Horizontales vs. vertikales Fräsen & Drehen: Wichtige Unterschiede erklärt

Bei CNC-Fräs- und Drehmaschinen gibt es viele Details, die den Workflow erheblich beeinflussen. Keine einzelne Maschine kann jeden möglichen Fertigungsvorgang bewältigen, daher ist es ratsam, die Merkmale zu kennen, die für die eigenen Operationen am besten geeignet sind.

Es gibt viele solcher Überlegungen, aber einer der wichtigsten Unterschiede bei der Wahl einer Bearbeitungskonfiguration ist, ob diese vertikal oder horizontal ausgelegt sein sollte.

Horizontale Bearbeitungszentren (HMCs) und vertikale Fräsmaschinen (VMCs) unterscheiden sich in mehreren Aspekten über die reine Ausrichtung hinaus. Die beiden Frästypen haben unterschiedliche Komponenten und eignen sich für unterschiedliche Schneidoperationen: Als Faustregel kann eine horizontale Fräsmaschine tiefe Nuten mit minimalem Werkzeugchatter oder Verformung schneiden, während eine vertikale Fräsmaschine besser für feine Details geeignet ist.

Dieser Artikel beleuchtet die wesentlichen Unterschiede zwischen horizontalem und vertikalem Fräsen. Er betrachtet Vor- und Nachteile jedes Verfahrens, listet gängige Maschinen auf dem Markt und gibt Tipps zur Wahl zwischen horizontalem und vertikalem Fräsen.

Was ist eine vertikale Fräsmaschine?

Eine vertikale Fräsmaschine ist eine Fräsmaschine, bei der die Spindel (die die Spannzange hält, die wiederum das Schneidwerkzeug hält) vertikal ausgerichtet ist. Sie ist die häufigere Konfiguration für eine CNC-Fräse und kann für Fräsen, Nuten, Bohren oder Ausbohren verwendet werden.

Vertikale Fräsmaschinen machen tatsächlich den Großteil der Fräsmaschinen in Branchen wie der Metallbearbeitung aus, was auf ihre geringeren Kosten im Vergleich zu horizontalen Systemen zurückzuführen ist. Wie der Name andeutet, haben vertikale Fräsmaschinen eine vertikale Ausrichtung ihres Fräskopfs oder ihrer Spindel. Die Details der Frässteuerung können von Maschine zu Maschine variieren.

Beliebte vertikale Fräsmaschinen umfassen die Integrex-, VCN- und VTC-Produktserien von Mazak; die VF-, VR- und Universal-Serien von Haas (3ERP nutzt Modelle aus der VF- und Universal-Reihe); den FANUC ROBODRILL; und die CMX V-, DMV- und NVX-Reihen von DMG MORI.

Die zwei Haupttypen vertikaler Fräsen sind Tischfräsen (Turret Mills) und Bettfräsen (Bed Mills).

Tischfräsmaschine (Turret Milling Machine)

Bei Tischfräsmaschinen bleibt die Spindel fest an ihrem Platz, während der Bettteil der Maschine das Material hält. Dieser Bett bewegt sich horizontal oder vertikal, sodass die Maschine die Position des Materials in beide Richtungen manipulieren kann. Die Tischfräse ist ein äußerst vielseitiges Gerät, kann aber durch die Größe der herzustellenden Teile limitiert sein.

Bettfräsmaschine (Bed Milling Machine)

Bettfräsmaschinen bewegen das Material entlang der horizontalen Achse mit einer Spindel, die auf die vertikale Achse beschränkt ist. Die Spindel kann nach Bedarf auf und ab fahren und das Material in Form bringen. Bettfräsmaschinen haben einen ziemlich guten Bewegungsbereich, da der Spindelteil mit der horizontalen Bewegung des Betts kombiniert wird und so das Fräsen einer Vielzahl von Formen und Tiefen ermöglicht.

Was ist eine horizontale Fräsmaschine?

Eine horizontale Fräsmaschine kann viele ähnliche Operationen wie eine vertikale Fräse ausführen, ist aber anders konfiguriert, mit horizontal ausgerichteter Spindel. Robuster und stabiler als vertikale Fräsen, können diese Maschinen leistungsstarke Schneidoperationen und schwere Teile bewältigen.

Die Fräser der Horizontalmaschine ähneln dem Blatt einer Kreissäge, mit dem entscheidenden Unterschied, dass sie generell dicker, kleiner sind und ihre Form schnelleres Fräsen ermöglicht als die Spindeln ihrer vertikalen Pendants.

Der Einsatz des Fräserarbors und dessen Länge kann auch bedeuten, dass eine horizontale Fräse mehrere Fräser gleichzeitig verwenden kann.

Für komplexere Fräsoperationen verfügen einige horizontale Fräsmaschinen über einen Drehrundtisch, sodass das Schneidwerkzeug das Werkstück aus verschiedenen Winkeln anfahren kann. Dieses horizontale Frässetup wird Universal-Tisch genannt.

Beliebte horizontale Fräsmaschinen umfassen die FF-, HCN- und MEGA-Produktserien von Mazak; die EC- und Universal-Serien von Haas (3ERP nutzt die Universal); und die NH-, NHX- und i-Series-Reihen von DMG MORI.

Was ist CNC-Drehen?

Bei CNC-Drehzentren können, ähnlich wie bei Fräsmaschinen, horizontale und vertikale Konfigurationen unterschieden werden.

Horizontales Drehen

Horizontale Drehzentren sind der prominentere Typ in den meisten Branchen. Sie haben eine horizontal ausgerichtete Spindel, mit Werkzeugen, die seitlich aus dem Werkzeughalter montiert sind. Dies hilft ihnen, quer über das zu bearbeitende Objekt zu schneiden. Wie beim Fräs-Pendant profitiert auch dieser Drehzentrentyp von der Schwerkraft, da diese die Späne vom Werkstück wegzieht.

Vertikales Drehen

Vertikale Drehzentren werden auch als vertikale Revolverdrehbänke (VTL) bezeichnet. Vertikale und horizontale Drehzentren sind sehr ähnlich, aber ihre Konfiguration und Form sind umgekehrt, sodass der Spindelstock auf dem Boden sitzt und die Planscheibe zu einem horizontal rotierenden Tisch wird. Invertierte vertikale Drehzentren sind wie die regulären, aber mit vertauschten Positionen für Spindel und Backenfutter.

Vertikale Bearbeitung – Vor- & Nachteile

Vertikales Fräsen eignet sich am meisten für Projekte, bei denen der Hauptfokus des Objekts auf einer bestimmten Seite liegt. Dies kann beispielsweise eine große Metallplatte oder eine Senkform sein.

Vorteile

1. Einfachheit: Vertikale Fräsmaschinen sind generell weniger komplex als horizontale, dadurch günstiger und einfacher zu bedienen und zu warten.
2. Vielseitigkeit: Bei vertikalen Bearbeitungszentren gibt es Abhängigkeiten vom Typ. Tischfräsen sind meist auf kleinere Projekte beschränkt, da die Zwei-Achs-Bewegung bei größeren Werkstücken herausfordernd sein kann. Im Gegensatz dazu sind Bettfräsen besser für Projekte geeignet, die schwerere, größere Werkstücke erfordern (doch immer noch weit weniger leistungsfähig als horizontale Fräsen).
3. Aufstellfläche: Vertikale Fräsmaschinen haben einen weit geringeren Footprint als ihre horizontalen Pendants. Dies, zusammen mit dem Preis, macht sie für kleinere Werkstätten attraktiv. Sie haben auch mehr Nutzer und damit einen größeren Pool an qualifizierten Zerspanern.
4. Kosten: Vertikale Bearbeitungszentren sind häufiger als horizontale und günstiger – sowohl in Anschaffung als auch Wartung.
5. Detailgenauigkeit: Vertikale Fräsmaschinen eignen sich gut für feine Details an Teilen mit engen Toleranzen.

Nachteile

Wo VMCs Schwächen zeigen, ist die Fähigkeit zur Produktion in höheren Volumen und Komplexitäten. Schwerere Materialien können auch für den Betrieb der vertikalen Fräsmaschine problematisch sein, da sie schwerer anzuheben und abzusenken sind.

1. Zugänglichkeit: Eine vertikale Fräsmaschine glänzt bei einseitigem Fräsen (z. B. Senkformen), ist aber weniger gerüstet für das Fräsen an allen Seiten eines Teils, was ein neues Spannsetup erfordert.
2. Leistung: Bei sehr großen und schweren Teilen können vertikale Fräsmaschinen Schwierigkeiten haben, besonders Tischfräsen, die das Werkstück ständig bewegen müssen.
3. Geschwindigkeit: Vertikale Fräsen sind präzise, können aber langsamer sein als horizontale Fräsmaschinen, wenn Hochvolumenproduktion gefordert ist.

Horizontale Bearbeitung – Vor- und Nachteile

Trotz höherer Preise sind horizontale Fräsmaschinen die bevorzugte Wahl für komplexere Projekte.

Vorteile

Die Maschinen sind vielseitiger und können an mehr Seiten arbeiten als vertikale. Sie eignen sich besser für schwere Teile und solche, bei denen das Schneiden einer oder mehrerer Nuten erwünscht ist. Horizontale Fräsen haben auch eine bessere Neigung zur Nuterstellung.

Weitere Vorteile:

1. Leistung: Die Stabilität des Arbors ermöglicht schwere Schnitte und schnelle Materialabtragung in großen Abschnitten – sogar bei harten Materialien.
2. Geschwindigkeit: Schnelle Materialabtragung macht horizontale Fräsen ideal für Hochvolumenproduktion (relativ einfacher Teile).
3. Gangfräsen (Gang Milling): Die Maschinen können zusätzliche Fräser für diverse Anwendungen aufnehmen, besonders effizientes Einbringen von Nuten. Bei bestimmten horizontalen Fräsen können Betten gedreht werden, um Fräsen an mehreren Winkeln statt strikt in der Horizontalen zu ermöglichen. Diese Bettbewegung fügt der Maschine etwas mehr Vielseitigkeit hinzu.
4. Spanabfuhr: Horizontale Fräsmaschinen haben eine weit bessere Spanabfuhr. Dies liegt an der Konfiguration, die die Schwerkraft nutzt, um Späne fallen zu lassen. Zudem begünstigt dies eine bessere Oberflächenqualität und längere Werkzeugstandzeiten.

Nachteile

Der kritischste Nachteil sind die höheren Kosten, die mit horizontalen Fräsmaschinen verbunden sind.

1. Kosten: Diese können 3- bis 4-mal so hoch sein wie bei vertikalen Fräsen. HMCs können auch schwerer zu überwachen sein, da Teile verdeckt sind und der Blick auf das Projekt durch das Design begrenzt wird.
2. Komplexität: Eine horizontale Fräsmaschine kann schwieriger zu bedienen sein als eine vertikale Fräse.
3. Aufstellfläche: Eine horizontale Fräsmaschine benötigt mehr Stellfläche als vertikale Fräsen, was sie für kleine Werkstätten schwer einrichtbar macht.

Horizontales Drehen – Vor- und Nachteile

Horizontale Drehzentren sind oft flexibler und haben längere Betten, was sie besser für lange Werkstücke wie Wellen geeignet macht. Dies gibt ihnen zusätzliche Nutzbarkeit und Vielseitigkeit. Sie können auch Komponenten wie Stangenlader nutzen und haben häufig Gegenpunkte, die bei vertikalen Drehbänken selten sind.

Horizontale Drehzentren gibt es länger, daher neigen die meisten Maschinen und Experten zu dieser Konfiguration. Das bedeutet auch ein breiteres Wissensspektrum zu diesen Maschinen und ihren spezifischen Operationen. Einstellung und Training richten sich danach aus, was ein Vorteil der Maschine selbst sein kann.

Horizontale Maschinen können limitiert sein. Bei der Bearbeitung von großen Durchmessern, kurzen Teilen – besonders wenn sie schwer sind – arbeiten vertikale Drehzentren besser. Spanfluss und Reinigung sind auch ein Thema bei horizontalen Konfigurationen.

Vertikales Drehen – Vor- und Nachteile

Diese Konfiguration ist besonders vorteilhaft für die Bearbeitung großer, schwerer und kurzer Objekte. Die nach unten ziehende Schwerkraft trägt zur Platzierung des Werkstücks in der Spannvorrichtung bei. Ein weiterer Vorteil: Die Schwerkraft leitet die Späne vom Werkstück weg in die Auffangwanne oder den Förderer.

Viele Autoteile werden vertikal und typischerweise mit doppelter Spindel bearbeitet. Ein Vorteil: Die Schwerkraft arbeitet für Sie; beim Einspannen in das Futter setzt sich das Teil selbst.

Die vertikale Spindelausrichtung (im Gegensatz zur horizontalen) ermöglicht eine 360°-Abstützung der Spindel, eliminiert Spindeldurchbiegung und erhöht das maximal zulässige Gewicht auf der Spindel. Die zusätzliche Abstützung dissipiert auch die Schneidkräfte bei schweren und/oder unterbrochenen Schnitten. Die Eliminierung der Spindeldurchbiegung ermöglicht auch bessere Ebenheits- und Rechtwinkligkeitsgenauigkeiten.

Vertikale Drehzentren haben auch einen weit geringeren Footprint als ihre horizontalen Pendants, sodass Werkstätten den Platz optimieren können. Oft nimmt eine vertikale Drehbank nur die Hälfte der Fläche einer horizontalen ein, was in kleineren Werkstätten einen Vorteil darstellt.

Invertierte vertikale Maschinen sind ebenfalls eine Option, da sie eingebaute Automatisierung ermöglichen, die bei horizontalen nicht verfügbar wäre. Hier kommt die Spindel herüber und nimmt das Teil auf, während man bei horizontalen einen Roboter oder Portalkran zum Beladen bräuchte.

Späne können bei vertikalen Drehbänken und Drehzentren ein Problem darstellen, wenn das zu bearbeitende Werkstück konkav ist. Dies führt oft dazu, dass Späne intern eingeklemmt werden. Ein weiteres Problem kann sein, dass Späne in die Spindel selbst fallen. Schutzmaßnahmen und Abdeckungen müssen effizient sein.

Wie wählt man zwischen vertikalem und horizontalem Fräsen?

Die Wahl zwischen vertikalem und horizontalem Fräsen hängt von Faktoren ab wie:

1. Teilgröße
2. Teilkomplexität
3. Budget
4. Stückzahl
5. Maschinenverfügbarkeit in der Werkstatt
6. Material

Als Faustregel ist vertikales Fräsen oft besser für:

• detaillierte Teile
• Teile, die nur an einer Seite bearbeitet werden müssen
• weichere Materialien
• Alltagsteile bei begrenztem Budget

Horizontales Fräsen ist besser für:

• schnelle Materialabtragung
• große und schwere Teile
• härtere Materialien
• Teile, die an mehreren Seiten bearbeitet werden müssen
• Operationen, die kundenspezifische oder spezielle Schneidwerkzeuge erfordern

In vielen Fällen wird eine Werkstatt Ihr Projekt prüfen und die beste Ausrüstung für das Fräsen bestimmen.

Für weitere Informationen zu den verschiedenen Frästypen und ihren Anwendungen siehe unseren Leitfaden „Was ist CNC-Fräsen und wie funktioniert es?“.

Nachwort

Es ist auch wichtig zu bedenken, dass es diverse Zusatzteile und Fräsköpfe gibt, mit denen man eine horizontale Fräse zum vertikalen Fräsen umrüsten kann, oder umgekehrt. Dies kann als günstigere Lösung dienen, wenn ein Maschinentyp auf ein Hindernis stößt.

Solche Werkzeuge sind zwar großartig, bleiben aber eine begrenzte Lösung im Vergleich zum tatsächlichen Gerät. Ebenso können invertierte vertikale Drehzentren interessant sein, da sie zusätzliche Automatisierung in den Prozess bringen können.

Hoffentlich helfen die bereitgestellten Informationen. 3ERP bietet CNC-Fräsdienstleistungen und CNC-Drehdienstleistungen für Rapid Prototyping und Produktion. Kontaktieren Sie unsere Ingenieure, wenn Sie weitere Fertigungsvorschläge benötigen.