitionen in Formen oder Werkzeuge
• Einhalten von Lieferzeiten von 5–15 Tagen im Vergleich zu 30–90 Tagen bei werkzeugbasierter Produktion
• Möglichkeit von Designanpassungen während der Produktion zu 60 % niedrigeren Überarbeitungskosten

Branchenanwendungen: Typische Losgrößen in Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik und industrieller OEM-Fertigung

Branchenspezifische Mengen spiegeln unterschiedliche regulatorische und betriebliche Prioritäten wider:

Branche	Typischer Losumfang	Wesentliche Treiber
Luft- und Raumfahrt	10–200 Einheiten	Batches für Zertifizierungsteile
Medizintechnik	50–500 Einheiten	Komponenten für klinische Studien
Industrie	300–5.000 Einheiten	Nachfrage für Ersatzteile/Aftermarket

Die Luft- und Raumfahrt nutzt die Fertigung in geringen Stückzahlen für iterative Tests von Titan-Fahrwerkskomponenten; die Medizintechnik setzt sie für biokompatible chirurgische Instrumente vor der vollständigen Validierung ein.

Kosteneffizienz in der CNC-Bearbeitung mit geringen Stückzahlen optimieren

Aufschlüsselung der Kostenstruktur: Rüstzeiten, Materialien und Arbeitskraft

Bei CNC-Bearbeitungsarbeiten mit geringem Produktionsvolumen lassen sich die Kosten der meisten Werkstätten in drei Hauptkategorien einteilen: Ersteinrichtungskosten, die typischerweise zwischen 30 und 50 Prozent des Gesamtbetrags ausmachen, dann die Rohmaterialien selbst und schließlich die qualifizierte Arbeitskraft, die erforderlich ist, um die Maschinen zu bedienen. Die Einrichtearbeiten wie das Programmieren der Maschine, deren genaue Kalibrierung und das Aufbauen aller Vorrichtungen stellen eine fixe Ausgabe dar, unabhängig von der Anzahl hergestellter Teile, und belasten insbesondere kleine Losgrößen besonders stark. Laut Daten aus der tatsächlichen Fertigungsebene dauert die Einrichtung bei etwa sieben von zehn Aufträgen mit weniger als 100 Einheiten länger und verursacht höhere Kosten als der eigentliche Zerspanungsprozess. Ausschussmaterial ist ein weiterer großer Kostenfaktor. Werkstätten können erhebliche Einsparungen erzielen, indem sie sicherstellen, dass das gekaufte Ausgangsmaterial genau den Anforderungen des Bauteils entspricht. Einige erfahrene Zerspanungsfachkräfte geben an, durch diese Maßnahme Einsparungen von rund 15 bis 20 Prozent erzielt zu haben. Die Arbeitskosten entstehen hauptsächlich durch die Überwachung der Abläufe und die Nachbearbeitung nach der Bearbeitung. Interessanterweise stellen Unternehmen jedoch fest, dass bei Investitionen in Automatisierungssysteme für bestimmte Aufgaben während der Produktion weniger Mitarbeiter direkt benötigt werden, wodurch sich der manuelle Arbeitsaufwand in gut gesteuerten Fertigungsumgebungen manchmal um fast zwei Drittel verringert.

Bewährte Strategien zur Senkung der Kosten pro Bauteil, ohne die Qualität zu beeinträchtigen

Wenn Hersteller bereits in der Entwurfsphase das Design für Fertigungsgerechtes Konstruieren (DFM) anwenden, können sie etwa 40–45 % dieser unnötigen Kosten allein dadurch senken, dass sie Teile vereinfachen und überall mehr genormte Merkmale verwenden. Auch der Wechsel von Materialien macht einen großen Unterschied. Wenn beispielsweise Titan durch bestimmte aluminiumbasierte Luftfahrtlegierungen ersetzt wird, wo die Anwendung es zulässt, wirkt sich dies hervorragend auf die Materialkosten und die Bearbeitungszeit aus und reduziert diese um 25 % bis fast die Hälfte. Ein weiterer sinnvoller Schritt sind Mehrfach-Teile-Nestverfahren, bei denen mehr nutzbare Teile aus jedem Rohmaterialblock gewonnen werden. Dieser Ansatz reduziert typischerweise den Abfall um etwa 15–20 %, je nachdem, was produziert wird. Und nicht zu vergessen sind Toleranznormen. Die Anwendung der ISO-2768-Mitteltoleranzklasse und die Konzentration von Präzisionsmaßnahmen nur auf Bereiche, die wirklich entscheidend sind, verringern die Qualitätskontrollprüfungen um rund 30 %, während gleichzeitig sichergestellt bleibt, dass alles bei der Montage korrekt zusammenpasst.

Kostenreduktionsmethode	Typische Ersparnis	Implementierungskomplexität
Designvereinfachung	15–25%	Niedrig
Materialoptimierung	20–40%	Mittel
Mehrteiliges Nesting	12–22%	Hoch
Toleranzstandardisierung	8–30%	Mittel

Fallstudie: Erreichen einer Kostensenkung von 42 % durch mehrteilige Spannvorrichtungen und Nesting

Ein Hersteller von medizinischen Geräten zahlte etwa 147 US-Dollar pro Einheit für Prototypen von Titanimplantaten, als er noch veraltete Einzelteilspannmittel verwendete. Nachdem das Unternehmen seine Spannmittel so umgestaltet hatte, dass sie vier identische Teile gleichzeitig bearbeiten konnten, und intelligente Nesting-Software eingeführt wurde, sank der Materialabfall drastisch von 60 % auf nur noch 22 %. Die gemeinsame Bearbeitung mehrerer Teile verringerte die benötigte Maschinenzeit pro Einheit um 53 %, und standardisierte Werkzeugwege bedeuteten, dass keine zeitaufwändigen Kalibrierungen einzelner Teile mehr nötig waren. Was bedeutete das alles? Erste Muster wurden innerhalb von drei Tagen zu je 86 US-Dollar geliefert, was unterhalb ihres Ziels von 90 US-Dollar lag – und das bei vollständig intakten Qualitätsdokumentationen gemäß ISO 13485. Spätere Serienproduktionen erreichten sogar Kosten von 75 US-Dollar pro Einheit, nachdem die Werkzeugstandzeiten besser überwacht wurden. Dies zeigt, dass ein neuer Ansatz bei den Fertigungsprozessen auch bei kleineren Stückzahlen zu erheblichen Kostensenkungen führen kann.

Gestaltung für die Fertigung (DFM): Beschleunigung der Produktion und Reduzierung von Abfall

Wichtige DFM-Prinzipien, die die Angebotsstellung vereinfachen und die NRE-Kosten senken

DFM von Anfang an richtig umzusetzen, bevor die CAD-Dateien versendet werden, kann die Zeit für Angebotseinholungen erheblich verkürzen und Kosten für einmalige Engineering-Aufwände sparen. Bei der Konstruktion von Bauteilen ist es hilfreich, Dinge zu vereinfachen, wie beispielsweise das Entfernen von Hinterschneidungen, die spezielle Werkzeuge benötigen, oder das Ersetzen komplizierter Kurven durch Standardradien, die mit gängigen Schaftfräsern bearbeitet werden können. Dasselbe gilt für Bohrungen und sich wiederholende Merkmale über mehrere Bauteile hinweg – eine einheitliche Auslegung bedeutet weniger Rüstvorgänge beim Wechseln der Werkzeuge während der Bearbeitung. Auch die Wahl des Materials macht einen großen Unterschied. Zum Beispiel lässt sich Aluminium 6061 etwa 38 Prozent schneller bearbeiten als Edelstahl und eignet sich dennoch hervorragend für die meisten industriellen Anwendungen. Ein weiterer entscheidender Aspekt ist die Festlegung realistischer Toleranzbereiche. Die meisten Projekte benötigen tatsächlich nur Toleranzen der ISO-2768-Mittelklasse, was rund 90 Prozent der Fälle abdeckt, ohne zusätzliche Kosten für extrem enge Toleranzen zu verursachen. Konstrukteure, die diese DFM-Überlegungen berücksichtigen, sehen in der Regel etwa 30 Prozent weniger Nacharbeiten, was langfristig natürlich die kostspieligen NRE-Gebühren senkt.

Häufige Gestaltungsfehler, die die Kosten für CNC-Kleinserien erhöhen

Regelmäßige Fehler führen bei der Kleinserienfertigung zu höheren Kosten, da hier die Rüstkosten den Preis pro Bauteil dominieren:

Fehlerkategorie	Kostenauswirkung	Vorbeugende Maßnahme
Unnötig enge Toleranzen	+45 % Bearbeitungs-/Prüfzeit	ASME Y14.5 GD&T nur bei kritischen Schnittstellen anwenden
Isolierte dünne Wände (<1 mm)	22 % höhere Ausschussrate	Gleichmäßige Wanddicke von mindestens 1,5-fachem Werkzeugdurchmesser beibehalten
Nicht genormte Bohrungsgrößen	$120+ pro maßgeschneidertes Werkzeug	Bohrungen mit Standardbohrerprogramm ausrichten
Schlechte Spannflächen	2–3fache Rüstzeit	Parallele Bearbeitungsflächen in primären Bezugsebenen hinzufügen

Teile, die aufgrund übersehener Zugangswinkel eine Vierachs-Bearbeitung erfordern, verursachen 70 % höhere Programmierkosten – was verdeutlicht, wie direkte Auswirkungen von Konstruktionsentscheidungen auf Herstellbarkeit und Kosten entstehen.

Lieferzeit verkürzen: Von der Konstruktion bis zur Auslieferung in der agilen Fertigung

Wie Top-Anbieter Erste Teile in weniger als 5 Werktagen liefern

Top-Hersteller können dank ihrer digitalen Workflows nun Teile innerhalb einer Woche liefern, bei denen Design-Reviews zeitgleich mit der Produktionsplanung beginnen. Wenn Unternehmen bereits Materialien kaufen, während sie noch an CAD-Konstruktionen arbeiten, und auf bestehende Werkzeugdatenbanken zurückgreifen, verkürzt dies Wartezeiten um etwa drei Viertel, wie die neuesten Zahlen zu Fertigungs-Durchlaufzeiten aus dem Jahr 2024 zeigen. Die Überwachung von Maschinen während des Betriebs ermöglicht es Fabriken, Arbeitsgänge bei Verzögerungen umzuplanen, und die Übermittlung von Prüfergebnissen über die Cloud beschleunigt Genehmigungsprozesse. Diese Systeme machen besonders bei kleinen CNC-Batchen mit mehreren Änderungsdurchläufen einen großen Unterschied, da schnelles Feedback teure Fehler reduziert und die Gesamtdurchlaufzeiten verkürzt.

Bündelung und Mehrteile-Fertigung: Reale Verbesserungen bei der Zykluszeit

Strategische Komponentengruppierung maximiert die Spindelauslastung und minimiert Nicht-Schneid-Zeiten:

Technik	Rüstzeitenreduzierung	Verbesserung der Zykluszeit
Geometrisches Nesting	40–55 %	30%
Familienbündelung	60–70 %	50%
Tombstone-Spannvorrichtung	85%+	68%

Ein Hersteller von medizinischen Geräten erreichte eine 58 % schnellere Durchlaufzeit durch die Verwendung von Tombstone-Fixierungen für 15 Varianten von chirurgischen Titanführungen – wobei mehrere Ausrichtungen gleichzeitig bearbeitet und sekundäre Bearbeitungsschritte nahezu eliminiert wurden.

Ist die ‚Null-Rüstzeit‘-Automatisierung realistisch – oder nur Marketing-Hype?

Vollständig autonome Rüstwechsel bleiben bei kundenspezifischen Bauteilen noch wunschhaft – doch hybride Automatisierung liefert messbare Verbesserungen:

• Palettenpool-Systeme ermöglichen vorbereitete Aufträge für nahezu sofortiges Nachladen der Maschinen
• Offline-Werkzeugeinstellung reduziert die Kalibrierzeit um 90 %
• Adaptives Spannsystem ermöglicht die Bearbeitung von Bauteilfamilien mit einer Umkonfiguration in weniger als 15 Minuten

Die echte ‚Null-Rüstzeit‘-Produktion gilt nur für hochgradig standardisierte Teile. Hingegen ermöglicht eine auf die Bauteilkomplexität abgestimmte Automatisierung eine Rüstzeitreduktion von 30–40 % bei den meisten Kleinserien. Übermäßige Investitionen in Automatisierung, ohne die Bauteilvielfalt zu bewerten, erhöhen oft die Kosten, ohne dass entsprechende Zeitersparnisse erzielt werden.

Auswahl des richtigen CNC-Dienstleisters für Kleinserien: Wichtige Auswahlkriterien

Über den Preis hinaus: Bewertung von DFM-Unterstützung, Kapazitätsflexibilität und Qualitätsnachverfolgbarkeit

Suchen Sie einen guten Produktionspartner? Stellen Sie sicher, dass er von Anfang an ehrliches DFM-Feedback gibt, damit später niemand teure Neukonstruktionen bezahlen muss. Prüfen Sie, ob der Partner tatsächlich kurzfristige Änderungen im Produktionsumfang bewältigen kann, indem Sie nach Fallstudien fragen. Einige führende Unternehmen haben ihre Losgrößen bei Bedarf innerhalb von nur drei Tagen um bis zu 40 % nach oben oder unten angepasst. In sicherheitskritischen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt oder der Medizintechnik ist die ISO-9001-Zertifizierung mit vollständiger Rückverfolgbarkeit über den gesamten Prozess hinweg unverzichtbar. Echtzeit-Inspektionsberichte und eine lückenlose Verfolgung von Materialchargen sind hier keine optionalen Zusatzleistungen, sondern Standardanforderungen. Die besten Unternehmen bieten heutzutage zudem digitale Dashboards, über die Kunden den Produktionsfortschritt in Echtzeit verfolgen können – ein Service, der weit über das hinausgeht, was die meisten Standardangebote überhaupt erwähnen.

Warnsignale bei der Lieferantenauswahl: Überzogene Zeitpläne und mangelnde Transparenz

Achten Sie auf Anbieter, die Lieferzeiten von 48 Stunden versprechen, aber nicht über die Infrastruktur verfügen, um solche Durchlaufzeiten tatsächlich zu unterstützen. Die meisten Werkstätten können entweder keine Mehrschichtbetriebe durchführen oder automatisierte Workflows im großen Maßstab bewältigen. Solche Zusicherungen erweisen sich daher oft als leere Versprechen, die später zu erheblichen Verzögerungen führen. Laut einer Studie des Ponemon Institute aus dem vergangenen Jahr erleben nahezu sieben von zehn Projekte in mechanischen Werkstätten Rückschläge aufgrund unerwarteter Workflow-Probleme, die von Anfang an nicht ordnungsgemäß offengelegt wurden. Prüfen Sie bei der Durchsicht von Lieferantenverträgen besonders genau, ob versteckte NRE-Gebühren auftauchen, die oft nachträglich hinzukommen. Meiden Sie auf jeden Fall jedes Unternehmen, das sich weigert, Ihnen persönlich den gesamten Produktionsprozess zu erläutern. Es besteht ein klarer Zusammenhang zwischen mangelnder Transparenz hinsichtlich der Qualitätskontrolldokumentation und der Herkunft der Materialien einerseits und der tatsächlichen Dauer von Projekten andererseits. Die Experten von AIAG haben dieses Muster tatsächlich untersucht und festgestellt, dass Unternehmen, denen die richtigen Zertifizierungsinformationen fehlen, im Durchschnitt etwa 22 Wochen hinter dem Zeitplan zurückliegen. Bevor Sie etwas unterschreiben, sollten Sie gründlich prüfen, welche Testverfahren während der Fertigung angewandt werden.

Häufig gestellte Fragen zum CNC-Fräsverfahren in kleinen Stückzahlen

Was gilt als kleine Stückzahl beim CNC-Fräsen?

Kleine Stückzahlen beim CNC-Fräsen beziehen sich im Allgemeinen auf die Herstellung von 50 bis 5.000 Einheiten, wobei dies je nach Branche und spezifischen Anforderungen variieren kann.

Worin unterscheidet sich das CNC-Fräsen in kleinen Stückzahlen von der Prototypenfertigung und der Großserienproduktion?

Das CNC-Fräsen in kleinen Stückzahlen vereint Präzision mit wirtschaftlicher Machbarkeit und erfordert keine hohen Werkzeugkosten wie bei der Massenproduktion. Es bietet kürzere Lieferzeiten und eine größere wirtschaftliche Flexibilität im Vergleich sowohl zur Prototypenfertigung als auch zur Großserienproduktion.

Welche Strategien zur Kostenreduzierung gibt es beim CNC-Fräsen in kleinen Stückzahlen?

Strategien zur Kostensenkung umfassen die Konstruktion für die Fertigung (DFM), Materialoptimierung, das Zusammenlegen mehrerer Teile (Nesting) und die Standardisierung von Toleranzen, alles mit dem Ziel, Ausgaben zu senken, ohne die Qualität zu beeinträchtigen.

Was sollte ich bei der Auswahl eines CNC-Dienstleisters berücksichtigen?

Berücksichtigen Sie Faktoren wie die vorab gebotene DFM-Unterstützung, Kapazitätsflexibilität, Rückverfolgbarkeit der Qualität, Echtzeit-Berichterstattung sowie transparente Kommunikation über Termine und Kosten.