14 bewährte Designtipps zur Senkung der Kosten der CNC-Bearbeitung

Bei der CNC-Bearbeitung (Computer Numerical Control) liegt die Hauptpriorität häufig in der Reduzierung der Herstellungskosten, unabhängig davon, ob Sie einen einzelnen Prototyp erstellen oder in die Massenproduktion gehen möchten. Glücklicherweise können Designentscheidungen dazu beitragen, die Preise niedrig zu halten. Indem Sie einfach die Design-for-Machinability-Regeln befolgen, können Sie erschwingliche Teile herstellen, die dennoch den funktionalen Designanforderungen entsprechen.

Dieser Artikel enthält umfangreiche Tipps zur Optimierung Ihres Designs. Wir beginnen mit der Untersuchung, was die Kosten in der CNC-Bearbeitung in die Höhe treibt. Anschließend präsentieren wir umfassende Richtlinien mit bewährten Designtipps, um die Kosten Ihres Projekts zu senken.

Wie viel kostet die CNC-Bearbeitung?

Ein Angebot für CNC-bearbeitete Teile wird durch die folgenden Faktoren bestimmt:

• Bearbeitungszeit :Je länger die Bearbeitung eines Teils dauert, desto teurer ist es. Die Bearbeitungszeit ist oft der Hauptkostentreiber bei CNC, insbesondere bei Großserien, bei denen einfache Konstruktionsfehler Skaleneffekte beeinträchtigen können.

• Anlaufkosten: Im Zusammenhang mit der Erstellung von CAD-Dateien (Computer Aided Design) und der Prozessplanung sind die Anlaufkosten für kleinere Mengen erheblich. Zum Glück sind sie auch behoben. Wenn das Design und die Oberflächenbeschaffenheit für eine Kostenskalierung geeignet sind, können Sie den Stückpreis durch Anwendung von Skaleneffekten senken Prinzipien.

• Sonstige Herstellungskosten: Um enge Toleranzen zu definieren oder Teile mit schwer zu CNC-bearbeitenden Merkmalen zu konstruieren (z. B. sehr dünne Wände), benötigen Sie möglicherweise spezielle Werkzeuge, eine genauere Qualitätskontrolle und mehr Bearbeitungsschritte bei niedrigerer Bearbeitungsgeschwindigkeit. Dies wirkt sich auch auf die Gesamtherstellungszeit und -kosten aus.

• Materialkosten: Der Preis des Schüttguts und die Leichtigkeit, mit der dieses Material bearbeitet werden kann, wirken sich stark auf die Gesamtkosten im CNC-Bereich aus. Die Optimierung Ihres Designs unter sorgfältiger Berücksichtigung Ihres Materials kann die Kosten senken.

Indem wir verstehen, was die Kosten der CNC-Bearbeitung antreibt, können wir das Design optimieren, um das Budget zu senken.

So senken Sie die CNC-Bearbeitungskosten

1. Fügen Sie einen Radius in den inneren vertikalen Kanten hinzu

Alle CNC-Fräswerkzeuge haben eine zylindrische Form und erzeugen beim Schneiden einer Taschenkante einen Radius. Ein Eckenradius kann durch Verwendung eines Werkzeugs mit kleinerem Durchmesser reduziert werden. Dies erfordert mehrere Durchgänge bei niedrigerer Geschwindigkeit, da kleinere Werkzeuge in nur einem Durchgang nicht so schnell Material entfernen können wie größere Werkzeuge. Dies erhöht die Bearbeitungszeit und -kosten.

So minimieren Sie die Kosten:

• Fügen Sie einen Radius von mindestens einem Drittel der Tiefe der Kavität hinzu – je größer, desto besser.

• Verwenden Sie für alle Innenkanten denselben Radius, um Werkzeugwechsel zu vermeiden.

• Verwenden Sie am Boden des Hohlraums einen kleineren Radius (0,5 oder 1 mm) oder gar keinen Radius.

Gut zu wissen :Idealerweise sollte der Eckenradius etwas größer sein als der Radius des Werkzeugs, mit dem die Kavität bearbeitet wird. Dies reduziert die Belastungen des Werkzeugs und damit die Herstellungskosten. Wenn Ihr Design beispielsweise einen Hohlraum mit einer Tiefe von 12 mm hat, fügen Sie an den Ecken einen Radius von 5 mm (oder größer) hinzu. Dadurch kann ein Werkzeug mit einem Durchmesser von 8 mm mit einer höheren Geschwindigkeit schneiden.

Profi-Tipp: Wenn Sie Innenkanten mit scharfen Ecken benötigen (z. B. wenn ein Teil mit rechteckiger Form in den Hohlraum passen muss), verwenden Sie eine Form mit Hinterschneidungen wie in der Abbildung unten gezeigt, anstatt den Radius der Innenkante zu verringern.

2. Begrenzen Sie die Tiefe der Hohlräume

Die Bearbeitung tiefer Kavitäten wirkt sich dramatisch auf die Kosten von CNC-Teilen aus, da viel Material entfernt werden muss. Dies ist sowohl zeitaufwändig als auch verschwenderisch.

CNC-Werkzeuge haben eine begrenzte Schnittlänge. Sie funktionieren in der Regel am besten beim Schneiden von Hohlräumen mit einer Tiefe von bis zum Zwei- bis Dreifachen ihres Durchmessers. Beispielsweise kann ein Fräswerkzeug mit einem Durchmesser von 12 mm Hohlräume bis zu einer Tiefe von 25 mm sicher schneiden. Es ist möglich, tiefere Kavitäten zu schneiden (bis zum vierfachen Durchmesser des Werkzeugs oder mehr), aber dies treibt die Kosten in die Höhe, da spezielle Werkzeuge oder mehrachsige CNC-Systeme erforderlich sind.

So minimieren Sie die Kosten:

• Begrenzen Sie die Tiefe aller Kavitäten auf das Vierfache ihrer Länge – d. h. die größte Abmessung auf der XY-Ebene.

• Passen Sie die Inneneckradien entsprechend an. Verwenden Sie bei Bedarf den Rat in Tipp Nummer 1.

3. Erhöhen Sie die Dicke dünner Wände

Wenn das Gewicht keine große Rolle spielt, stellen Sie dicke Vollprofile her, da sie stabiler und kostengünstiger zu bearbeiten sind. Um Verformungen oder Brüche bei der Bearbeitung einer dünnen Wand zu vermeiden, verwenden Sie mehrere Durchgänge bei geringen Schnitttiefen. Dünne Features sind auch sehr anfällig für Vibrationen, daher ist ihre genaue Bearbeitung eine Herausforderung und verlängert die Bearbeitungszeit erheblich.

So minimieren Sie die Kosten:

• Konstruieren Sie für Metallteile Wände, die dicker als 0,8 mm sind – je dicker, desto besser.

• Halten Sie bei Kunststoffteilen die Mindestwandstärke über 1,5 mm.

Gut zu wissen: Die erreichbare Mindestwandstärke bei Metallen beträgt 0,5 mm. Bei Kunststoffen beträgt sie 1 mm. Beurteilen Sie die maschinelle Bearbeitbarkeit solcher Merkmale von Fall zu Fall.

Wichtig: Dünne Wände sind oft ein Problem, wenn Löcher (und Gewinde) sehr nahe an der Kante eines Teils platziert werden. Berücksichtigen Sie dies bei der Konstruktion für die CNC-Bearbeitung.

4. Begrenzen Sie die Länge der Threads

Das Einfügen von Gewinden, die länger als nötig sind, kann die Kosten von CNC-Teilen erhöhen, da möglicherweise Spezialwerkzeuge erforderlich sind. Gewinde, die länger als das 1,5-fache des Lochdurchmessers sind, erhöhen die Festigkeit einer Verbindung nicht.

So minimieren Sie die Kosten: 

• Konstruieren Sie Gewinde mit einer maximalen Länge bis zum dreifachen Lochdurchmesser.

• Fügen Sie bei Gewinden in Sacklöchern mindestens die Hälfte des Durchmessers der gewindelosen Länge am Boden des Lochs hinzu.

5. Verwenden Sie Standardlochgröße

Löcher können mit Standardbohrern schnell und mit hoher Genauigkeit CNC-bearbeitet werden. Für nicht standardmäßige Größen ist ein zusätzlicher Bearbeitungsschritt erforderlich, was die Kosten in die Höhe treibt.
Verwenden Sie nach Möglichkeit Durchgangslöcher anstelle von Sacklöchern, da diese einfacher zu bearbeiten sind.

Begrenzen Sie die Tiefe der Löcher auf das Vierfache ihres Durchmessers. Tiefere Löcher (bis zum 10-fachen des Durchmessers) können hergestellt werden, aber sie treiben wahrscheinlich die Kosten in die Höhe, da sie mehr Zeit für die Bearbeitung benötigen.

So minimieren Sie die Kosten:

• Entwerfen Sie Löcher mit einem Durchmesser in Schritten von 0,1 mm für Durchmesser bis zu 10 mm. Verwenden Sie für diejenigen über 10 mm eine Schrittweite von 0,5 mm.

• Verwenden Sie beim Entwerfen in Zoll herkömmliche Bruchteile von Zoll oder sehen Sie in einer Tabelle mit Bohrergrößen in Bruchteilen von Zoll nach.

6. Toleranzen nur bei Bedarf angeben

Das Definieren enger Toleranzen erhöht die Kosten für die Bearbeitung eines Merkmals, daher sollte dies nur erfolgen, wenn es absolut notwendig ist. Wenn in der technischen Zeichnung keine bestimmte Toleranz definiert ist, werden die Teile mit der Standardtoleranz bearbeitet (± 0,125 mm oder besser). Dies ist für die meisten unkritischen Funktionen ausreichend.

So minimieren Sie die Kosten:

• Definieren Sie nur dann engere Toleranzen, wenn es unbedingt erforderlich ist.

• Definieren Sie einen einzigen Bezug (z. B. den Querschnitt zweier Kanten) als Referenz für alle Maße mit Toleranzen.

Profi-Tipp :Geometrische Bemaßung und Tolerierung (GD&T) verwenden in technischen Zeichnungen, um die Kosten der CNC-Bearbeitung zu reduzieren. GD&T umfasst Merkmale wie Ebenheit, Geradheit, Rundheit und wahre Position. Es definiert oft eine lockerere Toleranz, obwohl es fortgeschrittene Designkenntnisse erfordert, um effektiv angewendet zu werden.

7. Minimieren Sie die Anzahl der Maschineneinstellungen

Entwerfen Sie Teile, die mit möglichst wenigen Maschineneinstellungen bearbeitet werden können. Verwenden Sie idealerweise nur ein Setup. Beispielsweise muss ein Teil, das Sacklöcher auf beiden Seiten hat, in zwei Aufspannungen bearbeitet werden, da es für den Zugang zu beiden Seiten gedreht werden muss.

Das Drehen oder Neupositionieren eines Teils treibt die Herstellungskosten in die Höhe, da dies normalerweise manuell erfolgen muss. Darüber hinaus können komplizierte Geometrien eine kundenspezifische Halterung erfordern, was die Kosten erhöht. Besonders komplizierte Geometrien erfordern möglicherweise ein Mehrachsen-CNC-System, was auch die Kosten erhöht.

Erwägen Sie, das Teil in mehrere Geometrien aufzuteilen, die in einer einzigen Aufspannung CNC-bearbeitet und später zusammengeschraubt oder -geschweißt werden können. Dies gilt auch für Teile mit sehr tiefen Taschen.

So minimieren Sie die Kosten:

• Entwerfen Sie Teile mit einer einfachen 2,5D-Geometrie, die in einer einzigen CNC-Maschinenkonfiguration hergestellt werden können.

• Wenn dies nicht möglich ist, trennen Sie das Teil in mehrere Geometrien, die später zusammengesetzt werden können.

8. Vermeiden Sie kleine Features mit hohem Seitenverhältnis

Kleine Merkmale mit einem hohen Seitenverhältnis von Breite zu Höhe sind anfällig für Vibrationen und lassen sich daher nur schwer präzise bearbeiten.

So minimieren Sie die Kosten:

• Designmerkmale mit einem Seitenverhältnis von Breite zu Höhe von weniger als vier.

• Fügen Sie Verstrebungen um kleine Merkmale hinzu oder verbinden Sie sie mit einer Wand, um ihre Steifigkeit zu verbessern.

9. Alle Texte und Schriftzüge entfernen

Das Hinzufügen von Text auf der Oberfläche eines CNC-bearbeiteten Teils kann die Kosten erheblich in die Höhe treiben, da zusätzliche Bearbeitungsschritte erforderlich sind, die mehr Zeit in Anspruch nehmen. Oberflächenveredelungsmethoden wie Siebdruck oder Lackieren sind eine kostengünstigere Möglichkeit, Text auf der Oberfläche eines CNC-bearbeiteten Teils hinzuzufügen.

So minimieren Sie die Kosten:

• Entfernen Sie alle Texte und Schriftzüge von Ihren CNC-bearbeiteten Teilen.

• Wenn Text erforderlich ist, wählen Sie einen gravierten statt einen geprägten Schriftzug.

• Verwenden Sie mindestens eine serifenlose Schriftart der Größe 20 (z. B. Arial oder Verdana).

10. Berücksichtigen Sie die Bearbeitbarkeit des Materials

Bearbeitbarkeit bezieht sich auf die Leichtigkeit, mit der ein Material geschnitten werden kann. Je höher die Bearbeitbarkeit, desto schneller kann ein Material CNC-bearbeitet werden, wodurch die Kosten gesenkt werden. Die Bearbeitbarkeit hängt von den physikalischen Eigenschaften jedes Materials ab. Je weicher und dehnbarer eine Metalllegierung ist, desto leichter ist sie üblicherweise zu bearbeiten.

C360-Messing ist die Legierung mit der höchsten Bearbeitbarkeit und ermöglicht eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Aluminiumlegierungen (z. B. 6061 und 7075) lassen sich ebenfalls sehr gut bearbeiten, erfordern jedoch etwas geringere Drehzahlen.

Edelstahl lässt sich zehnmal schlechter bearbeiten als Aluminium und benötigt mindestens doppelt so viel Zeit für die Bearbeitung. Unterschiedliche Stahlsorten haben unterschiedliche Bearbeitbarkeit. Zum Beispiel hat Edelstahl 304 einen Bearbeitbarkeitsindex von 45 Prozent, während Edelstahl 303 (eine Legierung mit sehr ähnlicher chemischer Zusammensetzung) einen Index von 78 Prozent hat, was die Bearbeitung erleichtert.

Die Bearbeitbarkeit von Kunststoffen hängt hauptsächlich von ihren thermischen Eigenschaften und ihrer Steifigkeit ab, da sie während der Bearbeitung zum Schmelzen und Verbiegen neigen.

POM (Derlin) ist der am einfachsten zu bearbeitende Kunststoff, dicht gefolgt von ABS. PEEK und Nylon 6 sind gängige technische Kunststoffe, die schwieriger zu bearbeiten sind.

So minimieren Sie die Kosten:

• Wenn Sie Optionen haben, wählen Sie das Material mit besserer Bearbeitbarkeit, insbesondere bei größeren Bestellungen.

11. Berücksichtigen Sie den Preis des Schüttguts

Der Preis des Schüttguts ist ein weiterer Faktor, der die Kosten von CNC-bearbeiteten Teilen stark beeinflussen kann.
Die folgende Tabelle fasst die Preise für Metalllegierungen und Kunststoffmaterialien zusammen, die üblicherweise in der CNC für eine Platte mit Abmessungen von 6 Zoll x 6 Zoll x 1 Zoll (oder ungefähr 150 x 150 x 25 mm) verwendet werden.

Material	Preis
Aluminium 6061	25 $
Aluminium 7075	$80
Edelstahl 304	$90
Edelstahl 303	150 $
C360 Messing	$148
ABS	$17
Nylon 6	30 $
POM (Derlin)	$27
PEEK	300 $

Quelle:  McMaster

Aluminium 6061 ist aufgrund seiner geringen Kosten und seiner sehr guten Bearbeitbarkeit bei weitem die kostengünstigste Methode zur Herstellung von Metallprototypen.

Metalle, die eine bessere Bearbeitbarkeit bieten, wie Edelstahl 303 und Messing C360, kosten mehr und eignen sich daher besser für die Produktion größerer Stückzahlen. In diesem Fall kommen Skaleneffekte ins Spiel, da die höheren Materialkosten durch die viel kürzeren Bearbeitungszeiten aufgewogen werden.

Wenn es um Kunststoffe geht, kosten ABS, Nylon und POM (Derlin) ungefähr so ​​viel wie Aluminium 6061. Sie sind jedoch schwieriger zu bearbeiten, also rechnen Sie mit höheren Kosten. PEEK ist ein sehr teures Material und sollte nur verwendet werden, wenn es absolut notwendig ist.

So minimieren Sie die Kosten: 

• Wählen Sie ein Material mit niedrigem Staffelpreis, insbesondere bei Bestellungen mit geringem Volumen.

12. Vermeiden Sie mehrfache Oberflächenbehandlungen

Oberflächenveredelungen verbessern das Aussehen von CNC-bearbeiteten Teilen und ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber rauen Umgebungen, aber sie treiben auch die Kosten in die Höhe. Das Anfordern mehrerer Oberflächenveredelungen auf demselben Teil treibt die Kosten weiter in die Höhe, da zusätzliche Schritte erforderlich sind (z. B. das Abdecken der Oberflächen). Einen Artikel, der die Vorteile jeder Oberflächenveredelung für CNC-Teile zusammenfasst, finden Sie hier .

So minimieren Sie die Kosten:

• Wählen Sie die Oberflächenbeschaffenheit „wie bearbeitet“.

• Fordern Sie mehrere Oberflächenausführungen nur an, wenn es unbedingt erforderlich ist.

13. Berücksichtigen Sie die Leergröße

Die Größe des Rohlings – also des Ausgangsmaterials – kann sich auf die Gesamtkosten auswirken. Als Faustregel gilt, dass der Rohling mindestens 3 mm größer sein muss als das Endteil. Um die Genauigkeit zu gewährleisten, muss etwas Material von allen Kanten des Teils entfernt werden.

Als Beispiel dafür, wie sich die Rohlingsgröße auf die CNC-Preisgestaltung auswirkt, betrachten Sie die Konstruktion eines Teils mit einer Umhüllung von 30 x 30 x 30 mm. Diese Abmessungen würden die Verwendung eines größeren Zuschnitts erfordern, der in diesem Fall typischerweise aus einem 35 mm dicken Blech geschnitten wird. Wenn das Teil jedoch einen Umschlag von 27 x 27 x 27 mm hätte, könnte ein 30-mm-Blatt verwendet werden, wodurch viel Material eingespart würde.

So minimieren Sie die Kosten:

• Entwerfen Sie Teile, deren Abmessungen 3 mm kleiner sind als die Standard-Rohlingsgröße.

14. Profitieren Sie von Skaleneffekten

Bei der CNC-Bearbeitung wirkt sich die Menge stark auf den Stückpreis aus. Dies liegt daran, dass die Anlaufkosten relativ hoch sind und bei kleinen Stückzahlen einen großen Prozentsatz der Kosten ausmachen. Bei großen Stückzahlen sinken jedoch die Stückkosten.

In der folgenden Grafik stellen wir den durchschnittlichen Stückpreis von 12 verschiedenen Teilen dar, die aus Edelstahl 304 bearbeitet wurden. 

Der Rückgang des Stückpreises ist fast exponentiell, was bedeutet, dass selbst eine Erhöhung des Volumens von eins auf fünf den Stückpreis halbieren kann. Außerdem reduziert die Bestellung sehr großer Mengen (> 1.000 Teile) den Stückpreis um das Fünf- bis Zehnfache.

So minimieren Sie die Kosten:

• Profitieren Sie von Skaleneffekten, indem Sie größere Mengen bestellen.

Best Practices zur Senkung der CNC-Kosten

Halten Sie abschließend Ihre CNC-Bearbeitung einfach.

Komplexität hat in der CNC einen hohen Preis. Geometrien, die spezielle Werkzeuge oder Vorrichtungen, mehrere Maschineneinstellungen oder spezielle Materialien erfordern, kosten mehr.

Um die Kosten niedrig zu halten, stellen Sie sich also vor dem Einreichen eines Angebotsauftrags die folgenden Fragen:

• Wurde mein Teil anhand der Richtlinien für die Bearbeitbarkeit optimiert?

• Sind alle Features in meinem Modell zwingend notwendig? Oder kann ich das Teil entfernen oder vereinfachen und dabei die volle Funktionalität des Teils beibehalten?

• Kann mein Design in mehrere Teile zerlegt werden, die später leichter CNC-bearbeitet und zusammengebaut werden können?

• Gibt es eine Möglichkeit, mein Design so zu ändern, dass mehrere Maschineneinstellungen oder Spezialwerkzeuge nicht mehr erforderlich sind?

• Gibt es ein kostengünstigeres oder einfacher zu bearbeitendes Material, das meine Designanforderungen erfüllen kann?

Gegenwart &Zukunft der CNC-Bearbeitung

Die Möglichkeiten der CNC-Bearbeitung werden ständig erweitert. Zum Beispiel ermöglichen jüngste Fortschritte bei CNC-Werkzeugen modernen CNC-Systemen, Löcher über ihre gesamte Länge zu gewinden, und Löcher mit jedem Durchmesser können CNC-bearbeitet werden, ohne dass sich dies wesentlich auf den Preis auswirkt, indem ein CNC-Eintauchwerkzeug verwendet wird und Profilinterpolation (d. h. a helikale Werkzeugbahn).

In diesem Artikel haben wir uns auf allgemeine Tipps zum fertigungsgerechten Design konzentriert, die eine universelle Anwendung haben, unabhängig davon, welches CNC-System verwendet wird. Interpretieren Sie diese Tipps als allgemeine bewährte Vorgehensweisen, die Ihnen helfen können, Teile effizienter zu konstruieren.

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