Warum Aluminium das bevorzugte Material für CNC-Bearbeitung ist: Vorteile, Anwendungen & Alternativen

Für CNC-Bearbeitungsprojekte ist Aluminium aufgrund seiner wünschenswerten physikalischen Eigenschaften eine der beliebtesten Materialwahlen. Es ist stark, was es ideal für mechanische Teile macht, und seine oxidierte Aussenschicht ist korrosionsbeständig gegen Umwelteinflüsse. Diese Vorteile haben Aluminiumteile in allen Branchen verbreitet, wobei sie besonders in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Gesundheits- und Unterhaltungselektronikbranche gefragt sind.

Aluminium bietet auch spezifische Vorteile, die den CNC-Bearbeitungsprozess vereinfachen und verbessern. Im Gegensatz zu vielen anderen Metallen mit ähnlichen Materialeigenschaften bietet Aluminium hervorragende Bearbeitbarkeit: Viele seiner Legierungen können effektiv von Schneidwerkzeugen durchdrungen werden, splittern leicht und sind relativ einfach zu formen. Daher kann Aluminium mehr als dreimal schneller bearbeitet werden als Eisen oder Stahl.

Dieser Artikel erklärt einige der wichtigsten Vorteile der Aluminium-CNC-Bearbeitung – Gründe, warum es einer unserer am häufigsten nachgefragten Prototyping- und Produktionsprozesse ist – schlägt aber auch Bearbeitungsalternativen zu Aluminium vor.

Andere Metalle und Kunststoffe können ähnliche Vorteile wie Aluminium bieten, zusätzlich zu ihren eigenen einzigartigen Vorteilen.

Vorteile der Aluminium-CNC-Bearbeitung

• Bearbeitbarkeit
• Korrosionsbeständigkeit
• Festigkeits-Gewichts-Verhältnis
• Elektrische Leitfähigkeit
• Eloxisierbarkeit
• Recyclingfähigkeit

Bearbeitbarkeit

Einer der Hauptgründe, warum Ingenieure Aluminium für ihre bearbeiteten Teile wählen, ist ganz einfach, dass das Material leicht zu bearbeiten ist. Während dies eher ein Vorteil für den Zerspaner zu sein scheint, der das Teil herstellt, hat es auch erhebliche Vorteile für das Unternehmen, das das Teil bestellt, sowie für den Endverbraucher, der es schliesslich nutzen wird.

Da Aluminium leicht splittert und einfach zu formen ist, kann es schnell und präzise mit CNC-Maschinenwerkzeugen geschnitten werden. Dies hat wichtige Konsequenzen: Erstens macht der kurze Zeitrahmen des Bearbeitungsjobs den Prozess günstiger (da weniger Arbeitsaufwand vom Zerspaner und weniger Betriebszeit von der Maschine selbst erforderlich sind); zweitens bedeutet gute Bearbeitbarkeit weniger Verformung des Teils, während das Schneidwerkzeug durch das Werkstück geht. Dies kann es der Maschine ermöglichen, engere Toleranzen (bis zu ±0,025 mm) einzuhalten und führt zu höherer Genauigkeit und Wiederholbarkeit.

Korrosionsbeständigkeit

Verschiedene Aluminiumlegierungen unterscheiden sich stark in ihrer Korrosionsbeständigkeit – dem Grad, in dem sie Oxidation und chemischen Schäden standhalten können. Glücklicherweise sind einige der beliebtesten Legierungen für CNC-Bearbeitung die widerstandsfähigsten. 6061 bietet beispielsweise hervorragende Korrosionsbeständigkeit, ebenso wie andere Legierungen am unteren Ende des Festigkeitsspektrums. (Starke Aluminiumlegierungen können aufgrund der Anwesenheit von legiertem Kupfer weniger korrosionsbeständig sein.)

Festigkeits-Gewichts-Verhältnis

Aluminium hat wünschenswerte physikalische Eigenschaften, die es ideal für sowohl mechanische als auch ästhetische Teile machen. Zwei der wichtigsten sind die hohe Festigkeit des Metalls und sein geringes Gewicht, die das Material für kritische Teile günstig machen, wie sie in der Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie erforderlich sind. Flugzeugbeschläge und Automobilwellen sind zwei Beispiele für Teile, die erfolgreich mit Aluminium bearbeitet werden können.

Jedoch dienen verschiedene Aluminiumlegierungen unterschiedlichen Zwecken. Aufgrund ihres günstigen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses können Allzwecklegierungen wie 6061 für eine Vielzahl von Teilen verwendet werden, während bemerkenswert hochfeste Legierungen wie 7075 in Luft- und Raumfahrt- und Marineanwendungen bevorzugt werden können.

Elektrische Leitfähigkeit

CNC-bearbeitete Aluminiumteile können für elektrische Komponenten nützlich sein, aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit. Obwohl nicht so leitfähig wie Kupfer, hat reines Aluminium eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 37,7 Millionen Siemens pro Meter bei Raumtemperatur. Legierungen können niedrigere Leitfähigkeiten haben, aber Aluminiummaterialien sind signifikant leitfähiger als beispielsweise Edelstahl.

Material	Leitfähigkeit (S/m) bei Raumtemperatur
Kupfer	59,6 Millionen
Aluminium	37,7 Millionen
Zink	16,9 Millionen
Eisen	10 Millionen
Kohlenstoffstahl	7 Millionen
Titan	2,4 Millionen
Edelstahl	1,5 Millionen

Eloxisierbarkeit

Bearbeitete Aluminiumteile sind besonders in der Unterhaltungselektronikindustrie beliebt, nicht nur wegen Festigkeits- und Gewichtsanforderungen, sondern wegen wichtiger ästhetischer Überlegungen. Neben der Empfänglichkeit für Lacke und Tönungen kann Aluminium mit Eloxieren behandelt werden, einem Oberflächenveredelungsverfahren, das die schützende und oxidierte Aussenschicht des Teils verdickt.

Der Eloxierprozess, der in der Regel nach Abschluss der Bearbeitung stattfindet, beinhaltet das Leiten eines elektrischen Stroms durch das Teil in einem elektrolytischen Säurebad und resultiert in einem Aluminiumstück, das widerstandsfähiger gegen physischen Stoss und Korrosion ist.

Wichtig ist, dass Eloxieren es einfacher macht, Farbe zu einem bearbeiteten Aluminiumteil hinzuzufügen, da die eloxierte Aussenschicht hochporös ist. Farbstoffe können durch die porösen Abschnitte der Aussenschicht gelangen und sind weniger wahrscheinlich, abzublättern oder abzuschuppen, da sie in der harten Aussenseite des Metallteils eingebettet sind.

Recyclingfähigkeit

Ein weiterer Vorteil von Aluminium ist seine hohe Recyclingfähigkeit, was es für Unternehmen bevorzugt macht, die ihre Umweltauswirkungen minimieren möchten oder für jene, die einfach Materialverschwendung reduzieren und einen Teil ihrer Ausgaben zurückgewinnen möchten. Recycelbare Materialien sind besonders wichtig in der CNC-Bearbeitung, wo es eine relativ grosse Menge an Abfallmaterial in Form von Spänen vom Schneidwerkzeug gibt.

Alternativen zu Aluminium in der CNC-Bearbeitung

Unternehmen können aus verschiedenen Gründen Alternativen zu Aluminium für die CNC-Bearbeitung suchen. Schließlich hat das Metall einige Schwächen: Seine Oxidschicht kann Werkzeuge beschädigen, und es ist generell teurer als Alternativen wie Stahl, teilweise aufgrund der hohen Energiekosten der Aluminiumproduktion.

Hier sind einige potenzielle Bearbeitungsalternativen zu Aluminium, mit Schwerpunkt auf ihren Unterschieden und Ähnlichkeiten zum beliebten silbergrauen Metall.

Metalle

Stahl & Edelstahl

Besser als Aluminium für:

• Festigkeit
• Temperaturbeständigkeit

Schlechter als Aluminium für:

• Bearbeitbarkeit
• Gewicht

Stähle und Edelstähle sind weit verbreitete Materialien in der CNC-Bearbeitung. Aufgrund ihrer hohen Festigkeit werden Stähle für Hochspannungsanwendungen und solche, die starke Schweissnähte erfordern, bevorzugt. Stähle sind gegen sehr hohe Temperaturen beständig, und Edelstähle können wärmebehandelt werden, um ihre Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.

Obwohl bearbeitbare Stähle für verbesserte Bearbeitbarkeit konzipiert sind, bleibt Aluminium das bearbeitbarere der beiden Materialien. Stähle sind auch schwerer und haben eine höhere Härte als Aluminium, was je nach Anwendung erwünscht sein kann oder nicht.

Wenn Temperaturbeständigkeit eine wichtige Überlegung ist und Gewicht keine Rolle spielt, kann Stahl eine ideale Alternative zu Aluminium sein.

Titan

Besser als Aluminium für:

• Festigkeits-Gewichts-Verhältnis

Schlechter als Aluminium für:

• Kosten

Titan kann als gleichwertiger Ersatz für Aluminium verwendet werden, da sein primärer Vorteil ein aussergewöhnliches Festigkeits-Gewichts-Verhältnis ist – auch einer der Hauptvorteile von Aluminium. Titan hat ein ähnliches Gewicht wie Aluminium, ist aber fast doppelt so stark. Wie Aluminium ist es auch hochkorrosionsbeständig.

Diese Vorteile spiegeln sich im höheren Preis von Titan wider. Obwohl das Material eine ausgezeichnete Wahl für Teile wie Flugzeugkomponenten und Medizinprodukte ist, kann sein Preis prohibitiv sein.

Titan ist eine geeignete Alternative zu Aluminium, wenn Leichtgewicht ein primäres Anliegen ist und, wichtig, wenn das Fertigungsbudget etwas Flexibilität hat.

Magnesium

Besser als Aluminium für:

• Bearbeitbarkeit
• Gewicht

Schlechter als Aluminium für:

• Bearbeitungssicherheit
• Korrosionsbeständigkeit

Obwohl nicht das gängigste Bearbeitungsmaterial, bietet das leichte Metall Magnesium viele Vorteile gängiger Aluminiumlegierungen. Tatsächlich ist Magnesium eines der am besten bearbeitbaren Metalle, was den Bearbeitungsprozess schnell und effizient macht.

Ein potenzieller Nachteil für Werkstätten? Magnesiumspäne sind extrem entzündlich und werden durch Wasser noch verschlimmert, was bedeutet, dass Zerspaner beim Entfernen von Spänen Vorsicht walten lassen müssen.

Messing

Besser als Aluminium für:

• Einige ästhetische Anwendungen

Schlechter als Aluminium für:

• Kosten

Ein Metall mit goldenem Aussehen, Messing ist ein hochbearbeitbares Metall, das zu einem etwas höheren Preis als Aluminium erhältlich ist. Es ist häufig an Teilen wie Ventilen und Düsen sowie strukturellen Komponenten zu sehen, während seine hohe Bearbeitbarkeit es für Grossaufträge geeignet macht.

Kupfer

Besser als Aluminium für:

• Elektrische Leitfähigkeit

Schlechter als Aluminium für:

• Bearbeitbarkeit

Kupfer teilt mehrere Materialeigenschaften mit Aluminium. Die überlegene elektrische Leitfähigkeit von Kupfer kann es jedoch für verschiedene elektrische Anwendungen vorzuziehen machen. Während reines Kupfer schwer zu bearbeiten ist, bieten viele Kupferlegierungen ähnliche Bearbeitbarkeit wie gängige Aluminiumlegierungen.

Technische Thermoplaste

POM (Delrin)

Besser als Aluminium für:

• Elektrische Isolierung
• Niedrige Reibung

Schlechter als Aluminium für:

• Festigkeit
• Hitzebeständigkeit

CNC-Bearbeitungsprojekte müssen nicht auf Metalle beschränkt sein. Tatsächlich können mehrere technische Thermoplaste einige Vorteile von Aluminium erreichen oder übertreffen, abhängig von der Anwendung.

Da Aluminium oft wegen seiner hervorragenden Bearbeitbarkeit bevorzugt wird, ist eine praktikable Kunststoffalternative POM (Delrin), das, wie Aluminium, hervorragend für den Bearbeitungsprozess geeignet ist. POM hat einen niedrigen Schmelzpunkt, aber beeindruckend hohe Festigkeit für einen Kunststoff.

POM ist ein elektrischer Isolator, was es für Teile wie Elektronikgehäuse geeignet macht. Es eignet sich auch für mechanische Teile. Angesichts seines radikal unterschiedlichen Isolierverhaltens im Vergleich zu Aluminium sollte es jedoch nur als gleichwertiger Ersatz in Situationen verwendet werden, in denen thermische und elektrische Leitfähigkeit vernachlässigbar sind.

PTFE (Teflon)

Besser als Aluminium für:

• Elektrische Isolierung
• Sehr niedrige Reibung

Schlechter als Aluminium für:

• Festigkeit

Wie POM ist PTFE (Teflon) ein hochbearbeitbarer Thermoplast, der ein hervorragender elektrischer Isolator ist. Im Gegensatz zu POM ist PTFE jedoch auch gegen hohe Temperaturen (bis 260 °C) beständig, was es zu einer praktikablen Aluminiumalternative für Hochtemperaturanwendungen macht.

Die hohe chemische Beständigkeit von PTFE macht es auch zu einem beliebten Bearbeitungsmaterial für Teile, die in der Lebensmittelindustrie verwendet werden.

PEEK

Besser als Aluminium für:

• Medizinische Verwendung

Schlechter als Aluminium für:

• Bearbeitbarkeit
• Kosten

Obwohl PEEK schwerer zu bearbeiten ist als die vorherigen beiden Thermoplaste, machen seine hohe Festigkeit und thermische Stabilität (beständig bis 260 °C) es zu einer echten gleichwertigen Alternative zu Aluminium. PEEKS Beliebtheit für Teile wie Ventile, Lager, Pumpen und Düsen zeugt von seinen metallähnlichen Fähigkeiten.

Ein Stolperstein ist der Preis. Als Hochleistungspolymer ist PEEK einer der teureren bearbeitbaren Thermoplaste, was es nur für Bearbeitungsprojekte geeignet macht, wo allgegenwärtige Materialien wie Aluminium unbrauchbar sind.

ABS

Besser als Aluminium für:

• Thermisches Schockverhalten

Schlechter als Aluminium für:

• Festigkeit

ABS wird häufig als Spritzgussmaterial und in jüngeren Jahren als 3D-Druckfilament verwendet. Aber während ABS wenig mit Aluminium gemein hat, bleibt es ein vielseitiges und leichtes Material für CNC-Bearbeitung, das überdurchschnittliche Schlagfestigkeit bietet.

Weitere

Andere bearbeitbare Kunststoffe, die mostly unähnlich zu Aluminium sind, umfassen PC, ABS+PC, PP, PS, PMMA (Acryl), PAGF30, PCGF30, DHPE, HDPE und PPS.

Alternativen zu spezifischen Aluminiumlegierungen

Anwendung	Aluminium	Alternative
Allgemein	6061	Baustahl 1018
Luftfahrt	7075	Edelstahl 303
Marine	5083	Edelstahl 304 Edelstahl 316
Bauwesen	5083	Baustahl A36
Lebensmittel	6061	PTFE PC

CNC-Bearbeitung mit anderen Prozessen kombinieren

Wenn Aluminium das bevorzugte Material für ein Projekt bleibt, gibt es Wege, CNC-Bearbeitung mit anderen Fertigungsprozessen zu kombinieren, um komplexere, leistungsstärkere Aluminiumteile zu erstellen. Dies kann die Funktionalität von Aluminium maximieren, während die Vorteile mehrerer Produktionsprozesse genutzt werden.

Zusätzlich dazu, ein All-in-One-Fertigungsprozess zu sein, kann CNC-Bearbeitung verwendet werden, um Teile, die mit anderen Maschinen hergestellt wurden, zu verfeinern oder zu modifizieren. Strangpressen, Guss und Schmiedeprozesse können jeweils durch den Bearbeitungsprozess ergänzt werden, um bessere Aluminiumkomponenten herzustellen.

Aluminium-Strangpressen + CNC-Bearbeitung

Strangpressen ist der Prozess, flüssiges Material durch eine Öffnung in einer Matrize zu pressen, wodurch ein längliches Bauteil mit einem kontinuierlichen Profil entsteht. Während Aluminium-Strangpressen ein effektiver Weg ist, funktionale Komponenten mit qualitativ hochwertigen Oberflächen und komplexen Querschnitten herzustellen, ist es in der Reichweite begrenzt, da diese Querschnitte über das gesamte Teil konsistent sein müssen.

Es sei denn, das Teil wird nach dem Strangpressen modifiziert. Da Aluminium-Strangpressen tendenziell formbare, duktile und bearbeitbare Aluminiumlegierungen wie 6061 & 6063 involvieren, können die stranggepressten Teile anschliessend nachbearbeitet werden – auf verschiedene Weise mit einem CNC-Bearbeitungszentrum geschnitten.

Die Kombination von Aluminium-Strangpressen und CNC-Bearbeitung ist ein grossartiger Weg, um widerstandsfähige Teile mit komplexen Querschnitten und unregelmässigen Geometrien herzustellen.

Druckguss + CNC-Bearbeitung

Druckguss ist ein Fertigungsprozess, bei dem flüssiges Metall unter hohem Druck in eine Formkavität gepresst wird. Er wird generell verwendet, wenn Teile in grösseren Mengen hergestellt werden, da die erforderlichen Werkzeugstahlformen teuer in der Herstellung sind.

Neben Stahl, Magnesium und Zink ist Aluminium eines der beliebtesten Metalle für Druckguss, und druckgegossene Aluminiumteile haben generell eine hervorragende Oberflächenbeschaffenheit und Dimensionskonstanz.

Diese Vorteile können mit den Vorteilen der CNC-Bearbeitung kombiniert werden. Durch Druckguss von Aluminiumkomponenten und anschliessendes Hinzufügen weiterer Schnitte mit einem Bearbeitungszentrum ist es möglich, Teile mit aussergewöhnlichem Finish und komplexeren Geometrien zu erstellen, als dies mit jedem Prozess allein möglich wäre.

Schwerkraftguss kann anstelle von Druckguss verwendet werden, wenn Kostensenkung wichtiger ist als hohe Präzision oder dünne Wände.

Feinguss + CNC-Bearbeitung

Feinguss ist ein Metallgussprozess, der Wachsmodelle verwendet, um Metallteile herzustellen. Wie andere Gussprozesse erzeugt er Teile mit hervorragender Oberflächenbeschaffenheit und hoher Dimensionsgenauigkeit.

Der Prozess erzeugt auch einzigartige Vorteile: Er kann verwendet werden, um komplexere Teile herzustellen, als es mit Druckguss möglich wäre, und Teile entstehen ohne Trennlinien.

Aluminiumlegierungen sind ein gängiges Material für Feinguss, und die gegossenen Aluminiumteile können zur Verfeinerung nachbearbeitet werden.

Schmieden + CNC-Bearbeitung

Viele bearbeitbare Aluminiumlegierungen eignen sich auch für den altbewährten Prozess des Schmiedens, der Metall durch Druckkraft formt. (Dies involviert oft das Hämmern des Metalls.)

Aluminium 6061 ist beispielsweise für Warmumformung mit geschlossener Matrize geeignet – ein Prozess, der häufig zur Herstellung von Automobil- und Industriekomponenten verwendet wird.

Die geschmiedeten Aluminiumstücke können mit einem CNC-Bearbeitungszentrum nachbearbeitet werden. Dies kann vorteilhaft im Vergleich zur reinen Bearbeitung sein, da geschmiedete Teile generell stärker sind als vollständig gegossene oder vollständig bearbeitete Entsprechungen. Allerdings ermöglicht die Nachbearbeitung die Erstellung komplexerer Geometrien, ohne die Integrität des Teils vollständig zu kompromittieren.

Um mehr über CNC-Bearbeitung mit Aluminium und anderen Materialien zu erfahren, kontaktieren Sie 3ERP.