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Einführung in das CNC Fräsen

Geschrieben von Alkaios Bournias Varotsis & Thomas Mann

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Einführung in das CNC Fräsen - Was ist CNC Fräsen?

Was ist CNC Fräsen?

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.

Zwei gängige CNC-Bearbeitungssysteme: CNC Fräsen und CNC Drehen

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...

Wie funktioniert das CNC Fräsen?

Schematische Darstellung einer typischen CNC-Fräsmaschine
Schematische Darstellung einer typischen CNC-Fräsmaschine

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:

  1. Zunächst wird das CAD-Modell in eine Reihe von Befehlen umgewandelt, die von der CNC-Maschine interpretiert werden können (G-Code). Dies geschieht in der Regel auf der Maschine durch deren Bediener unter Verwendung der bereitgestellten technischen Zeichnungen.
  2. Dann wird ein Materialblock (Rohling oder Werkstück genannt) zugeschnitten und auf die gebaute Plattform gelegt, entweder mit Hilfe eines Schraubstocks oder durch direkte Montage auf dem Bett. Die genaue Positionierung und Ausrichtung ist der Schlüssel für die Herstellung genauer Teile, und zu diesem Zweck werden häufig spezielle Messwerkzeuge (Messtaster) verwendet.
  3. Als nächstes wird mit speziellen Schneidwerkzeugen, die sich mit sehr hohen Geschwindigkeiten (Tausende von Umdrehungen pro Minute) drehen, Material vom Block entfernt. Zur Herstellung des konstruierten Teils sind oft mehrere Durchgänge erforderlich. Zuerst wird dem Block eine ungefähre Geometrie gegeben, indem Material schnell und mit geringerer Genauigkeit abgetragen wird. Dann werden ein oder mehrere Schlichtdurchgänge verwendet, um das endgültige Teil herzustellen.
  4. Wenn das Modell Merkmale aufweist, die vom Schneidwerkzeug in einer einzigen Aufspannung nicht erreicht werden können (z.B. wenn es einen Schlitz auf der Rückseite hat), muss das Teil gewendet werden, und die oben genannten Schritte werden wiederholt.
Ein typisches mit CNC Fräsen bearbeitetes Teil
Ein typisches CNC Frästeil, hergestellt durch Materialabtrag von einem rechteckigen Rohling

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.

Unterschied zwischen CNC Fräsen und CNC Drehen

Schematische Darstellung einer CNC-Drehmaschine
Schematische Darstellung einer CNC-Drehmaschine

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:

  1. Zunächst wird der G-Code aus dem CAD-Modell generiert und ein Zylinder aus Rohmaterial (Rohling) mit geeignetem Durchmesser in die CNC-Maschine geladen.
  2. Das Teil beginnt sich mit hoher Geschwindigkeit zu drehen, und ein stationäres Schneidwerkzeug zeichnet sein Profil nach, wobei nach und nach Material abgetragen wird, bis die entworfene Geometrie erstellt ist. Mit Hilfe von Zentrierbohrern und Innenschneidwerkzeugen können auch Bohrungen entlang der Mittelachse hergestellt werden.
  3. Wenn das Teil gewendet oder bewegt werden muss, wird der Vorgang wiederholt. Andernfalls wird das Teil aus dem Bestand geschnitten und ist für die Verwendung oder weitere Nachbearbeitung bereit.
Ein typisches mit CNC-Drehen bearbeitetes Teil
Ein typisches CNC-Drehteil, hergestellt durch Materialabtrag von einem zylindrischen Rohling

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.

Maschinenparameter

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.

CNC-Schneidewerkzeuge

Um unterschiedliche Geometrien zu erzeugen, verwenden CNC-Fräsmaschinen unterschiedliche Schneidwerkzeuge. Hier sind einige der am häufigsten verwendeten Fräswerkzeuge in CNC-Maschinen aufgeführt:

Eine Auswahl der gängigsten Schneidwerkzeuge im CNC Fräsen
Eine Auswahl der gängigsten CNC-Schneidwerkzeuge

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:

Geometrische Komplexität & Designbeschränkungen

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 Fräsen

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.

Eigenschaften von CNC Fräsen

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.

Gängige Materialien für das CNC Fräsen

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

Nachbearbeitung & Veredelungen

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-gefraestes Teil, das eloxiert und blau eingefaerbt wurde

Ein CNC-gefrästes Teil, das eloxiert und blau eingefärbt wurde

Vorteile & Nachteile von CNC Fräsen

Die wichtigsten Vor- und Nachteile des Fertigungsverfahrens sind nachstehend zusammengefasst:

Das CNC-Fräsen bietet eine ausgezeichnete Genauigkeit und Wiederholbarkeit und kann Teile mit sehr engen Toleranzen herstellen, was sie ideal für High-End-Anwendungen macht.
CNC-Werkstoffe haben ausgezeichnete und vollständig isotrope physikalische Eigenschaften und eignen sich für die meisten technischen Anwendungen.
CNC ist das kostengünstigste Fertigungsverfahren für die Herstellung geringer bis mittlerer Stückzahlen von Metallteilen (von einmaligen Prototypen bis zu 1000 Stück).

Aufgrund des subtraktiven Charakters des CNC-Fräsens sind bestimmte Geometrien entweder sehr kostspielig oder nicht herstellbar.
Die Einstiegskosten im CNC Fräsen sind im Vergleich zum 3D-Druck hoch, so dass sich CNC weniger für die kostengünstige Herstellung von Prototypen (insbesondere für Kunststoffe) eignet.
Die Vorlaufzeiten im CNC Fräsen (ab 5 Tagen) sind länger als die Vorlaufzeiten des 3D-Drucks (2-5 Tage), da die CNC-Maschinen nicht so weit verbreitet sind, da sie Expertenwissen erfordern, um sie zu opperieren.

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'')

Faustregeln

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