Konstruktionshinweise

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Fräsen ist ein spanendes Fertigungsverfahren, bei dem aus einem festgespannten Rohlingsblock mit einem rotierenden und im Raum bewegten Werkzeug Material entfernt wird. Daher wird es zu den subtraktiven Verfahren gezählt. Die erste Fräsmaschine wurde bereits 1818 in den USA zum Bearbeiten von Holz entwickelt. Die 200-jährige Historie sorgt dafür, dass das Verfahren sehr ausgereift ist und in seine Einsatzmöglichkeiten weit entwickelt sind. Um ein Bauteil effektiv fertigen zu können, benötigen moderne, computergesteuerte CNC-Fräsmaschinen einen fräsgerechten, dreidimensionalen Datensatz des Modells, das in 3D-CAD Programmen wie Catia oder Siemens NX vom Konstrukteur erzeugt wird. Aus diesen Daten wird zunächst ein Bearbeitungsprogramm abgeleitet, das der Maschine die Fräsbahnen, die eingesetzten Fräswerkzeuge und den Rohblock vorgibt. Nach der Bearbeitung wird das Bauteil gereinigt, auf Qualität geprüft und verpackt.

Die Kosten des Fräsens setzen sich zusammen aus dem Rohmaterial, der Einrichtung der Maschine, die eigentliche CNC-Bearbeitung, einer eventuellen Nachbearbeitung und der Logistik. Mehr zum CNC-Fräsen.

CNC-Fräsen ist ein hochflexibles Verfahren mit großer Gestaltungsfreiheit der Bauteile. Gerade für Metallbauteile wird es von Prototypen bis zu größeren Serien eingesetzt

Stückzahlen: Da die Maschine zunächst einmal eingerichtet werden muss, nehmen die Kosten pro Bauteil mit steigender Stückzahl stark ab. Grundsätzlich ist bei kleinen Stückzahlen das Fräsen oftmals die kostengünstigste Fertigungstechnologie, da keine Werkzeuge wie beim Gießen benötigt werden. Bei Prototypen und Vorserien ist das Fräsen die Regel. Auch wenn Verallgemeinerungen aufgrund der Vor- und Nachteile des Verfahrens schwierig sind, kann man bis zu Stückzahlen von 1-200 Stück vom Vorzug des Fräsverfahrens gegenüber anderen Verfahren ausgehen.

Geometrien: Auch hier gilt: Je komplexer das Werkstück, desto teurer wird es. Dabei ist die Möglichkeit auch komplexe, integrale Bauteile umzusetzen allerdings einer der größten Vorteile beim Fräsen. Beim Konstruieren der Bauteile sollte man immer einen einhüllenden Quader und seine Aufliegefläche als Ausgangspunkt für die Fertigung vor Augen haben. Hinterschnitte sind nur äußerst aufwendig im Fräsen herzustellen und sollten vermieden werden.

Funktionsbereiche: Aufgrund der hohen Oberflächengüte und der hohen Toleranzgüte gerade gegenüber dem Gießen, dem 3D-Druck oder dem Schweißen machen Fräsbauteile auch dort Sinn, wo das Bauteil neben der Geometrie auch noch weitere Funktionen erfüllen muss. Dies kann die genaue Ausrichtung von Anbauteilen, die Montage von Dichtungen oder anderen eng tolerierten Teilen über Bohrungen etc. sein.

Kosten: Damit die Kosten beim Fräsen im Rahmen bleiben, sollte „fräsgerecht“ (siehe Abschnitt unten) konstruiert werden. Die Kosten beim Fräsen sind in der Regel deutlich geringer als beim 3D-Druck und auch bei größeren Serien bis ca. 500 Stück günstiger als beim Gießen.

Qualität: Der größte Vorteil beim CNC-Fräsen liegt in der hohen Qualität der Bauteile. Diese lässt sich über den Konfigurator genau spezifizieren. Die spanende Bearbeitung erzeugt höchstqualitative Oberflächen. Darüber hinaus ist die computergesteuerte CNC-Technik hochgenau in der Bearbeitung und durch die digitale Steuerung entstehen nur selten Fehler am Bauteil. Anders als bei additiven Verfahren und beim Gießen gibt es viel weniger Fehlstellen (z.B. Lunker) im Bauteil und auch der Wärmeverzug ist deutlich kleiner als beispielsweise beim Schweißen.

Flexibilität: Gerade da sich das Fräsen besonders für die Prototypenfertigung und kleine Stückzahlen eignet, findet es auch oft dort Anwendung, wo schnell auf Veränderungen reagiert werden muss. Varianten einer Konstruktion sind schnell umgesetzt und lassen sich kostengünstig umsetzen.

Materialen: Für die Bearbeitung durch das CNC-Fräsen sind besonders Metalle und höherfeste Kunststoffe geeignet. Je härter das Material, desto höher der Werkzeugverschleiß und geringer die Produktivität. Daher sind höherfeste Materialien wie Edelstahl neben dem Materialpreis auch in der Bearbeitung teurer.

Nicht immer ist das CNC-Fräsen (oder die on-Demand Fertigung) die richtige Wahl als Fertigungsverfahren.

Sehr kostengünstige Bauteile für Großserien: Die Einrichtung der Fräsmaschine, die Fertigung über hochgenaue Maschinen als Stückteile und die aufwendige Vorbereitung machen das Fräsen zu einem anspruchsvollem, industriellen Verfahren, womit immer ein Kostenblock einhergeht. Der Vorteil bei InstaWerk ist es, dass hier unkompliziert eine Kostenkalkulation durch den Kunden online erfolgen kann. Zielanwendungen sind dabei Prototypen und Kleinserien bis 200 Stück.

Unzureichende Konstruktionskenntnisse: Nicht jede Geometrie lässt sich über das Fräsen auch effizient herstellen (siehe auch „Fräsgerechtes konstruieren“) weiter unten. Um Fräsbauteile effizient zu nutzen sind Kenntnisse des Fräsprozesses, der nutzbaren Werkzeuge und des Fertigungsablaufs (Spannen, Nachbearbeitung) notwendig. Auch wenn wir mit InstaWerk die Möglichkeiten einem breiten Publikum zugänglich machen wollen, ist das Verfahren vor allem für erfahrene Anwender und weniger für Hobbykonstrukteure geeignet.

Schlechte CAD-Modellqualität: Die Steuerung der Fräsmaschinen über den Modellsatz macht es notwendig, dass die Modellerstellung professionell erfolgt und fehlerfreie Daten abgeliefert werden. Geometrische Unstetigkeiten, Artifakte und Modellfehler schließen die Nutzung des Modells im CNC-Fräsen aus. Dies stellt den Bedarf nach einer Modellerstellung mit professioneller CAD Software.

Passungen und Gewinde: Wir kalkulieren in unserem Online-Tool nur DIN-Normgewinde nach DIN 13 (z.B. M5) und Passungen nach DIN ISO 286. Für andersartige Gewinde und Passungen nutzen Sie bitte die Individualanfrage.

Wer fräsgerecht konstruiert spart Zeit und Geld. Mit ein paar wenigen Ratschlägen lässt sich bereits ein gutes Ergebnis erreichen:

Komplexität gering halten: Je simpler die Geometrie, desto besser. Vermeide Freiformflächen und strebe einfache geometrische Strukturen mit konstanter Krümmung oder Rechtwinkligkeit an.

Keine Hinterschnitte: Hinterschnitte sind in der Regel vom Fräswerkzeug nicht zu erreichen und daher zu vermeiden.

Keine dünnwandigen Elemente: Wandstärken unter 1mm neigen zum Schwingen während der Bearbeitung und führen daher – geometrieabhängig – zu Qualitätsabweichungen. Wände daher möglichst dick ausführen.

Keine rechteckigen Innentaschen und Innenecken: Rotiert das Werkzeug bildet es an der Stirnseite einen rotationssymmtrischen Hohlkörper, der beim Fräsen den Span aus dem Rohling abträgt. Entsprechend sind innenliegende, rechteckige Taschen mit innenliegenden Ecken beim Stirnfräsen nicht umsetzbar. Es liegt stets ein Radius vor. Besser man sieht einen entsprechenden Radius gleich in der Konstruktion vor.

Möglichst große Radien nutzen: Größere Radien bedeuten, dass auch mit entsprechend größeren Fräswerkzeugen gearbeitet werden kann, was die Produktivität erhöht.

Stufenarmes, integrales Gestalten: Statt vielen Einzelteilen bietet es sich beim Fräsen an, ein größeres Teil zu fertigen. So ist das Bauteil sowohl schneller zu fertigen als auch bezüglich der Gesamttoleranz hochqualitativer.

Minimale Anzahlung von Aufspannungen: Ein Frästeil muss immer festgespannt werden während es von der Fräsmaschine bearbeitet wird. Jedes Umspannen kostet Zeit und damit Geld. Daher sollten Frästeile bei der Konstruktion möglichst mit einer Spannung bearbeitbar konstruiert werden.

Keine übermäßig tiefen Taschen und Gewinde: Beim Fräsen gilt ein Verhältnis von Tiefe zu Länge des Fräsers von maximal 3:1. Bei Gewinden wird eine Tiefe des dreifachen des Durchmessers angestrebt.

Wer Toleranzen seiner Anwendung entsprechend wählt, kann beim Fräsen unnötige Kosten sparen. Ziel muss es sein, „so gut wie nötig, nicht so gut wie möglich“ mit den Toleranzanforderungen umzugehen. Daher bietet InstaWerk die Möglichkeit unter drei verschiedenen Toleranzklassen von grob über mittel zu fein zu wählen.

Ähnlich wie bei der Toleranz gilt es auch bei der Oberfläche eine der Anwendung entsprechende Oberfläche zu spezifizieren. Zur besseren Einschätzung sind hier entsprechend der Oberflächen einige Anhaltspunkte zur Einordnung gegeben, die jedoch geometrieabhängig leicht abweichen können:

Ra 3,2 – „geschruppt“ – entspr. Rz 25: Dies entspricht einem Bauteil, wie es von der Fräsmaschine kommt. Die Riefen sind fühl- und sichtbar. Die Oberfläche ist jedoch glatt. Diese Oberflächenanforderung wird nicht als Funktionsfläche verwendet (für Dichtungen etwa), eignen sich aber in der Regel als kraft- oder formschlüssig aufeinander liegende Fläche bei der Montage von Bauteilen.

Ra 1,6 – „geschlichtet“ – entspr. Rz 16: Zwar sind bei Ra 1,6 die Riefen noch fühlbar und leicht zu erkennen, die Oberflächen sind aber schon deutlich feiner ausgeführt.

Ra 0,8 – „feingeschlichtet“ – entspr. Rz 6,3: Dies entspricht einer hohen Güte. Wenn das Bauteil einen Lagersitz, Dichtflächen oder die Montage von Stiften benötigt, gilt Ra 0,8 als ausreichend. Riefen sind nur noch kaum noch zu erkennen.

Technische Zeichnungen dienen der Kommunikation zwischen Konstrukteur und dem Fertiger. Bei InstaWerk dienen sie dazu, dem Fertiger aufzuzeigen, an welchen Stellen Gewinde sitzen und wo eine Passung vorzusehen ist. Sollten Angaben zu Material, Passungs-und/oder Gewindeanzahl nicht mit der Zeichnung übereinstimmen, müssen wir die Bestellung des Teils leider ändern, da die Preiskalkulation auf diese Merkmale aufsetzt.

Damit wir den Fräsauftrag annehmen können, müssen ein paar Anforderungen an das Bauteil und die Daten erfüllt sein. Dies sind im Einzelnen:

Fräsgerechte Konstruktion: Bauteil ist spannbar, bearbeitbar und geometrisch umsetzbar. Siehe hierzu bitte auch unsere Hinweise zum fräsgerechten Konstruieren.

Bauteildaten liegen als 3D-CAD Modell im STEP-Format vor. Die Modelldaten dürfen keine Zusammenbauten aus mehreren Teilen beinhalten und mit einer eindeutigen Bauteilbezeichnung versehen sein, die mit der technischen Zeichnung übereinstimmt. Der Maßstab muss zudem 1:1 betragen und im Einheitensystem mm angelegt sein.

Das Teil muss für die Online-Kalkulation mindestens 4 x 4 x 4 mm und maximal 750 x 750 x 750 mm groß sein.

Einsatzbereich: Ausgeschlossen sind Funktionsbauteilen in Fahrzeugen und Maschinen aller Art, Maschinenteile oder lasttragende, sicherheitsrelevante Bauteile. Solche Bauteile erfordern eine spezielle Erprobung und Zertifizierung, die nicht erbracht werden kann.