Richtige Metallbearbeitungsstrategien für kosteneffizientes Prototyping wählen

Metallbearbeitung, speziell Fräsen, ist in modernen Prototyping-Techniken weit verbreitet. Prototypenhersteller maximieren Maschinenkapazitäten technologisch. Eine in den letzten Jahren populäre Methode: Schraubenfräsen (Helical Milling). Klärung: Was ist Schraubenfräsen, Vor-/Nachteile, Nutzung für kostengünstiges Prototyping-Design.

Was ist Schraubenfräsen?

Alternative Lochbearbeitung. Fräser folgt helixförmiger Bahn → hochwertige Bohrung. Vorteile ggü. konventionellem Bohren: kann Bohrmaschinen komplett ersetzen – Vorteil für Prototypenwerkstätten (vermeiden Geräteanschaffung). Erzeugt Bohrungen praktisch jeder Form, geringere Schnittkraft, weniger Werkzeugverschleiß, hohe erreichbare Qualität.

Warum nicht Bohren?

Hauptalternative: konventionelles Bohren. Weit verbreitet. Statistisch: Bohren = bis zu 25 % Zykluszeit, 33 % aller Bearbeitungsoperationen bei Metallteil. Warum Fräsen in Betracht ziehen? Trotz simplerer Kinematik hat Bohren gravierende Nachteile:

• Schnittgeschwindigkeit variiert mit Durchmesser: Maximum am Außenrand, ~Null im Zentrum (Achse). Zentrum = keine Schnitt, sondern Plastifizierung → hoher Axialdruck, drastischer Werkzeugverschleiß.
• Axialdruck biegt dünne Metallschicht beim Austritt → Grat um Bohrung → manuelle Nacharbeit. Fräsen reduziert Grat drastisch.
• Schlechte Spanabfuhr: Span nur über Spannuten abführbar. Beeinflusst Oberflächenqualität & Schnittemperatur. Späne schaben Bohrungswand → schlechtere Oberfläche. Späne tragen ~80 % Schnittwärme → Abfuhrprobleme erhöhen Bohrer-Temperatur → schnellerer Verschleiß. Gegenmaßnahme: Etappenbohren (Teilbohren, Ausfahren, Späne entfernen) → Zeitverlust.

Bohren hat signifikante Nachteile → Hersteller nutzen Schraubenfräsen für Effizienzsteigerung.

Spezifika des Schraubenfräsens

Prozesse im Schraubenfräsen:

• Fräser bewegt sich auf Helixbahn → Z-Achse (vertikal) + X-Y-Achse (horizontal) kombiniert. NC-Programm manuell komplex, aber viele CAM-Systeme haben Schraubenfräsen als Strategie implementiert.
• Spangeometrie: zwei Zonen – blau (Seite des Fräsers) & rot (Stirnseite). Verhältnis nur durch Werkzeug- & Bohrdurchmesser bestimmt.

Werkzeugdurchmesser ↑ → blaue Zone ↑ → schlechteres Fräsen bzgl. Vibration (blauer Span diskontinuierlich vs. roter kontinuierlich) → schlechtere Oberfläche. Radialkräfte (Fr) steigen → Werkzeugbiegen in Bohrung → Toleranzabnahme. Größere Werkzeuge sind steifer – mildern Effekt.

Kleineres Werkzeug → rote Zone dominiert → geringe Radialkraft & Vibration, aber Mindestdurchmesser durch Systemsteifigkeit begrenzt.

Empfehlung: Erst großes Werkzeug, dann kleineres für Feinschnitt (geringe Tiefe/Vorschub) → hervorragende Oberfläche.

Gründe für Schraubenfräsen

Vielversprechender Prozess mit Vorteilen:

• Jeden Durchmesser mit besserer Präzision & Oberfläche OHNE Werkzeugwechsel. Bohrung >35 mm: ein Bohrer = schlechte Entscheidung. Üblich: 10 mm → 20 mm → 35 mm (3 Bohrer), dann Reiben/Senken = 4–6 Werkzeugwechsel. Schraubenfräsen: 1 Fräser für Bohrung, kleinerer Vorschub für Toleranz/Qualität. Erreicht IT7 mit Ra 1,25 ohne Werkzeugwechsel.
• Niedrigere Schnittemperatur & bessere Spanabfuhr. Fräser füllt Bohrung nicht vollständig. Hauptvorteil: kein periodisches Ausfahren nötig. KSS in Bohrung sprühen → Späne entfernen, Temperatur senken.
• Werkzeugverschleiß vorhersagbar & Bahnkorrektur möglich. Bohren: Verschleiß oft erst bei Bruch sichtbar (bei harten Materialien: Steckenbleiben). Schraubenfräsen = Fräsen → Verschleiß via Standardberechnung oder Herstellerdaten vorhersagbar. Bahnanpassung während Prozess zur Dimensionserhaltung. Beim Bohren unmöglich. Werkzeugstandzeit durch Stirnseitenverschleiß (rote Zone) bestimmt.

Fazit

Schraubenfräsen ist innovativ & hat Nachteile (z. B. geringere Spanabfuhrrate, Parameter noch nicht fully researched). Aber: Reduziert Aufspannungen, Bearbeitungsschritte, Werkzeuge – bei Erhalt der Bohrqualität. Erheblicher Vorteil für Prototypenhersteller, die Werkzeug- & Geräteaufwand minimieren wollen.