CNC-Werkstoffauswahl: Experten-Leitfaden für die richtige Materialentscheidung

3. Mechanische Belastung (Spannung, Stoß, Ermüdung)

Hohe Lasten → Werkstoff mit hoher Streckgrenze & Zähigkeit (Stahl, Titan, PEEK, Phenolharze). Verformung vermeiden → Steifigkeit (E-Modul) prüfen. Dynamische Lasten → Ermüdungsfestigkeit (Wöhler-Linie).

4. Maßhaltigkeit & Toleranzen

Enge Toleranzen → schwerer/teurer zu fertigen. Prüfen: Ist die Toleranz funktional nötig? Alte Zeichnungen: Toleranzen prüfen (Tippfehler?). Lockerung spart Kosten. Standardtoleranz (ISO 2768-mK) oft ausreichend. Nicht definierte Toleranz → Fertiger wendet Hausstandard an → Risiko. Tipp: Toleranz früh mit Fertiger abstimmen (AMI unterstützt).

5. Fügeanforderungen (Schrauben, Pressen, Kleben, Schweißen)

Gewinde im Werkstoff → Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Galvanische Korrosion (Kontakt verschiedener Metalle). Standard: Stahl (vergütet/edel). Alternativen: Messing (Korrosion, Leitfähigkeit), Titan (Gewicht, Biokompatibilität), Kunststoff-Gewinde (nur geringe Last). Passung (H7/g6) → CNC-Präzision nötig.

6. Betriebstemperatur

Schmelzpunkt / Glasübergangstemperatur (Tg) > Max. Betriebstemperatur + Sicherheitsmarge. Temperaturschwankungen → Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) beachten (Verzug, Spannung). Beispiel PVC: Einsatz ~80 °C, Stabilität verliert ~140 °C → für heiße Umgebungen ungeeignet. Polyisocyanurat (PIR): Thermoplast → Duroplast (nach Aushärtung), schmilzt nicht, gefriert nicht, -100 bis +200 °C, dimensionsstabil.

Fertigungstemperatur: Zerspanwärme darf Bauteil nicht verziehen (Kühlung, Schnittwerte).

7. Gewicht & Tragfähigkeit

Schwere Werkstoffe (Stahl, Kupfer, Phenolharze): Hohe Steifigkeit, Dämpfung, Tragfähigkeit. Für statisch belastete, stationäre Teile.
Leichte Werkstoffe (Alu, Titan, Magnesium, PEEK, Schäume): Gewichtsempfindliche Anwendungen (Luftfahrt, Mobile Robotik, Handgeräte). Teurer pro kg, aber Systemgewichtsersparnis.
Entscheidung: Wichtigste Kenngrößen priorisieren (Festigkeit, Gewicht, Temperatur, Kosten) → Kandidaten filtern → Kosten vergleichen.

Festigkeitskenngrößen differenzieren:

• Zugfestigkeit (Rm): Bruchlast unter Zug.
• Ermüdungsfestigkeit: Dauerfestigkeit unter Wechselbeanspruchung.
• Verschleißfestigkeit: Reibung, Abrieb (UHMW-PE → besser als PTFE/Teflon®).
• Härte (Brinell/Rockwell/Vickers): Punktbelastung, Eindrückwiderstand.

Einfluss hoher Temperaturen auf Werkstoffe

Viele Kunststoffe versagen bei Hitze. PVC: Brandschutz gut, aber Einsatzgrenze ~80 °C, Zersetzung ~140 °C. PIR (Polyisocyanurat): Verarbeitet als Viskose → formbar → nach Aushärtung duroplastisch, extrem stabil, nicht schmelzend. Für Hochtemperaturanwendungen prüfen: Tg, Schmelzpunkt, Dauergebrauchstemperatur, CTE.

CNC-taugliche Werkstoffklassen (Überblick)

• Metalle: Aluminium (6061, 7075, 2024), Messing (C360), Stahl (1.1730, 1.7131, 1.4301, 1.4404), Titan (Grade 2, Grade 5), Kupfer, Bronze.
• Kunststoffe: POM (Acetal), PMMA (Acryl), PC (Polycarbonat), PP (Polypropylen), PEEK, PTFE, PPS, PEI (Ultem), UHMW-PE, PA (Nylon 6/66), PET.
• Holz & Holzwerkstoffe: Hartholz, Sperrholz, MDF, HPL (CNC-Router).
• Schäume: Rigid Foam (PU, PEI, PVC-Hartschaum), Carving Foam (PIR, EPS) – leicht, formbar, isolierend.
• Phenolharze / Laminate: G10/FR4, G11, G7, G9, CE, LE, GPO-3 – elektrisch isolierend, flammwidrig, hitzestabil.

Empfehlungen nach Anwendungsfokus

Rigid Foam (Hartschaum)

Höchster Dämmwert (R-Wert) unter Schäumen. -100 °C bis +200 °C. Feuchtebeständig. Premium für: Bauplatten, Wände, Böden, Kälte/Klima, Strukturkern (Sandwich).

Carving Foam (Formschaum)

Fast jede Form fräsbar. Flexibel, aber dimensionsstabil. Enthält PIR → Temperaturbeständig. Nutzung: Formenbau (Negativformen), Dichtungen, Dichtflächen, Prototypen, HF-Wetterschutz (Verteidigung).

Phenolharze (Phenolics)

Wenn MIL-Spezifikationen gefordert sind (MIL-I-24768). Sorten: CE, LE, G10, G10/FR4, G9, G11, G7, GPO-3. Leinen-Phenol (LE): Feines Gewebe → gute Zerspanbarkeit, Maßhaltigkeit, Oberfläche. Nicht für Primärisolation (Elektrik). CE-Phenol: Baumwollgewebe, MIL-I-24768/14 FBG. LE-Phenol: MIL-I-24768/13 FBE.

Kunststoffe (Plastics)

Breiteste Palette. Hauptanwendungen: Buchsen, Lager, Elektroisolierung. Märkte: Luftfahrt, Auto, Medizintechnik, Elektronik.
Beispiele: POM → Lager/Buchsen (selbstschmierend). PVDF → Kabelisolation (chemisch beständig). UHMW-PE → Medizin (Hüft-/Knie-/Wirbelimplantate), Fördertechnik. PEEK → Hochtemperatur, Medizintechnik, Halbleiter. PTFE → Chemiebeständigkeit, Gleitlager.

Allgemeine Tipps zur CNC-Werkstoffbearbeitung

• Nichtmetalle prüfen: Oft leichter, detailreicher, korrosionsbeständiger als Metalle. Schäume für Struktur/Isolation, Phenolharze für Elektrik/Feuer.
• Schäume unterscheiden: Rigid Foam = Struktur/Isolation/Dämmung. Carving Foam = Formen/Modelle/Dichtungen/Prototypen.
• Phenolharze für Normen: Militär, Bahn, Hochspannung, Schaltgeräte.
• Kunststoffe gezielt wählen: Datenblätter vergleichen (Tg, CTE, Zugfestigkeit, chem. Beständigkeit, FDA, UL94).

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