CNC-Fräsen erklärt:Präzisionsteilefertigung

Beim CNC-Fräsen handelt es sich um ein subtraktives Fertigungsverfahren, mit dem Ingenieure Präzisionsteile durch ausgelagerte CNC-Bearbeitung beschaffen. In diesem Artikel wird erläutert, wie CNC-Fräsmaschinen funktionieren, welche Arten von Teilen mit Fräsen hergestellt werden können und welche Konstruktionsrichtlinien dabei helfen, Teile für die Herstellbarkeit zu optimieren.

Beim CNC-Fräsen wird ein numerisches Computersteuerungssystem mit einem rotierenden Mehrpunkt-Schneidwerkzeug oder Fräser kombiniert. Bei diesem Verfahren wird das Werkstück auf einem Maschinenbett montiert und Material aus einem massiven Block entfernt, um die endgültige Geometrie zu erzeugen. Mit dem CNC-Fräsen werden Teile aus Materialien wie Glas, Metall, Kunststoff, Holz und anderen Spezialmaterialien hergestellt. 

Dieser Leitfaden beschreibt die Funktionsweise von CNC-Fräsmaschinen, gibt einen Überblick über gängige Arten von CNC-Fräsmaschinen und bietet Konstruktionsratschläge, um die ausgelagerte CNC-Fertigung optimal zu nutzen. 

Wie funktionieren CNC-Fräsmaschinen?

Auf hohem Niveau folgt das CNC-Fräsen einem vierstufigen Prozess. 

Schritt 1:Erstellen Sie ein CAD-Modell

Maschinisten verwenden CAD-Software wie Autodesk Fusion 360, um ein CAD-Modell einer bestimmten Komponente zu erstellen. 

Schritt 2:CAD-Modell für CNC-Maschine konvertieren

Das CAD-Modell wird in die CAM-Software importiert. Die Ausgabe ist ein Satz digitaler Anweisungen oder G-Code, der Werkzeugwege, Positionen und Geschwindigkeiten für die Bearbeitung der Komponente definiert. 

Schritt 3:Einrichten der CNC-Fräsmaschine

Das Werkstück oder der Materialblock wird auf dem Maschinenbett befestigt und mithilfe von Messwerkzeugen oder Messtastern ausgerichtet. Das Spindelwerkzeug ist installiert und alle Einrichtungsschritte für die Fräsmaschine sind abgeschlossen. 

Schritt 4:Beginnen Sie mit dem Fräsvorgang 

Das Programm wird geladen und der CNC-Zyklus startet. Spezialisierte Schneidwerkzeuge rotieren mit der programmierten Spindeldrehzahl, um Material vom Werkstück abzutragen, bis die Geometrie mit dem gewünschten Bauteil übereinstimmt. 

Was ist der Unterschied zwischen CNC-Fräsen und CNC-Drehen?

Sowohl beim CNC-Fräsen als auch beim CNC-Drehen wird eine numerische Computersteuerung verwendet, die Prozesse unterscheiden sich jedoch. Beim CNC-Drehen entstehen zylindrische oder konische Flächen. Das Werkstück dreht sich auf einer Drehmaschine, um Schneiden, Bohren, Drehen und Gewindeschneiden durchzuführen. Ein Einpunkt-Drehmeißel bleibt während des gesamten Vorgangs mit dem Werkstück in Kontakt.  

Beim CNC-Fräsen werden mit einer Fräsmaschine ebene Flächen erzeugt. Ein rotierendes Mehrpunkt-Schneidwerkzeug entfernt Material und der Schnitt erfolgt intermittierend in mehreren Schritten. 

Was sind 3-, 4- und 5-Achs-Fräsmaschinen?

3-Achsen-Fräsmaschinen Bewegen Sie das Schneidwerkzeug entlang der X-, Y- und Z-Achse, um Material zu entfernen. Diese Methode ist aufgrund der geringeren Anlaufkosten weit verbreitet und wird für einfache Teile mit einfacher Geometrie verwendet. 

Eine 4-Achsen-Fräsmaschine fügt eine Drehachse hinzu, oft die A-Achse, die das Werkstück dreht, um es um einen Zylinder oder entlang der Teileseiten zu schneiden. Es umfasst alle 3-Achsen-Funktionen mit zusätzlicher Drehung. 

Eine 5-Achsen-Fräsmaschine Bietet Bewegung entlang der drei linearen Achsen sowie Drehung und Neigung für insgesamt fünf Achsen. Dieser Aufbau erzeugt komplexe Geometrien wie Luft- und Raumfahrtkomponenten, Titanteile, medizinische Geräte und Teile von Gasgeräten. Es reduziert die Notwendigkeit mehrerer Setups und unterstützt die Bearbeitung in einem Schritt für eine höhere Produktivität. 

Welche Arten von Teilen können Sie mit CNC-Fräsmaschinen herstellen?

CNC-Fräsmaschinen fertigen komplexe Designs mit sehr engen Toleranzen. Es handelt sich um eine der genauesten Fertigungsmethoden, die es gibt. 

Beispiele hierfür sind: 

• Luft- und Raumfahrtkomponenten wie Fahrwerkskomponenten und Rumpfstrukturen 

• Automobilkomponenten wie Bedienfelder, Achsen und Formen 

• Komponenten der Unterhaltungselektronik wie Gehäuse 

• Medizinische Komponenten wie chirurgische Instrumente und Orthesen 

• Teile von Öl- und Gasmaschinen wie Ventile, Stangen, Stifte 

• Prototyping und Modellierung

• Skulpturen

• Möbel

• Holzbearbeitung

CNC-Fräsmaschinen können ein breites Spektrum an Materialien schneiden, darunter Aluminiumbronze, Kupfer, Keramik, Sperrholz, verschiedene Stahlsorten, Stein, Holz, Zink und andere technische Materialien. Dadurch eignet sich das Verfahren für Prototypen in der Produktentwicklung. Präzise und schnelle Anpassungen sind möglich, bis das endgültige Design erreicht ist. 

Trotz der Flexibilität gibt es Einschränkungen hinsichtlich der Achsenbewegung, der Prototypengröße und der Werkzeuggröße. Bei den meisten Maschinen gelten Form- und Größenbeschränkungen. Große CNC-Maschinen können Prototypen mit einer Größe von bis zu 105 Fuß mal 21 Fuß erstellen.  

Die kleinsten Maschinen sind auf eine Bewegung von bis zu 9 Zoll entlang der X-Achse, 5,125 Zoll entlang der Y-Achse und 6,5 Zoll entlang der Z-Achse beschränkt. Aufgrund von Formbeschränkungen kann es bei manchen Maschinen zu Problemen beim Bohren von Löchern mit rechtwinkligen Kanten kommen. 

Wie konstruiert man Teile für das CNC-Fräsen?

Bei der Herstellung von Teilen für das CNC-Fräsen sind viele Designfaktoren zu berücksichtigen. Zu den Empfehlungen unserer hauseigenen Maschinenbauingenieure gehören im Allgemeinen: 

• Setups minimieren: Weniger Setups reduzieren die Zykluszeit und die Kosten und verbessern die Effizienz bei der ausgelagerten CNC-Fertigung. 

• Inneneckenradien: Inneneckenradien sollten aus Kostengründen mindestens ein Viertel der Schnitttiefe und vorzugsweise etwa die Hälfte der Schnitttiefe betragen oder so groß sein, wie es die Konstruktion zulässt. Minimieren Sie die Taschentiefe nach Möglichkeit und verwenden Sie gebohrte Löcher, anstatt Innenformen zu fräsen. 

• Dünne Wände und dünne Abschnitte: Dünne Abschnitte können sich unter den Bearbeitungskräften durchbiegen und verziehen, selbst bei weichen Metallen. Wo es die Funktion zulässt, erhöhen dickere Abschnitte den Durchsatz, senken die Kosten und verbessern die Oberflächengüte. 

• Teilegröße: Kleine Funktionen erfordern kleine, fragile Tools, die langsamer laufen und die Kosten erhöhen. Wo es die Funktion zulässt, verbessern größere Merkmale die Herstellbarkeit. 

• Standardisierung: Standardgewindegrößen, Standardeckenradien, Standardmaterialien und Standardtoleranzen reduzieren Kosten und Durchlaufzeiten bei allen Lieferanten. 

Materialien für die CNC-Bearbeitung lassen sich im Allgemeinen in drei Gruppen einteilen:Kunststoffe, Weichmetalle und Hartmetalle. 

Weichmetalle und einige Hartmetalle haben enge Toleranzen und sind relativ einfach zu bearbeiten. Wenn sich ein Material außerhalb des optimalen Härtebereichs bewegt und zu hart oder zu weich wird, kann es während der Herstellung unvorhersehbar reagieren und die Schnittgenauigkeit sinken. 

Infolgedessen werden bestimmte Legierungen häufiger verwendet und gelten als Industriestandards. Aluminium 6061-T6 und verschiedene Weichstähle sind beliebt, da sie leicht zu bearbeiten sind und ausgewogene Eigenschaften bieten. 

Gibt es Software-Tricks, die Ingenieure kennen sollten, um herstellbare Designs zu erstellen?

CAD-Tools lassen sich gut mit Teilen kombinieren, die einfach in einer ausgelagerten CNC-Bearbeitung hergestellt werden können.  

Der Lochassistent generiert beispielsweise Löcher in Standardgröße. Mit Extrudieren oder Drehen erstellte Grundfunktionen lassen sich in der Regel vorhersehbarer bearbeiten als komplexe Loft- oder Sweep-Oberflächen.  

Mit einfacheren Merkmalen modellierte Teile lassen sich im Allgemeinen leichter in Massenproduktion herstellen als solche mit komplexen Oberflächen. Wenn eine komplexe Funktion nicht erforderlich ist, senkt ein einfacherer Ansatz häufig die Kosten und verringert Qualitätsrisiken. 

Wie holen Sie mit Protolabs Network das Beste aus dem CNC-Fräsen heraus?

Es gibt viele Möglichkeiten, die Kosten zu senken und die Durchlaufzeit beim CNC-Fräsen zu verkürzen. Im Allgemeinen ergibt sich ein Großteil des Nutzens aus der Konstruktion einfacher und standardmäßiger Teile. Designs, die einfache Funktionen und Werkzeuge in Standardgröße verwenden, führen in der Regel zu konsistenten Ergebnissen. 

Komplexität ist bei Bedarf akzeptabel, erhöht jedoch die Durchlaufzeit und die Kosten. Ein einfaches Teil mit relativ engen Toleranzen oder ein komplexes Merkmal kann in Aluminium beherrschbar sein, während die gleiche Geometrie in Kunststoff für die Massenproduktion schwierig sein kann. 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Designs bevorzugt werden, die möglichst einfach und standardisiert bleiben. In bestimmten Phasen sind möglicherweise komplexe Merkmale oder spezielle Materialien erforderlich, die das Fräsen jedoch intensiver machen. 

Protolabs Network bietet ein globales Netzwerk von 3-Achsen-, 3+2-Achsen- und vollständigen 5-Achsen-Fräszentren, die präzise, qualitativ hochwertige Teile herstellen. Kostenlose Sofortangebote sind verfügbar. 

Häufig gestellte Fragen

Welche Materialien werden beim CNC-Fräsen verwendet?

Materialien für das CNC-Fräsen lassen sich in drei Kategorien einteilen:Kunststoffe, Weichmetalle und Hartmetalle. Zu den gängigen Optionen gehören Aluminium, Bronze, Kupfer, Keramik, Sperrholz, Stahl, Stein, Holz und Zink. Bei der ausgelagerten CNC-Fertigung wählen Ingenieure in der Regel Materialien aus, die leicht zu bearbeiten sind und ausgewogene Eigenschaften aufweisen. 

Was sind die idealen Anwendungen für Aluminium?

Aluminium eignet sich gut zum CNC-Fräsen, da es leicht splittert und korrosionsbeständig ist. Zu den typischen Anwendungen gehören Flugzeugbeschläge, Architekturbeschläge, medizinische Komponenten, Zahnräder und Wellen. 

Was sind die besten Alternativen für Aluminium?

Stahl und Edelstahl sind gängige Alternativen für die CNC-Bearbeitung. Sie bieten eine höhere Festigkeit und Temperaturbeständigkeit und lassen sich zuverlässig bearbeiten. 

Ist CNC-Bearbeitung dasselbe wie Fräsen?

CNC-Fräsen ist eine Art der CNC-Bearbeitung. Das Werkstück wird auf dem Maschinenbett montiert und ein rotierender Vielschneidenfräser trägt Material ab, um präzise Teile herzustellen. 

Ist CNC-Fräsen teuer?

Es gibt Möglichkeiten, die Kosten für das CNC-Fräsen zu senken. Wenn Sie einfache Teile konstruieren und Werkzeuge in Standardgröße verwenden, können Sie die Chancen auf eine erfolgreiche Herstellung einer Komponente mit minimalen Kosten erhöhen. Zu den weiteren Designtipps für die CNC-Bearbeitung gehören das Hinzufügen interner Eckenradien zu den Teilen, das Vermeiden dünner Wände und Abschnitte eines Teils und die Entscheidung für größere statt kleinerer Merkmale.

Was sind häufige Anwendungen für das CNC-Fräsen?

Das CNC-Fräsen ist eine der genauesten Fertigungstechniken und eignet sich daher ideal für die Erstellung komplexer Designs. Es kann zur Herstellung von Produkten wie Luft- und Raumfahrtkomponenten, Möbeln, medizinischen Komponenten, Prototypen, Titanteilen und Holzbearbeitung verwendet werden. 

Welche gängigen Mühlen werden in der Fertigung verwendet? 

Die in der Fertigung am häufigsten verwendeten Fräsmaschinen sind CNC-Laser, CNC-Drehmaschinen, CNC-Fräsmaschinen, CNC-Plasmaschneider und CNC-Fräsmaschinen. Welche CNC-Maschine Sie wählen, hängt von Ihrem bevorzugten Verfahren und der Art des Produkts ab, das Sie herstellen möchten. 

Was ist eine CNC-Fräsmaschine?

CNC-Fräsen ist eine präzise Fertigungsmethode zur Erstellung komplexer Designs mit engen Toleranzen. Zu den gängigen Anwendungen gehören Luft- und Raumfahrtkomponenten, medizinische Komponenten, Prototypen, Titankomponenten, Möbelelemente und Holzbearbeitungsteile. 

Wozu dient eine CNC-Fräsmaschine?

Zu den gängigen CNC-Geräten, die in der Fertigung verwendet werden, gehören CNC-Fräsmaschinen, CNC-Drehmaschinen, CNC-Fräsmaschinen, CNC-Laserschneider und CNC-Plasmaschneider. Die Wahl hängt vom Prozess und dem herzustellenden Teil ab. 

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