CNC-Bearbeitung meistern: Bewährte Designstrategien für optimale Teile

Es gibt einige einfache Schritte, um Ihre Designs für die computergesteuerte Numerische Steuerung (CNC) zu optimieren. Durch Befolgen von Design-for-Manufacturing (DFM) Regeln können Sie das volle Potenzial der breiten CNC-Fähigkeiten ausschöpfen. Dies kann jedoch herausfordernd sein, da es keine branchenweiten spezifischen Standards gibt.

In diesem Artikel bieten wir einen umfassenden Leitfaden zu den besten Designpraktiken für CNC-Bearbeitung. Für diese umfangreichen, aktuellen Informationen haben wir Feedback von Branchenexperten und CNC-Bearbeitungsdienstleistern eingeholt. Wenn Sie auf Kosten optimieren, lesen Sie diesen Leitfaden zum Design kosteneffektiver Teile für CNC.

Was ist der CNC-Bearbeitungsprozess?

CNC-Bearbeitung ist eine subtraktive Fertigungstechnologie. Dabei wird Material aus einem massiven Block mittels verschiedener rotierender Schneidwerkzeuge (tausende U/min) entfernt, um ein Teil basierend auf einem CAD-Modell zu erzeugen. Sowohl Metalle als auch Kunststoffe können CNC-bearbeitet werden.

CNC-gefertigte Teile haben hohe Dimensionsgenauigkeit und enge Toleranzen. CNC eignet sich für sowohl Großserien als auch Einzelstücke. Tatsächlich ist CNC-Bearbeitung derzeit der kosteneffizienteste Weg, Metallprototypen herzustellen – sogar im Vergleich zu 3D-Druck.

Lesen Sie unsere Einführung in die Grundprinzipien der CNC-Bearbeitung.

Was sind die Haupteinschränkungen beim CNC-Design?

CNC bietet große Designflexibilität, aber es gibt einige Restriktionen. Diese beziehen sich auf die grundlegende Mechanik des Schneidprozesses und betreffen hauptsächlich Werkzeuggeometrie und Werkzeugzugang.

Werkzeuggeometrie

Die gängigsten CNC-Schneidwerkzeuge (Schaftfräser und Bohrer) haben zylindrische Form und begrenzte Schneidlänge.

Da Material vom Werkstück abgetragen wird, wird die Geometrie des Werkzeugs auf das bearbeitete Teil übertragen. Das bedeutet z. B., dass innere Ecken eines CNC-Teils immer einen Radius haben – egal wie klein das verwendete Schneidwerkzeug war.

Werkzeugzugang

Um Material zu entfernen, nähert sich das Schneidwerkzeug dem Werkstück direkt von oben. Merkmale, die so nicht zugänglich sind, können nicht CNC-bearbeitet werden.

Eine Ausnahme: Unterschnitte (Undercuts). Darauf geht ein späterer Abschnitt ein.

Gute Designpraxis: Richten Sie alle Merkmale Ihres Modells (Bohrungen, Kavitäten, vertikale Wände etc.) an einer der sechs Hauptdirektionen aus. Sehen Sie dies als Empfehlung, nicht als Restriktion, da 5-Achs-CNC-Systeme erweiterte Werkstückhalterungsmöglichkeiten bieten.

Werkzeugzugang ist auch bei Merkmalen mit großem Tiefen-Breiten-Verhältnis problematisch. Um den Boden einer tiefen Kavität zu erreichen, benötigen Sie Werkzeuge mit verlängerter Reichweite. Das bedeutet größeren Bewegungsbereich für den Effektor, was Maschinenschwingen erhöht und die erreichbare Genauigkeit senkt.

Die Produktion vereinfacht sich, wenn Sie Teile designen, die mit dem größtmöglichen Werkzeugdurchmesser und der kürzestmöglichen Werkzeuglänge bearbeitet werden können.

CNC-Designrichtlinien

Eine häufige Herausforderung beim Design für CNC-Bearbeitung: Es gibt keine branchenweiten spezifischen Standards. CNC-Maschinen- und Werkzeughersteller verbessern kontinuierlich die Fähigkeiten der Technologie und erweitern die Grenzen des Machbaren. Die folgende Tabelle fasst empfohlene und machbare Werte für die häufigsten Merkmale bei CNC-gefertigten Teilen zusammen.

Kavitäten und Taschen

Empfohlene Kavitätentiefe: 4-mal Kavitätenbreite

Schaftfräser haben begrenzte Schneidlänge (typisch 3–4 mal ihr Durchmesser). Werkzeugdurchbiegen, Spanabfuhr und Vibrationen werden problematischer, wenn Kavitäten ein kleineres Tiefen-Breiten-Verhältnis haben.

Die Begrenzung der Kavitätentiefe auf das Vierfache der Breite sichert gute Ergebnisse.

Wenn größere Tiefen nötig sind, erwägen Sie variable Kavitätentiefen im Design.

Tiefkavitätenfräsen: Kavitäten mit Tiefe > 6-fachem Werkzeugdurchmesser gelten als tief. Ein Werkzeugdurchmesser-zu-Kavitätentiefe-Verhältnis bis 30:1 ist mit Spezialwerkzeugen möglich (max. Tiefe: 35 cm mit 1-Zoll-Schaftfräser).

Innenecken

Vertikaler Eckenradius

Empfohlen: ⅓ der Kavitätentiefe (oder größer)

Der empfohlene Wert für innere Eckenradien stellt sicher, dass ein passender Werkzeugdurchmesser genutzt werden kann und aligniert mit den Richtlinien für empfohlene Kavitätentiefe. Eine leichte Erhöhung des Eckenradius (z. B. um 1 mm) ermöglicht dem Werkzeug, einem Kreisbogen statt einem 90°-Winkel zu folgen. Dies wird bevorzugt, da es eine hochwertigere Oberflächenqualität ergibt. Wenn scharfe 90°-Innenecken erforderlich sind, erwägen Sie einen T-Nut-Unterschnitt statt der Reduzierung des Eckenradius.

Bodenradius

Empfohlen: 0,5 mm, 1 mm oder kein Radius
Machbar: jeder Radius

Schaftfräser haben eine flache oder leicht gerundete untere Schneide. Andere Bodenradien können mit Kugelfräsern bearbeitet werden. Es ist gute Designpraxis, die empfohlenen Werte zu nutzen, da sie von Zerspanern bevorzugt werden.

Dünne Wände

Minimale Wandstärke

Empfohlen: 0,8 mm (Metalle), 1,5 mm (Kunststoffe)
Machbar: 0,5 mm (Metalle), 1,0 mm (Kunststoffe)

Verringerte Wandstärke reduziert die Steifigkeit des Materials, was Vibrationen während der Bearbeitung erhöht und die erreichbare Genauigkeit senkt. Kunststoffe neigen zu Verzug (durch Eigenspannungen) und Erweichen (durch Temperaturerhöhung), daher wird eine größere minimale Wandstärke empfohlen. Die oben genannten machbaren Werte sollten fallweise geprüft werden.

Bohrungen

Durchmesser

Empfohlen: Standardbohrer
Machbar: jeder Durchmesser > 1 mm

Bohrungen werden mit Bohrer oder Schaftfräser gefertigt. Bohrergrößen sind standardisiert (metrisch und imperial). Reibahlen und Ausdrehwerkzeuge werden für Bohrungen mit engen Toleranzen verwendet. Für hochpräzise Bohrungen < 20 mm Durchmesser wird ein Standarddurchmesser empfohlen.

Maximale Tiefe

Empfohlen: 4-facher Nenn-Durchmesser
Typisch: 10-facher Nenn-Durchmesser
Machbar: 40-facher Nenn-Durchmesser

Bohrungen mit nicht-standardmäßigem Durchmesser müssen mit Schaftfräser gefertigt werden. Dann gelten die Kavitätentiefe-Restriktionen und der empfohlene Maximalwert sollte verwendet werden. Bohrungen tiefer als der typische Wert erfordern Spezialbohrer (Mindestdurchmesser 3 mm). Mit Bohrer gefertigte Sacklöcher haben einen konischen Boden (135°), mit Schaftfräser gefertigte sind plan. Bei CNC-Bearbeitung gibt es keine besondere Präferenz zwischen Durchgangs- und Sacklöchern.

Gewinde

Gewindegröße

Minimum: M2
Empfohlen: M6 oder größer

Gewinde werden mit Gewindebohrern geschnitten, Außengewinde mit Schneideisen. Bohrer und Schneideisen können bis M2 schneiden. CNC-Gewindewerkzeuge sind gängig und werden von Zerspanern bevorzugt, da sie das Risiko von Bohrerbruch begrenzen. CNC-Gewindewerkzeuge können bis M6 schneiden.

Gewindelänge

Minimum: 1,5-facher Nenn-Durchmesser
Empfohlen: 3-facher Nenn-Durchmesser

Der Großteil der auf ein Gewinde wirkenden Last wird von den ersten paar Gängen aufgenommen (bis 1,5-facher Nenn-Durchmesser). Längere Gewinde als 3-facher Nenn-Durchmesser sind daher unnötig.

Für Gewinde in Sacklöchern, die mit Bohrer geschnitten werden (alle Gewinde < M6), fügen Sie am Boden der Bohrung eine ungewindete Länge von 1,5-fachem Nenn-Durchmesser hinzu. Wenn ein CNC-Gewindewerkzeug genutzt werden kann (Gewinde > M6), kann die Bohrung über ihre gesamte Länge gewindeschnitten werden.

Kleine Merkmale

Minimaler Bohrungsdurchmesser

Empfohlen: 2,5 mm (0,1 Zoll)
Machbar: 0,05 mm (0,005 Zoll)

Die meisten Werkstätten können Kavitäten und Bohrungen mit Werkzeugen bis 2,5 mm (0,1 Zoll) Durchmesser präzise bearbeiten. Alles darunter gilt als Mikrobearbeitung. Spezialwerkzeuge (Mikrobohrer) und Expertenwissen sind nötig, da sich die Physik des Schneidprozesses bei diesem Maßstab ändert. Wenn nicht absolut nötig, wird empfohlen, solche Merkmale zu vermeiden.

Toleranzen

Typisch: ±0,1 mm
Machbar: ±0,02 mm

Unsere Toleranzen entsprechen ISO 2768 medium oder fine. Wenn Toleranzen nicht spezifiziert sind, nutzen Fertigungspartner den gewählten 2768-Grad. Toleranzen definieren die Grenzen für ein akzeptables Maß. Erreichbare Toleranzen variieren je nach Nennmaß und Teilegeometrie. Die obigen Werte sind sinnvolle Richtlinien.

Text und Beschriftung

Empfohlen: Schriftgröße 20 (oder größer), 5 mm eingraviert

Eingravierter Text wird gegenüber erhabenem Text bevorzugt, da weniger Material entfernt wird. Eine Mindestgröße von 20 Punkt serifenloser Schrift (z. B. Arial oder Verdana) wird empfohlen. Viele CNC-Maschinen haben vorprogrammierte Routinen für diese Schriften.

CNC-Maschineneinrichtungen und Teileausrichtung

Werkzeugzugang ist eine der Hauptdesignlimitierungen bei CNC-Bearbeitung. Um alle Flächen des Modells zu erreichen, muss das Werkstück mehrfach gedreht werden.

Bei jeder Drehung muss die Maschine neu kalibriert und ein neues Koordinatensystem definiert werden.

Beim Design ist es wichtig, Maschineneinrichtungen (Setups) aus zwei Gründen zu berücksichtigen:

• Die Gesamtzahl der Maschineneinrichtungen beeinflusst die Kosten. Drehen und Neuausrichten erfordert manuelle Arbeit und erhöht die Gesamtbearbeitungszeit. Dies ist oft akzeptabel, wenn das Teil bis zu drei- oder viermal gedreht werden muss, alles darüber ist excessiv.

• Für maximale relative Positioniergenauigkeit müssen zwei Merkmale in derselben Einrichtung bearbeitet werden. Der neue Kalibrierschritt führt einen kleinen (aber nicht vernachlässigbaren) Fehler ein.

Was ist 5-Achs-CNC-Bearbeitung?

Eine 5-Achs-CNC-Maschine bewegt Schneidwerkzeuge oder Teile simultan entlang fünf Achsen. Mehr-Achs-CNC-Maschinen können Teile mit komplexen Geometrien fertigen, da sie zwei zusätzliche Drehachsen bieten. Diese Maschinen eliminieren die Notwendigkeit mehrerer Maschineneinrichtungen.

Vor- und Nachteile der 5-Achs-CNC-Bearbeitung

5-Achs-CNC-Bearbeitung ermöglicht, dass das Werkzeug konstant tangential zur Schneidefläche bleibt. Werkzeugpfade können komplexer und effizienter sein, was Teile mit besserer Oberflächenqualität und kürzeren Bearbeitungszeiten ergibt.

Doch 5-Achs-CNC hat auch Limitationen. Grundlegende Werkzeuggeometrie- und Zugangsbeschränkungen gelten weiterhin (z. B. können Teile mit internen Geometrien nicht bearbeitet werden). Zudem sind die Kosten für solche Systeme höher.

CNC-Bearbeitung von Unterschnitten (Undercuts)

Unterschnitte sind Merkmale, die nicht mit Standardschneidwerkzeugen bearbeitet werden können, da einige ihrer Flächen nicht direkt von oben zugänglich sind.

Es gibt zwei Haupttypen: T-Nuten und Schwalbenschwanz-Profile. Unterschnitte können ein- oder beidseitig sein und werden mit Spezialwerkzeugen bearbeitet.

T-Nut-Fräser bestehen aus einer horizontalen Schneide, die an einem vertikalen Schaft befestigt ist. Die Breite eines Unterschnitts kann zwischen 3 mm und 40 mm variieren. Wir empfehlen Standardgrößen für die Breite (ganze Millimeter oder Standard-Zollbrüche), da dann eher ein passendes Werkzeug verfügbar ist.

Bei Schwalbenschwanz-Fräsern ist der Winkel das definierende Merkmal. 45° und 60° sind Standard. Werkzeuge mit 5°, 10° bis 120° (in 10°-Schritten) existieren, sind aber seltener im Einsatz.

Undercut-Design für CNC-Bearbeitung

Beim Design von Teilen mit Unterschnitten an Innenwänden: Denken Sie an genügend Freiraum für das Werkzeug. Eine gute Faustregel: Fügen Sie Platz hinzu, der mindestens dem Vierfachen der Unterschnitttiefe entspricht, zwischen der bearbeiteten Wand und jeder anderen Innenwand.

Bei Standardwerkzeugen beträgt das typische Verhältnis zwischen Schneiddurchmesser und Schaftdurchmesser 2:1, was die Schnitttiefe begrenzt. Bei nicht-standardmäßigen Unterschnitten fertigen Werkstätten oft eigene Spezialwerkzeuge an. Das erhöht Lieferzeit und Kosten – vermeiden Sie es wenn möglich.

Technische Zeichnung erstellen

Technische Zeichnungen werden von Ingenieuren genutzt, um spezifische Fertigungsanforderungen an den Zerspaner zu kommunizieren. Wenn Sie interessiert sind, lesen Sie unseren Artikel darüber, wann, warum und wie technische Zeichnungen einzusetzen sind.

Technische Zeichnung mit Ihrem Hubs-Angebot hochladen

Wir verlangen normalerweise keine technische Zeichnung für Aufträge auf unserer Plattform, aber in manchen Fällen fügen sie wertvollen Kontext zur Angebotsanfrage hinzu. Bestimmte Designspezifikationen können nicht in STEP- oder IGES-Dateien enthalten sein. Beispiel: Sie müssen eine 2D-technische Zeichnung beifügen, wenn Ihr Modell Gewindebohrungen oder -wellen und/oder Maße mit Toleranzen enger als der gewählte 2768-Grad enthält.

Wenn Sie eine technische Zeichnung hinzufügen, stellen Sie sicher, dass sie den Spezifikationen der hochgeladenen Dateien entspricht. Stimmen technische Zeichnungen nicht mit den Dateien oder Angebotspezifikationen überein:

• Die Angebotspezifikationen sind Referenz für Technologie, Material und Oberflächenveredelung.

• Die technischen Zeichnungen sind Referenz für Gewindespezifikationen, Toleranzspezifikationen, Oberflächenveredelungsdetails, Teilemarkierungen und Wärmebehandlungsspezifikationen.

• Die CAD-Datei ist Referenz für Teiledesign, Geometrie, Maße und Merkmalslagen.

Weitere Details in unserer Spezifikationsrichtlinie.

Was sind Hubs' Best Practices für CNC-Bearbeitung?

• Designen Sie Teile, die mit dem größtmöglichen Werkzeugdurchmesser bearbeitet werden können.

• Fügen Sie große Fasen (mindestens ⅓ der Kavitätentiefe) an alle inneren vertikalen Ecken hinzu.

• Begrenzen Sie die Tiefe von Kavitäten auf das Vierfache ihrer Breite.

• Richten Sie die Hauptmerkmale Ihres Designs an einer der sechs Hauptrichtungen aus. Wenn nicht möglich, ist 5-Achs-CNC eine Option.

• Reichen Sie eine technische Zeichnung ein, wenn Ihr Design Gewinde, Toleranzen, Oberflächenveredelungsspezifikationen oder andere Hinweise für den Maschinenbediener enthält.

Haben Sie Teile, die CNC-bearbeitet werden müssen? Laden Sie Ihre Designs hoch und unser DFM-Tool schlägt Optimierungen vor und liefert sofortige Preise.