Subtraktive Fertigung erklärt: Techniken, Anwendungen & Vorteile

Taucht man tief in die Welt der Werkzeugmaschinen und modernen Zerspanungstechniken ein, stößt man unweigerlich auf die Diskussion subtraktiver und additiver Fertigungsverfahren. Was sind diese Techniken, wie funktionieren sie und wie werden sie eingesetzt?

Wir beleuchten beide Konzepte in diesem Beitrag und fokussieren uns dann stärker auf die subtraktive Fertigung.

Moderne Fertigungsverfahren

Fertigung (Machining) bezeichnet die mechanischen Prozesse zur Erstellung und Fertigstellung von Bauteilen. Meist kommen verschiedene Werkzeugmaschinen zum Einsatz – Drehbänke, Fräsen, Fräsen (Router) und ähnliche Maschinen.

Additive und subtraktive Fertigung sind zwei unterschiedliche Wege zum selben Ziel. Additive Fertigung fügt, wie der Name sagt, Material zusammen, um ein Bauteil zu schaffen. Ein grobes Beispiel: Töpfern, wo eine Drehscheibe (Werkzeugmaschine) genutzt wird, um Material (Ton) zu einem fertigen Produkt zu formen und zu verbinden.

Additive Fertigung war jedoch stets durch die Materialarten begrenzt. Ton funktioniert für additive Prozesse, Holz nicht. Verschiedene Metalle lassen sich gießen, aber nur im heißen Zustand, und Gieß-/Formverfahren unterscheiden sich von additiver Fertigung.

Für einen großen Teil der Menschheitsgeschichte bedeutete das: Bauteile für diverse Maschinen mussten subtraktiv gefertigt werden.

Subtraktive Fertigung – der Standardansatz

Nehmen wir ein Beispiel. Sie haben eine flache Metallscheibe und benötigen ein Zahnrad. Sie könnten versuchen, die Zähne an den Rand der Scheibe anzufügen – aber das wäre schwierig. Sie müssten die Zähne erhitzen und aufschweißen, und selbst dann wäre das Finish nicht besonders glatt. Um das Zahnrad funktionsfähig zu machen, müssten Sie nachträglich überschüssiges Material entfernen.

Zeit sparender ist es, das Zahnrad von Anfang an durch Materialabtrag aus der Scheibe zu erzeugen. Durch Schneiden oder Schleifen des überflüssigen Materials entsteht das erhabene Zahnmuster. Dabei können Sie Finishing-Prozesse nutzen, um eine glatte, gleichmäßige Oberfläche zu gewährleisten.

Indem Sie Material entfernen, haben Sie ein fertiges Bauteil geschaffen – das ist subtraktive Fertigung. Historisch wurden subtraktive Verfahren mit Holz und Metall angewandt. Denken Sie an einen Drechsler, der ein Stück Eiche auf der Drehbank zu einem schönen Stuhlbein formt, oder an Metallfräsen der Industriellen Revolution, die Eisentreäger für neue Fabriken schleiften.

Subtraktive Fertigung wird meist auf zwei Arten genutzt: zur Erstellung eines Fertigteils aus einem größeren, unbearbeiteten Rohling, oder zur Nachbearbeitung eines bereits bearbeiteten Teils auf einen höherwertigen Zustand.

Ein Stuhlbein aus einem Holzblock zu drechseln, ist ein klassisches Beispiel für die erste Methode. Das Wechseln des Schneidwerkzeugs an der Drehbank auf ein feineres, glatteres wäre ein Beispiel für die zweite. Beide entfernen Material, nur in unterschiedlichen Mengen und für leicht unterschiedliche Zwecke.

Subtraktive Fertigung in der modernen Produktion

Heutige subtraktive Werkzeugmaschinen ähneln ihren frühen Vorgängern kaum. Moderne Drehbänke und Fräsen sind extrem präzise, leistungsstark, drehzahlverstellbar und häufig CNC-ausgestattet. Mit Computerized Numerical Control (CNC) können Bediener Computer nutzen, um Schneidoperationen mit unglaublich engen Toleranzen zu planen, programmieren und auszuführen.

Viele Drehbänke und Fräsen bewegen sich auf drei oder sogar vier Achsen, sodass Teile geschnitten, gedreht, erneut geschnitten, gewendet und nochmals geschnitten werden können – so oft wie nötig. Was früher mehrere Maschinen oder mehrere Operationen an derselben Maschine erforderte, kann heute auf einem einzigen Werkzeugmaschine programmiert und geschnitten werden.

Moderne Technologie hat neue subtraktive Werkzeugmaschinen in das Arsenal der Zerspaner gebracht. Erodiermaschinen (EDM) nutzen elektrischen Strom, um ferrolegierte Materialien langsam zu trennen. Für nicht-ferrolegierte oder beschichtete Teile schneiden Wasserstrahlschneider mit konzentrierten Strahlen. Laserschneider bearbeiten diverse Materialien und trennen Bauteile nach Bedarf.

Zukunft subtraktiver und additiver Prozesse

Während subtraktive Werkzeugmaschinen noch immer den Ehrenplatz auf den meisten Fertigungsflächen einnehmen, gibt es einen wachsenden Trend, moderne additive Prozesse zu integrieren. Moderne Werkzeuge wie 3D-Drucker ermöglichen additive Verfahren mit Holz und Metalllegierungen und fügen der modernen Fertigung eine neue Dimension hinzu. Subtraktive Werkzeugmaschinen können dann in einer Finishing-Rolle eingesetzt werden, um überschüssiges Material zu entfernen oder Geometrien zu schneiden, die mit additiven Methoden derzeit nicht möglich sind.

Künftig werden Zerspaner beide Prozesse kombiniert nutzen. Es könnte sogar möglich werden, einen Computerprogramm zu erstellen, der einen Prozess auf einem 3D-Drucker startet und ihn dann in einer Drehbank oder Fräse nahtlos zu Ende führt. Bis dahin können Zerspaner mit neuen additiven Prozessen experimentieren, während sie weiterhin auf Drehbänke, Fräsen und subtraktive Fertigung vertrauen.