Was für Maschinentypen gibt es beim Fräsen und warum ist das wichtig?
Bei InstaWerk fertigen wir jeden Tag Dreh- und Frästeile aus den verschiedensten Werkstoffen. Ob Aluminium, Edelstahl, Kunststoffe oder diverse Stähle – unsere Materialauswahl ist groß und was nicht im Online-Konfigurator verfügbar ist, kann man jederzeit über eine klassische E-Mail anfragen. In der Regel beantworten wir Anfragen in wenigen Stunden.
Heute möchten wir jedoch etwas von unserer digitalen Beschaffungsplattform für Metallbauteile Abstand nehmen und zurück zu den Basics gehen: Welche Maschinen gibt es überhaupt für die CNC-Bearbeitung und welche Vor- und Nachteile bringen sie mit sich?
CNC-Bearbeitung: Die unmögliche Klassifikation
Tatsächlich ist die Auswahl an CNC-Maschinen so unermesslich groß, dass sich kaum eine erschöpfende Beschreibung verfassen lässt. CNC-Maschinen zeichnen sich durch ihre Steuerungsarchitektur aus. CNC steht für „Computer Numerical Control“ und beschreibt die Steuerung von Maschinenachsen durch ein Computerprogramm anhand eines Programmcodes.
Entsprechend groß sind die Möglichkeiten der Nutzung von CNC-Steuerungen und die einhergehenden Maschinentypen. Ob Laserschneiden von Blechen, 3D-Drucken von Kunststoffen oder das Erodieren von Bauteilen. In all diesen Maschinen erfolgt eine koordinierte Bewegung von Maschinenachsen zur Darstellung vorgegebener Geometrien.
Wir wollen uns entsprechend dem Hauptfokus von InstaWerk vor allem auf Dreh- und Fräsmaschinen konzentrieren. Auch hier ist die Vielfalt groß, da es neben den unten aufgeführten Standardtypen auch eine Vielzahl von Sondermaschinen oder Maschinen mit kombinatorischen Fähigkeiten gibt. Ein schönes Beispiel sind aktuelle Maschinenentwicklungen, bei denen zunächst Material additiv („3D-gedruckt“) aufgetragen wird und anschließend spanend bearbeitet wird um die Toleranzen zu verbessern oder eine bessere Oberfläche zu erzeugen. Unten findest du ein interessantes Video von der Firma DMG Mori dazu.
Kostengünstig konstruieren ohne Spezialmaschinen
Der Fokus auf die „klassischen Maschinenarchitekturen“ bringt auch einen weiteren Vorteil mit sich: Diese Maschinentypen sind weitverbreitet und in der Anschaffung in der Regel kostengünstiger als Spezialmaschinen. Gerade für Konstrukteure, Designer und Produktentwickler ist es also vorteilhaft, sich bei der Gestaltung ihrer Bauteile stets diese Maschinen vor Augen zu führen. Ist eine Geometrie mit diesen Maschinen herstellbar, entfallen große Kostenblöcke und die Bauteile lassen sich effizient und kostensparend beschaffen.
Der Ansatz in der Konstruktion muss also heißen: „Design to process“. Neben dem Maschinentyp spielen hier gerade beim Fräsen und Drehen auch die Werkzeuge zur spanenden Bearbeitung und Spanmittel eine große Rolle. Auf diese werden wir aber noch in einem späteren Artikel eingehen.
Etwas Arbeit abgenommen haben wir den Konstrukteuren allerdings schon: Wer bei InstaWerk seine Konstruktionsdaten hochlädt, erhält sofort einen Preis, denn der Algorithmus erkennt automatisch, welche Fertigungsverfahren für das Bauteil notwendig sind und berücksichtigt diese in der Preisbildung. Man kann als Bauteilentwickler also während der fortschreitenden Konstruktion immer mal wieder seine kritischen Bauteile hochladen und stets die Kosten im Blick behalten. Aber nun lasst uns einen Blick auf die Fräsmaschinen werfen:
3-Achs-Fräsmaschinen
3-Achsmaschinen sind die einfachsten Formen von Fräsmaschinen. Dabei werden die Halbzeuge auf einer Grundplatte eingespannt und in der Ebene (meistens durch die X- und Y-Achse beschrieben) relativ zum Werkzeug bewegt. Die Höhenachse (Z-Achse) zwischen Werkstück und Werkzeug wird bewegt indem entweder das Werkzeug abgesenkt und angehoben wird, oder der Spanntisch eine Verfahrung in Z-Richtung erlaubt.
Damit eignet sich das 3-Achsfräsen vor allem für einfache Bauteile wie Platten oder stufenartige Bauteile, die alle aus einer Richtung zu bearbeiten sind. Sind mehrere Bearbeitungsrichtungen notwendig, muss man nicht zwingend auf eine komplexere Maschine wechseln. Durch das Umspannen lassen sich sogar auf 3-Achsfräsen komplexere Geometrien realisieren. Allerdings gehen mit dem Umspannen in der Regel auch manuelle Tätigkeiten einher, womit sich dieser Ansatz weniger für Serien eignet, wo man bemüht ist, manuelle Arbeit aus Kostengründen zu reduzieren.
4-Achsfräsen
Genau diese Umspannarbeiten lassen sich durch eine vierte Achse teilweise eliminieren. In der Regel befindet sich die vierte Achse auf dem Spanntisch selber und erlaubt ein Schwenken des Bauteils um eine Achse relativ zum Werkzeug. In diesem Fällen lässt sich der Spanntisch selbst meist nicht in X- und Y-Richtung bewegen. Diese X- und Y- Relativbewegung wird wie auch die Z-Verstellung meistens vom Werkzeug übernommen, um die Bewegung des Spanntisches auf die Schwenkfunktion zu beschränken.
Damit steigt die Umsetzbarkeit komplexerer Geometrien ohne manuellen Umspannaufwand. Selbstverständlich sind die Maschinen – und damit die Maschinenstundensätze und Bauteilkosten – höher als bei 3-Achsmaschinen. Andererseits sind sie günstiger als bei 5-Achsmaschinen, so dass man die 4-Achsmaschine als Zwischenstufe zwischen dem einfachen und günstigen Ansatz des 3-Achsfräsen und des komplexen 5-Achsfräsens sehen kann.
Königsklasse 5-Achsfräsen
Beim 5-Achsfräsen kommen wir schon in die hohe Schule der CNC-Fertigung. Typische Maschinenarchitekturen bestehen entweder aus einem um die X- und Y-Achse schwenkbaren Spanntisch mit drei lateralen Achsfreiheitsgrade am Werkzeuge oder aus schwenkbaren Werkzeugen.
Mit dem 5-Achsfräsen lassen sich auch ausgesprochen komplexe Geometrien wie Rotoren fräsen. Gerade aufgrund der simultanen und koordinierten Bewegung der Achsen lassen sich auch anspruchsvolle Freiformflächen realisieren. Gerade in der Medizintechnik, dem Formenbau, in der Luftfahrt und in der Forschung und Entwicklung werden häufig solche Ansprüche an die Komplexität gestellt. An Werkstoffen lässt sich alles von A wie Aluminium bis Z wie Zinn auf 5-Achsmaschinen fräsen.
Man sollte sich allerdings vor Augen führen, dass gerade die Simultanbewegung der Achsen eine extrem aufwendige CNC-Programmierung benötigt, welche den räumlichen Freiheitsgrad gerecht werden muss. Gerade für geringe Stückzahlen gehen durch die CAD/CAM Planung oftmals höhere Kosten auf die Programmierung zurück als auf die eigentliche Fertigung des Bauteils.
6-Achsfräsen bei Portalfräsen
Bei Portalfräsmaschinen ist auch die Nutzung von sechs bewegbaren Achsen möglich. Hierbei ist der Werkzeugkopf um 3 Achsen schwenkbar und in drei Linearachsen verfahrbar, während das Bauteil im Werkzeugbett gespannt wird. Das Videobeispiel unten zeigt, warum sich dieser Ansatz vor allem für größere Bauteile eignet: Der Werkzeugkopf selbst benötigt viel Raum und schränkt unter Umständen die Erreichbarkeit von Features ein.
Was soll ich nun beim Konstruieren tun?
Natürlich ist es schwierig, die vielfältigen Maschinenarchitekturen beim Konstruieren vor dem Auge zu behalten. Tatsächlich wissen auch die wenigsten Konstrukteure genau, wie ihre Teile mal gefertigt werden, denn sie orientieren sich eher an den Anforderungen an das Bauteil in ihrer eigenen Entwicklung. Trotzdem lohnt es sich, Konstruktionsrichtlinien für CNC-Teile (Alternativ auch hier) zu beachten und in die Konstruktion einfließen zu lassen.
Da es auch viele verschiedene Möglichkeiten zur Umsetzung von Geometrien gibt, hängen die Bauteilkosten final auch von vielen anderen Faktoren, wie zum Beispiel der Auslastung des Fertigers ab. Hier spielt InstaWerk mit seinem Fertigernetzwerk seine Stärke aus. Wir greifen auf umfangreiche Maschinen und Anbeiter zurück und können somit höchste Verfügbarkeit und beste Konditionen garantieren.
InstaWerk berücksichtigt konstruktive und maschinenbezogene Faktoren bei der Online-Kalkulation zuverlässig, so dass man sich beim Konstruieren auf die konstruktiven Anforderungen konzentrieren kann. Daher sollte man immer mal wieder seinen Konstruktionsstand in unserem Kalkulator kostenlos auf die Kosten hin prüfen. Das erspart später teure Überraschungen.
durch unsere digitale Bestellabwicklung und hohe Automatisierung können wir zudem Bauteile zu Bestkonditionen fertigen. Einfach anmelden und ausprobieren. Wir freuen uns auf den Austausch und das erste gemeinsame Projekt!
