CNC-Bearbeitung: Präzisionsfertigung für Metall- & Kunststoffteile

CNC-Bearbeitung (Computerized Numerical Control) ist heute die gängigste subtraktive Fertigungstechnologie und eine äußerst flexible und robuste Methode zur Herstellung kundenspezifischer Metall- und Kunststoffteile. Anhand von CAD-Modellen entfernen CNC-Maschinen präzise Material aus einem massiven Block (Rohling) mittels verschiedener Schneidwerkzeuge.

Insgesamt produziert CNC-Bearbeitung Teile mit engen Toleranzen und beeindruckenden Materialeigenschaften. Sie eignet sich für Einzelaufträge und kleine bis mittlere Serien (bis 1.000 Teile) dank hoher Wiederholgenauigkeit. Allerdings bringt sie mehr Designrestriktionen mit sich als 3D-Druck, bedingt durch den subtraktiven Charakter der Technologie.

In diesem Einführungsleitfaden geben wir einen Überblick über die Grundprinzipien der Technologie und deren Beziehung zu wesentlichen Vorteilen und Limitationen. Zudem erklären wir die zentralen Unterschiede zwischen den zwei Haupt-CNC-Maschineneinrichtungen: Fräsen und Drehen.

Wie funktioniert CNC-Bearbeitung? Fräsen und Drehen im Detail

Die zwei Haupttypen von CNC-Bearbeitungssystemen sind Fräsen und Drehen. Aufgrund der Eigenschaften jedes Maschinentyps sind Fräsen und Drehen jeweils einzigartig ideal für die Herstellung unterschiedlicher Geometrien.

Sehen wir uns an, wie Teile mit diesen zwei distincten Maschineneinrichtungen gefertigt werden.

Wie funktioniert CNC-Fräsen?

CNC-Fräsen ist die beliebteste CNC-Maschinenarchitektur. Tatsächlich wird der Begriff CNC-Fräsen oft synonym mit CNC-Bearbeitung verwendet. CNC-Fräsmaschinen nutzen rotierende Schneidwerkzeuge, um Material von einem auf dem Maschinentisch montierten Werkstück zu entfernen.

Die meisten CNC-Fräsysteme verfügen über 3 lineare Freiheitsgrade: X-, Y- und Z-Achse. Fortgeschrittene Systeme bieten 5 Freiheitsgrade durch Rotation des Tisches und/oder des Werkzeugkopfs (A- und B-Achsen). 5-Achs-Maschinen können Teile mit hoher geometrischer Komplexität fertigen und die Notwendigkeit mehrerer Bearbeitungsschritte eliminieren.

Hier ist ein Überblick, wie eine CNC-Fräsmaschine ein CAD-Modell in ein kundenspezifisches 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 – Rohling oder Werkstück genannt – wird auf Maß geschnitten und auf der Bauplattform fixiert, mittels Spannzange oder direkter Montage auf dem Tisch.

• Die präzise Positionierung und Ausrichtung des Werkstücks ist entscheidend für genaue Teile. Spezielle Messtastsysteme (Tastköpfe) können dabei helfen.

• Spezialisierte Schneidwerkzeuge, die mit sehr hohen Drehzahlen (tausende U/min) rotieren, entfernen Material vom Block. Zunächst wird Material schnell bei geringerer Genauigkeit abgetragen, um eine approximative Geometrie zu erreichen. Anschließend folgen wenige hochpräzise Fahrten für das Endteil.

• Wenn das Modell Merkmale aufweist, die das Schneidwerkzeug in einer einzigen Aufspannung nicht erreichen kann, muss der Bediener das Werkstück umspannen und die Schritte wiederholen.

Nach der Bearbeitung muss ein gefrästes Teil entgratet werden. Entgraten ist der manuelle Prozess, kleine Mängel an einem fertigen Teil zu entfernen. Diese Mängel, meist an scharfen Kanten, entstehen durch Materialverformung während der Bearbeitung. Beispiel: Wenn ein Bohrer die Rückseite eines Durchgangslochs verlässt, hinterlässt er Beschädigungen, die entfernt werden müssen.

Anschließend sollten die kritischen Maße des Teils geprüft werden, wenn Toleranzen in der technischen Zeichnung spezifiziert wurden. Nach diesem Schritt ist Ihr Teil einsatzbereit oder für Nachbearbeitung. Zum Thema Nachbearbeitung bei CNC-gefertigten Teilen (gefräst und gedreht) gibt es viel zu entdecken – wir empfehlen, Ihr Wissen aufzufrischen oder zu vertiefen.

Wie funktioniert CNC-Drehen?

CNC-Drehmaschinen verwenden stationäre Schneidwerkzeuge, um Material von einem rotierend eingespannten Werkstück abzutragen. Dies ist ideal für die Herstellung von Teilen mit Symmetrie entlang ihrer Mittelachse. Gedrehte Teile werden typischerweise schneller und kostengünstiger hergestellt als gefräste Teile.

Typischerweise werden CNC-Drehsysteme – auch Drehbänke genannt – für zylindrische Teile eingesetzt. Moderne Mehr-Achs-Drehzentren, ausgestattet mit CNC-Fräswerkzeugen, können auch nicht-zylindrische Teile fertigen. Diese Systeme kombinieren die hohe Produktivität des CNC-Drehens mit den Fähigkeiten des CNC-Fräsens und können eine sehr große Bandbreite an Geometrien mit Rotationssymmetrie herstellen, wie Nockenwellen und radiale Verdichterlaufräder.

Hier ist ein Überblick, wie eine CNC-Drehmaschine Teile fertigt:

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

• Das Teil rotiert mit hoher Geschwindigkeit, und ein stationäres Schneidwerkzeug fährt ein Profil ab, entfernt schrittweise Material, bis die geplante Geometrie erreicht ist.

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

• Wenn das Teil umgespannt oder verschoben werden muss, muss der Prozess wiederholt werden. Andernfalls ist das Teil nach Abschluss der Materialabtragung einsatzbereit oder für weitere Nachbearbeitungsschritte vorbereitet.

Da die Grenze zwischen CNC-Fräs- und Drehsystemen verschwimmt, konzentriert sich der Rest dieses Leitfadens hauptsächlich auf CNC-Fräsen, da es der häufiger verwendete Fertigungsprozess ist.

Kurzübersicht: CNC-Bearbeitungsparameter

Die meisten Bearbeitungsparameter werden vom Maschinenbediener bei der G-Code-Generierung festgelegt. Die wichtigsten Parameter sind Baugröße und Genauigkeit von CNC-Maschinen.

CNC-Maschinen verfügen über einen relativ großen Bauraum, besonders im Vergleich zu 3D-Druckern. CNC-Fräsysteme können Teile mit Abmessungen bis zu 2.000 x 800 x 100 mm (78" x 32" x 40") bearbeiten, CNC-Drehsysteme Teile mit einem Durchmesser bis zu Ø 500 mm (Ø 20'').

Mit CNC-Bearbeitung lassen sich Teile mit hoher Genauigkeit und engen Toleranzen fertigen. CNC-Maschinen können Toleranzen von weniger als halb dem Durchmesser eines menschlichen Haares erreichen (± 0,025 mm oder .001''). Wenn keine Toleranz in der technischen Zeichnung angegeben ist, bearbeitet der Bediener das Teil typischerweise mit einer Genauigkeit von 0,125 mm (.005'').

Welche sind die gängigsten Schneidwerkzeuge für CNC-Bearbeitung?

Um eine breite Palette an Geometrien zu erzeugen, nutzen CNC-Maschinen viele verschiedene Schneidwerkzeuge. Hier sind einige der am häufigsten verwendeten Werkzeuge für das Fräsen:

Die Flachfräser, Torusfräser und Kugelfräser werden für Nuten, Taschen, Kavitäten und vertikale Wände eingesetzt. Aufgrund ihrer unterschiedlichen geometrischen Fähigkeiten können sie viele verschiedene Merkmale bearbeiten. Kugelfräser werden auch häufig in der 5-Achs-CNC-Bearbeitung verwendet, um gekrümmte und Freiformoberflächen zu fertigen.

Bohrer sind das gängigste Werkzeug, um Bohrungen schnell und effizient zu erstellen. Alle Standardbohrergrößen finden Sie hier. Für Bohrungen mit nicht-standardmäßigen Durchmessern kann ein Eintauchfräser (auf Helixpfad) verwendet werden.

Der Schaftdurchmesser von Nutenfräsern ist kleiner als ihr Schneidkanten-Durchmesser, was es ermöglicht, T-Nuten und andere Unterschnitte zu fräsen, indem Material von den Seiten einer vertikalen Wand entfernt wird.

Gewindebohrer dienen zur Herstellung von Gewindebohrungen. Für ein Gewinde ist präzise Kontrolle von Dreh- und Vorschubgeschwindigkeit erforderlich. Werkstätten greifen oft noch auf manuelles Gewindeschneiden zurück.

Plattenfräser werden zum Entfernen von Material von großen, flachen Flächen eingesetzt. Sie haben einen größeren Durchmesser als Schaftfräser und benötigen weniger Fahrten für große Flächen, was die Gesamtbearbeitungszeit für Teile mit flachen Oberflächen reduziert. Bediener führen oft einen Plattenfrässchritt im Bearbeitungszyklus durch, um die Blockabmessungen vorzubereiten.

Für CNC-Drehen gibt es eine ebenso umfangreiche Palette an Schneidwerkzeugen, die alle Bearbeitungsbedürfnisse wie Plandrehen, Gewindeschneiden und Nutenstechen abdecken.

CNC-Bearbeitung geometrisch komplexer Teile: Welche Designrestriktionen gelten?

Während CNC-Bearbeitung beeindruckende Designfreiheit bietet, können Fräs- und Drehmaschinen nicht jede Geometrie fertigen. Anders als beim 3D-Druck: Je komplexer das Design, desto höher die Fertigungskosten. Dies liegt an den zusätzlichen Schritten für komplexere Teile.

Die Hauptbeschränkungen hängen mit der Geometrie jedes einzelnen Schneidwerkzeugs zusammen. Die Werkzeuggeometrie bestimmt die Radien eines Teils, und die meisten CNC-Schneidwerkzeuge sind zylindrisch geformt und haben eine begrenzte Schneidlänge. Diese Faktoren machen scharfe innere Ecken besonders herausfordernd.

Werkzeugzugang ist eine weitere große Einschränkung. 3-Achs-Systeme können nur ein bestimmtes Komplexitätsniveau erreichen. Wenn Sie für eine 3-Achs-Maschine designen, sind alle Teilmerkmale nur direkt von oben zugänglich. 5-Achs-Systeme bieten überlegene Flexibilität, da der Winkel zwischen Teil und Werkzeug angepasst werden kann, um schwer zugängliche Bereiche des Werkstücks zu erreichen.

Zudem sind Teile mit dünnen Wänden oder feinen Merkmalen besonders schwierig für CNC-Maschinen. Dünne Wände neigen zu Vibrationen und können durch die Kräfte beim Drehen oder Fräsen brechen. Wir empfehlen, Metallteile mit einer minimalen Wandstärke von 0,8 mm und Kunststoffteile mit 1,5 mm Wandstärke zu designen.

Zu verstehen, wie komplex Sie Ihr Teil für verschiedene Maschinentypen designen können und welche Restriktionen zu beachten sind, ist entscheidend, um sicherzustellen, dass Ihre Teile wie geplant und in der gewünschten Qualität gefertigt werden. Für zusätzliche Richtlinien, wie Design Zeit und Geld bei der CNC-Bearbeitung sparen kann, lesen Sie diesen Artikel.

Was sind die Eigenschaften der CNC-Bearbeitung?

Eine Schlüsselstärke der CNC-Bearbeitung ist ihre Fähigkeit, konsistent robuste Teile aus einer sehr großen Materialauswahl herzustellen. CNC-Maschinen können praktisch jedes Konstruktionsmaterial verarbeiten.

Im Gegensatz zum 3D-Druck haben CNC-gefertigte Teile vollkommen isotrope physikalische Eigenschaften, die identisch sind mit den Eigenschaften des Volumenmaterials, aus dem sie bearbeitet wurden.

CNC-Bearbeitung verwendet vorwiegend Metalle für Prototyping und größere Serien. Kunststoffe sind generell schwieriger zu bearbeiten, da sie geringere Steifigkeit und Schmelztemperaturen aufweisen. Ein häufiger Anwendungsfall, den wir für sinnvoll erachten, ist das CNC-Bearbeiten funktionaler Prototypen aus Kunststoff, bevor man in größere Serienfertigung mit Spritzgießen geht.

Was kosten CNC-Bearbeitungsmaterialien?

Es gibt eine Vielzahl an Materialien für CNC-Bearbeitung, weshalb die Kosten stark variieren. Jedes Material hat einen anderen Preis, und die physikalischen Eigenschaften beeinflussen die Gesamtbearbeitungskosten.

Aluminium 6061 ist die wirtschaftlichste Option für Metallteile, mit ca. 25 $ für einen Rohling von 150 x 150 x 25 mm. ABS ist die günstigste Option, ca. 17 $ für einen Rohling gleicher Größe. Wie die Bearbeitbarkeit die Kosten beeinflusst, zeigt Edelstahl: Er ist deutlich härter als Aluminium und daher schwieriger zu bearbeiten, was die Gesamtkosten erhöht.

Hier ist ein umfassender Überblick der beliebtesten Materialien auf der Hubs-Plattform und ihrer wichtigen Eigenschaften:

Material	Eigenschaften	Kostenvergleich
Aluminium 6061	Gutes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, ausgezeichnete Bearbeitbarkeit, geringe Härte	$
Edelstahl 304	Exzellente mechanische Eigenschaften, korrosions- & säurebeständig, relativ schwer zu bearbeiten	$$$
Messing C360	Hohe Duktilität, ausgezeichnete Bearbeitbarkeit, gute Korrosionsbeständigkeit	$$
ABS	Exzellente Schlagfestigkeit, gute mechanische Eigenschaften, lösungsmittelempfindlich	$$
Nylon (PA6 & PA66)	Exzellente mechanische Eigenschaften, hohe Zähigkeit, schlechte Feuchtigkeitsbeständigkeit	$$
POM (Delrin)	Hohe Steifigkeit, exzellente thermische & elektrische Eigenschaften, relativ spröde	$$

Wie erfahre ich mehr über Materialien für CNC-Bearbeitung?

Es gibt viel zu lernen über alle Materialien, die Hubs für CNC-Bearbeitung anbietet. Für einen tiefen Einblick in einzelne Materialien oder Materialgruppen sehen Sie sich diese spezialisierten Videos auf unserem YouTube-Kanal an.

Nachbearbeitung und Oberflächenveredelung für CNC-Bearbeitung

Direkt von der Maschine kommende CNC-Teile weisen generell sichtbare Werkzeugspuren auf, was nicht immer erwünscht ist. Es gibt viele Nachbearbeitungsmethoden, um das Erscheinungsbild der Teileoberfläche zu verbessern und Verschleiß-, Korrosions- und Chemikalienbeständigkeit zu erhöhen. Eloxieren, Glasperlenstrahlen und Pulverbeschichtung sind alle viable Methoden zur Veredelung Ihrer kundenspezifischen Teile.

Da dies ein allgemeiner Leitfaden ist, gehen wir nicht tief auf Nachbearbeitung und Oberflächenveredelung ein. Die gängigsten Techniken und Veredelungen für CNC-Bearbeitung finden Sie in diesem praktischen Erklärer.

Vor- und Nachteile der CNC-Bearbeitung

Während CNC-Bearbeitung für viele Anwendungen – vom Prototyping bis zur mittelgroßen Serienfertigung von Endverbrauchsteilen – eine viable und oft ideale Wahl ist, hat sie auch Nachteile. In diesem Abschnitt beleuchten wir Vorteile und Limitationen dieses subtraktiven Fertigungsprozesses.

CNC-Bearbeitung bietet exzellente Genauigkeit und Wiederholbarkeit. Sowohl Fräsen als auch Drehen können Teile mit sehr engen Toleranzen produzieren, was CNC ideal für High-End-Anwendungen in Luftfahrt, Aviation und Automobilindustrie macht. Die meisten in der CNC-Bearbeitung verwendeten Materialien haben ausgezeichnete, vollkommen isotrope physikalische Eigenschaften und eignen sich für die meisten Ingenieursanwendungen.

Generell ist CNC-Bearbeitung der kosteneffizienteste Fertigungsprozess für die Produktion kleiner bis mittlerer Stückzahlen von Metallteilen. Das bedeutet, Sie können CNC für Einzelprototypen oder bis zu 1.000 Einheiten einsetzen.

Während diese Vorteile CNC-Bearbeitung für Ingenieure attraktiv machen, machen die subtraktive Natur der Technologie bestimmte komplexe Geometrien sehr kostspielig oder sogar unmöglich zu fertigen.

Aus finanzieller Sicht sind die Einrichtungskosten (Startup Costs) der CNC-Bearbeitung deutlich höher als beim 3D-Druck. Wenn Sie kostengünstige Kunststoffprototypen suchen, ist 3D-Druck möglicherweise die bessere Option hinsichtlich Setup.

Lieferzeiten bei CNC-Bearbeitung sind tendenziell länger als beim 3D-Druck: durchschnittlich 10 Tage bei CNC vs. 2–5 Tage bei 3D-Druck. CNC-Maschinen sind nicht so weit verbreitet wie 3D-Drucker, da sie mehr Expertenwissen für den effektiven Betrieb erfordern.

Hubs' Faustregeln für CNC-Bearbeitung

Hier sind die wichtigsten Parameter für CNC-Bearbeitung von kundenspezifischen Metall- und Kunststoffteilen:

Wichtiger CNC-Parameter	Was Hubs empfiehlt
Dimensionsgenauigkeit	Typisch: ± 0,125 mm (.005'') Maximal: ± 0,02 mm (.0008'')
Min. Wandstärke	Metalle: 0,75 mm (0,030") Kunststoffe: 1,5 mm (0,060")
Max. Bauraumgröße	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 für CNC-Bearbeitung?

CNC-Bearbeitung ist ideal für Einzelfertigungsaufträge und kleine bis mittlere Serien von mehreren hundert bis 1.000 Teilen. Wir empfehlen CNC-Bearbeitung für Metallprototypen, da es die preiswettbewerbsfähigste Option ist. Wählen Sie CNC auch, wenn Ihre Teile sehr enge Toleranzen benötigen.

Was sind die gängigsten CNC-Schneidwerkzeuge?

CNC-Maschinen nutzen eine Vielzahl von Schneidwerkzeugen für ein breites Spektrum an Teilegeometrien: Bohrer, Nutenfräser, Gewindebohrer, Plattenfräser sowie Flach-, Torus- und Kugelfräser.

Welche Branchen nutzen CNC-Bearbeitung am meisten?

CNC-Bearbeitung ist ein weit verbreitetes subtraktives Fertigungsverfahren. Eine riesige Anzahl an Branchen setzt auf CNC, darunter Luftfahrt, Automobil, Aviation, Transport und andere Schlüsselsektoren. Flugzeugteile müssen beispielsweise mit immenser Präzision gefertigt werden, um die perfekte Funktion der gesamten Maschine zu gewährleisten.

Ist CNC-Bearbeitung vollautomatisiert?

CNC-Bearbeitung ist weitgehend automatisiert und basiert auf vorprogrammierter Software. CAD-Software legt die Teileabmessungen fest, die CNC-Maschinen zur Produktion physischer Teile nutzen. Generell ist sehr wenig menschliches Eingreifen erforderlich, though some complex processes may need an extra set of manual hands if the part design is uniquely complex. Overall, near-complete automation makes CNC machining a repeatable, trustworthy manufacturing process.