
3D Hubs and Protolabs join forces to create the world’s most comprehensive manufacturing portfolio
Geschrieben von Alkaios Bournias Varotsis & Thomas Mann
Das CNC Fräsen ist das am weitesten verbreitete subtraktive Fertigungsverfahren. Beim CNC Fräsen wird mit verschiedenen Schneidwerkzeugen Material von einem massiven Block abgetragen, um ein Teil auf der Grundlage eines CAD-Modells herzustellen. Sowohl Metalle als auch Kunststoffe können CNC gefräst werden.
CNC Fräsen produzieren Teile mit engen Toleranzen und hervorragenden Materialeigenschaften. Das CNC Fräsen eignet sich aufgrund seiner hohen Wiederholgenauigkeit sowohl für Einzelaufträge als auch für die Produktion kleiner bis mittlerer Serien (bis zu 1000 Teile). Im Vergleich zum 3D-Druck hat das CNC Fräsen jedoch aufgrund des subtraktiven Charakters der Technologie mehr Designeinschränkungen.
In diesem Artikel werden zunächst die Unterschiede zwischen den beiden CNC-Hauptmaschinen (Fräsen und Drehen) erläutert und dann die Merkmale des Prozesses diskutiert. Nach Lesen dieses Artikels erhalten Sie einen Überblick über die Grundprinzipien des Fertigungsverfahrens und wie diese mit ihren wichtigsten Vorteilen und Einschränkungen zusammenhängen.
Es gibt zwei Haupttypen von CNC-Bearbeitungssystemen: Fräsen und Drehen. Jede eignet sich aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften besser für die Herstellung unterschiedlicher Geometrien.
Lassen Sie uns aufschlüsseln, wie Teile mit diesen beiden Maschinentypen hergestellt werden...
CNC Fräsen ist die beliebteste CNC-Maschinenarchitektur. Tatsächlich ist der Begriff CNC Fräsen oft gleichbedeutend mit dem Begriff CNC-Bearbeitung.
Beim CNC Fräsen wird das Teil auf dem Bett montiert und das Material mit Rotationsschneidwerkzeugen abgetragen. Hier ist ein Überblick über den grundlegenden CNC-Fräsprozess:
Nach der Bearbeitung muss das Teil entgratet werden. Entgraten ist das manuelle Verfahren zur Beseitigung der kleinen Fehler, die an scharfen Kanten aufgrund der Materialverformung während der Bearbeitung zurückbleiben (z.B. die Fehler, die entstehen, wenn ein Bohrer auf der anderen Seite eines Durchgangslochs vorhanden ist). Wenn in der technischen Zeichnung Toleranzen festgelegt wurden, werden als nächstes die kritischen Maße geprüft. Das Teil ist dann einsatzbereit oder bereit zur Nachbearbeitung.
Die meisten CNC-Frässysteme haben 3 lineare Freiheitsgrade: die X-, Y- und Z-Achse. Fortschrittlichere Systeme mit 5 Freiheitsgraden erlauben auch die Rotation des Bettes und/oder des Werkzeugkopfes (A- und B-Achse). 5-Achsen-CNC-Systeme sind in der Lage, Teile mit hoher geometrischer Komplexität zu fertigen und können die Notwendigkeit mehrerer Maschinenaufstellungen überflüssig machen.
Beim CNC-Drehen wird das Teil auf ein rotierendes Spannfutter montiert und das Material mit stationären Schneidwerkzeugen abgetragen. Auf diese Weise können Teile mit Symmetrie entlang ihrer Mittelachse hergestellt werden. Gedrehte Teile werden in der Regel schneller (und kostengünstiger) hergestellt als gefräste Teile.
Hier ist eine Zusammenfassung der Schritte zur Herstellung eines Teils mit CNC-Drehen:
Typischerweise werden CNC-Drehsysteme (auch Drehmaschinen genannt) verwendet, um Teile mit zylindrischen Profilen herzustellen. Nicht-zylindrische Teile können mit modernen mehrachsigen CNC-Drehzentren hergestellt werden, die auch mit CNC-Fräswerkzeugen ausgestattet sind. Diese Systeme kombinieren die hohe Produktivität des CNC-Drehens mit den Möglichkeiten des CNC-Fräsens und können eine sehr große Bandbreite von Geometrien mit (lockerer) Rotationssymmetrie herstellen, wie z.B. Nockenwellen und Radialverdichterlaufräder.
Da die Grenzen zwischen Fräs- und Drehsystemen verschwommen sind, konzentriert sich der Rest des Artikels hauptsächlich auf das CNC-Fräsen, da es sich dabei um ein gebräuchlicheres Fertigungsverfahren handelt.
Die meisten Bearbeitungsparameter werden vom Maschinenbediener während der Generierung des G-Codes festgelegt und sind für den Konstrukteur in der Regel von geringem Interesse. Die Maschinenparameter, die von Interesse sind, sind die Baugröße und die Genauigkeit der CNC-Maschine:
CNC-Maschinen haben einen großen Baubereich. CNC-Frässysteme können Teile mit Abmessungen von bis zu 2000 x 800 x 100 mm (78'' x 32'' x 40'') bearbeiten, und CNC-Drehsysteme können Teile mit einem Durchmesser von bis zu Ø 500 mm (Ø 20'') herstellen.
Mit CNC Fräsen können Teile mit hoher Genauigkeit und engen Toleranzen hergestellt werden. Wenn keine Toleranz angegeben ist, werden die Teile mit einer typischen Genauigkeit von ± 0,125 mm (.005'') bearbeitet. Enge Toleranzen bis zu weniger als dem halben Durchmesser eines durchschnittlichen menschlichen Haares (± 0,025 mm oder .001'') können mit CNC Fräsen erreicht werden.
Um unterschiedliche Geometrien zu erzeugen, verwenden CNC-Fräsmaschinen unterschiedliche Schneidwerkzeuge. Hier sind einige der am häufigsten verwendeten Fräswerkzeuge in CNC-Maschinen aufgeführt:
Die Fräswerkzeuge mit Flach-, Bullen- und Kugelkopffräser werden zur Bearbeitung von Schlitzen, Nuten, Hohlräumen und anderen vertikalen Wänden eingesetzt. Ihre unterschiedliche Geometrie ermöglicht die Bearbeitung von Features mit unterschiedlichen Details. Kugelkopfwerkzeuge werden auch häufig bei der 5-Achsen-CNC-Bearbeitung zur Herstellung von Oberflächen mit Krümmungs- und Freiformgeometrien verwendet.
Bohrer sind eine übliche und schnelle Methode, um Löcher zu erzeugen. Tabellen mit den Standard-Bohrergrößen finden Sie hier. Für Bohrungen mit nicht standardmäßigem Durchmesser kann ein eintauchender Flachkopf-Schaftfräser (der einer spiralförmigen Bahn folgt) verwendet werden.
Der Durchmesser des Schaftes von Schlitzfräsern ist kleiner als der Durchmesser ihrer Schneidkante, so dass diese Fräswerkzeuge T-Nuten und andere Hinterschneidungen durch Materialabtrag an den Seiten der vertikalen Wand schneiden können.
Gewindebohrer werden zur Herstellung von Gewindebohrungen verwendet. Um ein Gewinde zu erzeugen, ist eine präzise Steuerung der Rotations- und Lineargeschwindigkeit des Gewindeschneiders erforderlich. Auch das manuelle Gewindeschneiden wird in einigen Maschinenwerkstätten noch häufig verwendet.
Planfräser werden zum Abtragen von Materialien von großen ebenen Flächen verwendet. Sie haben einen größeren Durchmesser als Schaftfräswerkzeuge, so dass sie zur Bearbeitung großer Bereiche weniger Durchgänge benötigen, wodurch die Gesamtbearbeitungszeit reduziert und ebene Oberflächen erzeugt werden. Ein Planfrässchritt wird oft früh im Bearbeitungszyklus eingesetzt, um die Abmessungen des Blocks vorzubereiten.
Eine ebenso große Auswahl an Schneidwerkzeugen wird auch beim CNC-Drehen eingesetzt und deckt alle Bearbeitungsbedürfnisse ab, wie z.B. Planschneiden, Gewindeschneiden und Nutenschneiden.
Hier ist ein Video von einem Planfräser in Aktion:
Das CNC Fräsen bietet große Designfreiheit, aber nicht jede Geometrie kann CNC-gefräst werden. Im Gegensatz zum 3D-Druck erhöht die Komplexität der Teile die Kosten, da mehr Fertigungsschritte erforderlich sind.
5-Achsen-CNC-Systeme ermöglichen dem Schneidwerkzeug den Zugang zu Bereichen, die mit 3-Achsen-Systemen nicht erreicht werden können
Die Haupteinschränkungen beim CNC Fräsen haben mit der Geometrie des Schneidwerkzeugs zu tun. Beispielsweise werden die Innenkanten einer Nut immer abgerundet sein, da sie mit einem Werkzeug mit zylindrischem Profil bearbeitet werden.
Der Werkzeugzugriff ist eine weitere große Einschränkung beim CNC Fräsen: Material kann nur dann entfernt werden, wenn das Werkzeug diesen Bereich erreichen kann. Bei den meisten CNC-Maschinen handelt es sich um 3-Achsensysteme, so dass jede Funktion so konstruiert sein muss, dass sie direkt von oben zugänglich ist. 5-Achsen-CNC-Systeme bieten eine größere Flexibilität und ermöglichen die Herstellung komplizierterer Teile, da der Winkel zwischen dem Teil und dem Werkzeug eingestellt werden kann, um Zugang zu schwer zugänglichen Bereichen zu erhalten. Bei 3D Hubs kann man Teile sowohl mit 3-Achsen- als auch mit 5-Achs-Zentren CNC fräsen lassen.
Teile mit dünnen Wänden oder anderen feinen Merkmalen sind schwer CNC-fräsbar. Dünne Wände sind anfällig für Vibrationen und sind aufgrund der Schnittkräfte bruchgefährdet. Die empfohlene Mindestwandstärke beträgt 0,8 mm für Metalle und 1,5 mm für Kunststoffe.
Einen Artikel mit weiteren Designrichtlinien speziell für das CNC Fräsen finden Sie hier.
Eine wesentliche Stärke von CNC Fräsen ist die Fähigkeit, Teile mit hervorragenden Materialeigenschaften aus einer sehr großen Auswahl an Materialien herzustellen: praktisch alle technischen Materialien können CNC-gefräst werden.
Im Gegensatz zum 3D-Druck haben Teile, die mit CNC Fräsen hergestellt wurden, vollständig isotrope physikalische Eigenschaften, die mit den Eigenschaften des Schüttgutes, aus dem sie bearbeitet wurden, identisch sind.
Das CNC Fräsen wird vorwiegend bei Metallen eingesetzt, sowohl für Prototypen als auch für größere Produktionsserien. Kunststoffe sind im Allgemeinen schwieriger zu bearbeiten, da sie eine geringere Steifigkeit und Schmelztemperatur aufweisen. Ein üblicher Anwendungsfall von CNC-gefrästen Kunststoffteilen ist die Erstellung von funktionalen Prototypen vor der Großserienproduktion mithilfe von Spritzguss.
Die Kosten für CNC-Materialien sind sehr unterschiedlich. Für Metalle ist Aluminium 6061 die wirtschaftlichste Option, wobei die Kosten für einen Rohling mit den Abmessungen 150 x 150 x 25 mm ungefähr 25 Euro betragen, während ABS für Kunststoffe mit ungefähr 17 Euro für einen Rohling derselben Größe die niedrigsten Kosten aufweist. Die physikalischen Eigenschaften eines Materials können die Gesamtkosten der CNC Bearbeitung ebenfalls stark beeinflussen. Zum Beispiel ist Edelstahl viel härter als Aluminium, was die Bearbeitung erschwert und die Gesamtkosten erhöht.
Material | Merkmale |
---|---|
Aluminium 6061 |
Gutes Stärke-Gewicht-Verhältnis
Ausgezeichnete Bearbeitbarkeit
Niedrige Härte
|
Edelstahl 304 |
Ausgezeichnete mechanische Eigenschaften
Ausgezeichnete Korrosions- und Säurebeständigkeit
Relativ schwierig zu bearbeiten
|
Messing C360 |
Hohe Duktilität
Ausgezeichnete Zerspanbarkeit
Hohe Korrosionsbeständigkeit
|
ABS |
Ausgezeichnete Stoßfestigkeit
Gute mechanische Eigenschaften
Anfällig für Lösungsmittel
|
Nylon (PA6 & PA66) |
Ausgezeichnete mechanische Eigenschaften
Hohe Zähigkeit
Schlechte Feuchtigkeitsbeständigkeit
|
POM (Delrin) |
Hohe Steifigkeit
Ausgezeichnete thermische und elektrische Eigenschaften
Relativ spröde
|
Gefräste CNC-Teile werden sichtbare Werkzeugspuren haben. Verschiedene Nachbearbeitungsmethoden können eingesetzt werden, um ihre Oberfläche zu glätten und ihre Verschleiß-, Korrosions- oder Chemikalienbeständigkeit sowie ihr optisches Erscheinungsbild zu verbessern, wie z.B. Eloxieren, Perlstrahlen und Pulverbeschichtung.
Ein Artikel, der die gebräuchlichsten Oberflächenbearbeitungen im CNC-Bereich erklärt, kann hier gefunden werden .
Ein CNC-gefrästes Teil, das eloxiert und blau eingefärbt wurde
Die wichtigsten Vor- und Nachteile des Fertigungsverfahrens sind nachstehend zusammengefasst:
Die wichtigsten Eigenschaften des CNC-Fräsens sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:
CNC Fräsen | |
---|---|
Werkstoffe | Metalle und Kunststoffe |
Maßgenauigkeit |
Typisch: ± 0,125 mm (.005'') Maximum: ± 0,025 mm (.001'') |
Minimale Wanddicke |
Metalle: 0,75 mm (.030'') Kunststoffe: 1,5 mm (.060'') |
Maximale Baugröße |
Fräsen: 2000 x 800 x 100 mm (78'' x 32'' x 40'') Drehen: Ø 500 mm (Ø 20'') |
Vom Prototypenbau bis zur Serienfertigung. Mit unseren 3-Achs-, 3 + 2-Achs- und 5-Achs-Vollfräszentren können Sie hochpräzise und qualitativ hochwertige Teile schnell und günstig herstellen, die auch Ihren strengsten Anforderungen gerecht werden.
Laden Sie Ihre CAD-Datei hoch, erhalten Sie direkt ein kostenloses Sofortangebot sowie eine Analyse zur Herstellbarkeit und bringen Sie Ihre Teile in weniger als 5 Minuten in Produktion. Teile können bereits ab 5 Tagen CNC-gefräst werden.
Mehr Informationen zu allen unseren Leistungen im CNC-Fräsen sowie unseren Vorlaufzeiten und Preisen finden Sie hier.