Was ist CNC-Bearbeitung?

Die CNC-Bearbeitung ist heute die am weitesten verbreitete subtraktive Fertigungstechnologie und eine äußerst flexible und robuste Methode zur Herstellung kundenspezifischer Metall- und Kunststoffteile. Anhand von CAD-Modellen tragen CNC-Maschinen mit einer Vielzahl von Schneidwerkzeugen präzise Material von einem massiven Block ab.

Insgesamt produziert die CNC-Bearbeitung Teile mit engen Toleranzen und beeindruckenden Materialeigenschaften. Aufgrund seiner hohen Wiederholgenauigkeit eignet es sich für Einzelaufträge und die Produktion kleiner bis mittlerer Stückzahlen (bis zu 1.000 Teile). Es gibt jedoch mehr Designeinschränkungen als beim 3D-Druck , teilweise dank der subtraktiven Natur der Technologie.

In diesem Einführungsleitfaden geben wir Ihnen einen Überblick über die Grundprinzipien der Technologie und wie diese mit den wichtigsten Vorteilen und Einschränkungen zusammenhängen. Wir erklären auch die wichtigsten Unterschiede zwischen den beiden wichtigsten CNC-Maschinenkonfigurationen:Fräsen und Drehen.

CNC-Bearbeitung:Der Leitfaden für Fertigung und Design

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Wie funktioniert die CNC-Bearbeitung? Reden wir über Fräsen und Drehen

Die zwei Haupttypen von CNC-Bearbeitungssystemen (Computer Numerical Control) sind Fräsen und Drehen . Aufgrund der Eigenschaften jedes Maschinentyps sind Fräsen und Drehen jeweils einzigartig geeignet, um unterschiedliche Geometrien herzustellen.

Sehen wir uns an, wie Teile mit diesen beiden unterschiedlichen Maschinenkonfigurationen hergestellt werden.

Wie funktioniert CNC-Fräsen?

CNC-Fräsen ist die beliebteste CNC-Maschinenarchitektur. Tatsächlich ist der Begriff CNC-Fräsen oft gleichbedeutend mit CNC-Bearbeitung. CNC-Fräsmaschinen verwenden rotierende Schneidwerkzeuge, um Material von einem auf dem Maschinenbett montierten Teil zu entfernen.

Die meisten CNC-Frässysteme haben 3 lineare Freiheitsgrade:die X-, Y- und Z-Achse. Fortgeschrittenere Systeme haben 5 Bearbeitungsfreiheitsgrade über die Drehung des Betts und/oder des Werkzeugkopfs (A- und B-Achse). 5-Achsen-Maschinen können Teile mit hoher geometrischer Komplexität herstellen und können die Notwendigkeit mehrerer Maschinenschritte eliminieren.

Hier ist ein Überblick darüber, wie eine CNC-Fräsmaschine ein CAD-Modell in ein benutzerdefiniertes Teil verwandelt.

• Der Bediener wandelt ein CAD-Modell in eine Reihe von Befehlen um, die von der CNC-Maschine interpretiert werden (G-Code).

• Ein Materialblock – dies wird als Rohling oder Werkstück bezeichnet – wird zugeschnitten und auf der Bauplattform platziert, entweder mit einem Schraubstock oder durch direkte Befestigung auf dem Bett.

• Es ist wichtig, das Werkstück genau zu positionieren und auszurichten, um präzise Teile herzustellen. Zur Positionierung und Ausrichtung können Sie spezielle messtechnische Hilfsmittel (Messtaster) verwenden.

• Spezialisierte Schneidwerkzeuge, die sich mit sehr hohen Drehzahlen (Tausende U/min) drehen, entfernen Material vom Block. Erstens entfernt die Maschine Material schnell mit einer geringeren Genauigkeit, um eine ungefähre Geometrie zu erreichen. Dann sind einige Durchgänge mit höherer Genauigkeit erforderlich, um das endgültige Teil herzustellen.

• Wenn das Modell Merkmale aufweist, die mit dem Schneidwerkzeug in einer einzigen Einrichtung nicht erreicht werden können, muss der Bediener das Werkstück umdrehen und diese Schritte wiederholen.

Nach der Bearbeitung müssen Sie ein Frästeil entgraten. Entgraten ist der manuelle Prozess, bei dem kleine Fehler von einem fertigen Teil entfernt werden. Diese Defekte, die im Allgemeinen an scharfen Kanten zu finden sind, stammen von Materialverformungen während der Bearbeitung. Wenn beispielsweise ein Bohrer auf der anderen Seite eines Durchgangslochs austritt, hinterlässt er Fehler, die entfernt werden müssen.

Als Nächstes möchten Sie die kritischen Abmessungen des Teils überprüfen, wenn in der technischen Zeichnung Toleranzen angegeben wurden. Nachdem Sie diesen Schritt abgeschlossen haben, ist Ihr Teil bereit für die Verwendung oder Nachbearbeitung . Es gibt viel zu entdecken, wenn es um die Nachbearbeitung von CNC-bearbeiteten Teilen (gefräst und gedreht) geht, daher empfehlen wir, Ihr Wissen aufzufrischen und/oder zu verbessern.

Wie funktioniert CNC-Drehen?

CNC-Drehmaschinen verwenden stationäre Schneidwerkzeuge, um Material von einem Teil zu entfernen, das auf einem rotierenden Spannfutter montiert ist. Dies ist ein idealer Weg, um Teile mit Symmetrie entlang ihrer Mittelachse herzustellen. Drehteile werden in der Regel schneller und kostengünstiger produziert als Frästeile.

Typischerweise werden CNC-Drehsysteme – auch bekannt als Drehmaschinen – verwendet, um zylindrische Teile herzustellen. Moderne mehrachsige CNC-Drehzentren, die mit CNC-Fräswerkzeugen ausgestattet sind, können nicht zylindrische Teile herstellen. Diese Anlagen kombinieren die hohe Produktivität des CNC-Drehens mit den Möglichkeiten des CNC-Fräsens und können eine sehr große Bandbreite an Geometrien mit Rotationssymmetrie herstellen, wie z. B. Nockenwellen und Radialverdichterlaufräder.

Hier ist ein Überblick darüber, wie eine CNC-Drehmaschine Teile herstellt.

• Der Bediener generiert einen G-Code aus einem CAD-Modell und belädt die Maschine mit einem Zylinder aus Rohmaterial (Rohling).

• Das Teil beginnt sich mit hoher Geschwindigkeit zu drehen und ein stationäres Schneidwerkzeug zeichnet ein Profil nach und entfernt nach und nach Material, bis Sie die entworfene Geometrie haben.

• Innenschneidwerkzeuge und Zentrierbohrer können verwendet werden, um Löcher entlang der Mittelachse des Werkstücks zu schneiden.

• Wenn Sie das Teil umdrehen oder verschieben müssen, müssen Sie diesen Vorgang wiederholen. Andernfalls sollte das Teil nach dem Abschneiden des Materials zur Verwendung oder weiteren Nachbearbeitung bereit sein.

Da die Grenze zwischen CNC-Fräs- und Drehsystemen tendenziell fließend ist, konzentriert sich der Rest dieses Leitfadens hauptsächlich auf das CNC-Fräsen, da dies das am häufigsten verwendete Herstellungsverfahren ist.

Eine Kurzanleitung zu CNC-Bearbeitungsparametern

Die meisten Bearbeitungsparameter werden vom Maschinenbediener bestimmt, wenn er den G-Code generiert. Die Hauptparameter, die wir abdecken möchten, sind die Baugröße und Genauigkeit von CNC-Maschinen.

CNC-Maschinen haben eine relativ große Baufläche, insbesondere im Vergleich zu 3D-Druckern. CNC-Frässysteme können Teile mit Abmessungen von bis zu 2.000 x 800 x 100 mm (78" x 32" x 40") bearbeiten, während CNC-Drehsysteme Teile mit einem Durchmesser von bis zu Ø 500 mm (Ø 20') bearbeiten können. ').

Mit der CNC-Bearbeitung können Sie Teile mit hoher Genauigkeit und engen Toleranzen herstellen. CNC-Maschinen können sogar Toleranzen von weniger als dem halben Durchmesser eines durchschnittlichen menschlichen Haares erreichen (± 0,025 mm oder 0,001 Zoll). Wenn in der technischen Zeichnung keine Toleranz angegeben ist, bearbeitet ein Bediener das Teil normalerweise mit einer Genauigkeit von 0,125 mm (0,005 Zoll).

Welches sind die gängigsten Schneidwerkzeuge für die CNC-Bearbeitung?

Um eine Vielzahl von Geometrien zu erstellen, verwenden CNC-Maschinen viele verschiedene Schneidwerkzeuge. Hier sind einige der am häufigsten verwendeten Bearbeitungswerkzeuge zum Fräsen.  

Der Flachkopf , Stierkopf und Kugelkopf Werkzeuge werden verwendet, um Schlitze, Nuten, Hohlräume und andere vertikale Wände zu bearbeiten. Da sie jeweils unterschiedliche geometrische Fähigkeiten haben, können sie viele verschiedene Arten von Merkmalen bearbeiten. Kugelkopfwerkzeuge werden auch häufig in der 5-Achs-CNC-Bearbeitung verwendet, um Oberflächen mit Krümmungen und Freiformgeometrien herzustellen.

Übungen sind natürlich das am häufigsten verwendete Werkzeug, um Löcher schnell und effizient zu erstellen. Alle gängigen Bohrergrößen finden Sie hier . Um Löcher mit nicht standardmäßigen Durchmessern zu erstellen, können Sie einen flachen Einstechkopf verwenden Werkzeug (einer spiralförmigen Bahn folgend).

Der Schaftdurchmesser von Schlitzfräsern ist kleiner als der Durchmesser ihrer Schneidkante, wodurch diese Fräswerkzeuge T-Nuten und andere Hinterschneidungen schneiden können, indem Material von den Seiten einer vertikalen Wand entfernt wird.

Gewindebohrer dienen zur Herstellung von Gewindebohrungen. Um ein Gewinde zu erzeugen, ist eine präzise Steuerung der Rotations- und Lineargeschwindigkeit des Gewindebohrers erforderlich. Maschinenwerkstätten verlassen sich im Allgemeinen immer noch auf manuelles Gewindebohren.

Planfräser werden verwendet, um Materialien von großen, flachen Oberflächen zu entfernen. Sie haben einen größeren Durchmesser als Schaftfräser und erfordern daher weniger Durchgänge zur Bearbeitung größerer Bereiche. Dies reduziert die Gesamtbearbeitungszeit für die Herstellung von Teilen mit ebenen Oberflächen. Die Bediener führen während des Bearbeitungszyklus häufig einen Planfrässchritt durch, um die Abmessungen des Blocks vorzubereiten

Sie finden ein ebenso umfangreiches Sortiment an Zerspanungswerkzeugen für das CNC-Drehen, die alle Ihre Bearbeitungsanforderungen wie Planschneiden, Gewindeschneiden und Nutschneiden abdecken.

CNC-Bearbeitung von Teilen mit geometrischer Komplexität:was sind die Designbeschränkungen?

Während die CNC-Bearbeitung beeindruckende Gestaltungsfreiheit bietet , Dreh- und Fräsmaschinen können nicht jede Geometrie herstellen. Anders als beim 3D-Druck gilt:Je komplexer das Design, desto teurer die maschinelle Bearbeitung. Dies liegt an den zusätzlichen Schritten, die für komplexere Teile erforderlich sind.

Die Hauptbeschränkungen im Zusammenhang mit der CNC-Bearbeitung haben mit der Geometrie jedes einzelnen Schneidwerkzeugs zu tun. Die Geometrie des Werkzeugs bestimmt die Radien eines Teils, und die meisten CNC-Schneidwerkzeuge sind zylindrisch geformt und haben eine begrenzte Schnittlänge. Diese Faktoren machen scharfe Innenecken besonders herausfordernd.

Der Zugang zu Werkzeugen ist eine weitere große Einschränkung bei der CNC-Bearbeitung. Beispielsweise können 3-Achs-Systeme nur eine gewisse Teilekomplexität erreichen. Wenn Sie für eine 3-Achsen-Maschine konstruieren, können Sie auf alle Teilemerkmale nur direkt von oben zugreifen. 5-Achsen-Systeme bieten überlegene Flexibilität, da der Winkel zwischen dem Teil und dem Werkzeug angepasst werden kann, um Zugang zu schwieriger zu erreichenden Bereichen des Werkstücks zu erhalten.

Außerdem sind Teile mit dünnen Wänden oder anderen feinen Merkmalen für CNC-Maschinen besonders schwierig. Dünne Wände sind anfällig für Vibrationen und können durch die Kraft beim Drehen oder Fräsen brechen. Wir empfehlen, Metallteile mit einer Mindestwandstärke von 0,8 mm und Kunststoffteile mit einer Wandstärke von 1,5 mm auszuführen.

Zu verstehen, wie komplex Sie Ihr Teil für verschiedene Maschinentypen entwerfen können und welche Einschränkungen zu beachten sind, ist entscheidend, um sicherzustellen, dass Ihre Teile wie entworfen und mit dem gewünschten Qualitätsstandard geliefert werden. Weitere Richtlinien dazu, wie Ihnen das Design bei der CNC-Bearbeitung viel Zeit und Geld sparen kann, finden Sie in diesem Artikel .

Was sind die Merkmale der CNC-Bearbeitung?

Eine wesentliche Stärke der CNC-Bearbeitung ist ihre Fähigkeit, robuste Teile aus einer sehr großen Auswahl an Materialien dauerhaft herzustellen. CNC-Maschinen können so ziemlich jedes technische Material verarbeiten .

Im Gegensatz zum 3D-Druck haben durch CNC-Bearbeitung hergestellte Teile vollständig isotrope physikalische Eigenschaften, die mit den Eigenschaften des Rohmaterials, aus dem sie bearbeitet wurden, identisch sind.

Die CNC-Bearbeitung umfasst überwiegend Metalle sowohl für Prototypen als auch für größere Produktionsserien. Es ist im Allgemeinen schwieriger, Kunststoffe zu bearbeiten, da sie eine geringere Steifigkeit und Schmelztemperatur aufweisen, obwohl ein häufiger Anwendungsfall, in dem wir den Vorteil sehen, die CNC-Bearbeitung von Funktionsprototypen aus Kunststoff ist, bevor mit Spritzguss in größerem Maßstab produziert wird .

Wie viel kosten CNC-Bearbeitungsmaterialien?

Es gibt eine Menge Materialien für die CNC-Bearbeitung, was bedeutet, dass die Kosten zwischen den Materialien ziemlich unterschiedlich sind. Jedes Material hat einen anderen Preis und die physikalischen Eigenschaften jedes Materials beeinflussen die Gesamtkosten der Bearbeitung.

Aluminium 6061 ist die wirtschaftlichste Option, wenn Sie sich für die Herstellung von Metallteilen entscheiden, mit ungefähren Massenkosten von 25 $ für einen Rohling mit Abmessungen von 150 x 150 x 25 mm. ABS ist die billigste Option und kostet ungefähr 17 $ für einen Rohling der gleichen Größe. Und in Bezug darauf, wie sich die einfache Bearbeitung auf die Kosten auswirkt, ist Edelstahl ein gutes Beispiel. Es ist viel härter als Aluminium und daher schwieriger zu bearbeiten, was die Gesamtkosten erhöht.

Hier ist ein umfassender Überblick über die beliebtesten Materialien, die wir auf der Hubs-Plattform anbieten, und ihre wichtigsten Eigenschaften.

Material	Eigenschaften	Kostenvergleich
Aluminium 6061	Gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, hervorragende Bearbeitbarkeit, geringe Härte	$
Edelstahl 304	Hervorragende mechanische Eigenschaften, korrosions- und säurebeständig, relativ schwierig zu bearbeiten	$$$
Messing C360	Hohe Duktilität, hervorragende Bearbeitbarkeit, gute Korrosionsbeständigkeit	$$
ABS	Hervorragende Schlagzähigkeit, gute mechanische Eigenschaften, anfällig für Lösungsmittel	$$
Nylon (PA6 &PA66)	Ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, hohe Zähigkeit, geringe Feuchtigkeitsbeständigkeit	$$
POM (Delrin)	Hohe Steifigkeit, hervorragende thermische und elektrische Eigenschaften, relativ spröde	$$

Wie kann ich mehr über Materialien für die CNC-Bearbeitung erfahren?

Es gibt viel zu lernen über alle Materialien, die Hubs für die CNC-Bearbeitung anbietet. Sehen Sie sich diese spezialisierten Videos an, die auf unserem Youtube-Kanal verfügbar sind, um einen tiefen Einblick in einzelne Materialien oder Materialsätze zu erhalten.

Nachbearbeitung und Oberflächenveredelung für die CNC-Bearbeitung

CNC-bearbeitete Teile, die direkt von der Maschine kommen, weisen im Allgemeinen sichtbare Werkzeugspuren auf, was je nach Ihren Teileanforderungen nicht immer wünschenswert ist. Es gibt viele Nachbearbeitungsmethoden, die verwendet werden können, um das Aussehen der Oberfläche eines Teils zu verbessern und seine Verschleiß-, Korrosions- und Chemikalienbeständigkeit zu erhöhen. Eloxieren, Perlstrahlen und Pulverbeschichten sind praktikable Methoden zur Veredelung Ihrer kundenspezifischen Teile.

Da dies ein eher allgemeiner Leitfaden ist, gehen wir nicht näher auf Nachbearbeitung und Oberflächenveredelung ein. In diesem praktischen Erklärer können Sie die gebräuchlichsten Techniken und Oberflächenbehandlungen für die CNC-Bearbeitung erkunden .

Was sind die Vor- und Nachteile der CNC-Bearbeitung?

Während die CNC-Bearbeitung ein praktikabler und sogar idealer Herstellungsprozess für viele Anwendungen ist, die vom Prototyping bis zur mittelgroßen Produktion von Endverbrauchsteilen reichen, ist sie nicht ohne Mängel. In diesem Abschnitt behandeln wir die Vorteile und Einschränkungen dieses subtraktiven Bearbeitungsprozesses.

Die CNC-Bearbeitung bietet eine hervorragende Genauigkeit und Wiederholbarkeit. Sowohl beim Fräsen als auch beim Drehen können Teile mit sehr engen Toleranzen hergestellt werden, was CNC ideal für High-End-Anwendungen wie in der Luft- und Raumfahrt, der Luftfahrt und der Automobilindustrie macht. Die meisten Materialien, die in der CNC-Bearbeitung verwendet werden, haben hervorragende und vollständig isotrope physikalische Eigenschaften und sind für die meisten technischen Anwendungen geeignet.

Im Allgemeinen ist die CNC-Bearbeitung das kostengünstigste Herstellungsverfahren für die Herstellung von Metallteilen in geringen bis mittleren Stückzahlen. Das bedeutet, dass Sie CNC für einzelne Prototypen oder für die Produktion von bis zu 1.000 Einheiten verwenden können.

Während diese Vorteile die CNC-Bearbeitung zu einer attraktiven Option für Ingenieure machen, macht die subtraktive Natur der Technologie bestimmte komplexere Geometrien sehr kostspielig oder sogar unmöglich herzustellen.

Aus finanzieller Sicht sind die Anlaufkosten der CNC-Bearbeitung viel höher als beim 3D-Druck. Wenn Sie kostengünstige Prototypen aus Kunststoff herstellen möchten, ist der 3D-Druck möglicherweise die bessere Option, wenn es um die Einrichtung geht.

Die Vorlaufzeiten für die CNC-Bearbeitung sind tendenziell auch länger als für den 3D-Druck, da die durchschnittliche Vorlaufzeit für CNC 10 Tage beträgt, verglichen mit den viel kürzeren 2-5 Tagen für den 3D-Druck. CNC-Maschinen sind nicht so weit verbreitet wie 3D-Drucker, da sie mehr Expertenwissen erfordern, um effektiv zu arbeiten.

Was sind die Faustregeln von Hubs für die CNC-Bearbeitung?

Lassen Sie uns die wichtigsten Parameter aufschlüsseln, die für die CNC-Bearbeitung von kundenspezifischen Metall- und Kunststoffteilen zu berücksichtigen sind.

CNC-Schlüsselparameter	Was Hubs sagt
Maßgenauigkeit	Typisch:± 0,125 mm (0,005 Zoll) Maximum:± 0,02 mm (0,0008 Zoll)
Mindestwandstärke	Metalle:0,75 mm (0,030") Kunststoffe:1,5 mm (0,060")
Maximale Build-Größe	Fräsen:2000 x 800 x 100 mm (78’’ x 32’’ x 40’’) Drehen:Ø 500 mm (Ø 20’’)

Häufig gestellte Fragen

Was ist die beste Anwendung der CNC-Bearbeitung?

Die CNC-Bearbeitung ist ideal für einmalige Fertigungsaufträge und für die Produktion kleiner bis mittlerer Stückzahlen von mehreren hundert bis 1000 Teilen. Wir empfehlen die CNC-Bearbeitung zur Herstellung Ihrer Metallprototypen, da dies die preisgünstigste Option ist. Außerdem sollten Sie sich für die CNC-Bearbeitung entscheiden, wenn Ihre Teile sehr enge Toleranzen aufweisen müssen.

Was sind die gebräuchlichsten Schneidwerkzeuge für die CNC-Bearbeitung?

CNC-Maschinen verwenden eine Vielzahl von Schneidwerkzeugen, um ein breiteres Spektrum an Teilegeometrien zu erreichen. Zu diesen Werkzeugen gehören Bohrer, Schlitzfräser, Gewindebohrer, Stirnfräser und Flachkopf-, Halbrund- und Kugelkopfwerkzeuge.

Welche Branchen nutzen die CNC-Bearbeitung am häufigsten?

Die CNC-Bearbeitung ist ein weit verbreitetes subtraktives Fertigungsverfahren. Eine große Anzahl von Branchen verlässt sich auf CNC, darunter Luft- und Raumfahrt, Automobil, Luftfahrt, Transport und andere integrale Sektoren. Flugzeugteile beispielsweise müssen mit höchster Präzision gefertigt werden, damit die gesamte Maschine wie geplant einwandfrei funktioniert.

Ist die CNC-Bearbeitung vollständig automatisiert?

Die CNC-Bearbeitung ist größtenteils automatisiert und auf vorprogrammierte Software angewiesen. CAD-Software legt die Abmessungen eines Teils fest, die CNC-Maschinen verwenden, um physische Teile herzustellen. Im Allgemeinen ist nur sehr wenig menschliches Eingreifen erforderlich, obwohl einige komplexe Prozesse möglicherweise einen zusätzlichen Satz manueller Hände erfordern, wenn das Teiledesign einzigartig komplex ist. Insgesamt macht die nahezu vollständige Automatisierung die CNC-Bearbeitung zu einem wiederholbaren, vertrauenswürdigen Fertigungsprozess.