Aluminiumbearbeitung erklärt: Werkzeuge, Techniken & Operationen

Was ist Aluminiumbearbeitung?

Bearbeitung ist ein subtraktiver Fertigungsprozess, bei dem Material von einem Werkstück entfernt wird, um das gewünschte Teil oder Produkt zu erstellen. Sie ist hochgradig vielseitig und deckt eine breite Palette von Metall- und Nichtmetallsubstraten ab. Eines der am häufigsten verwendeten Materialien in Bearbeitungsoperationen ist Aluminium.

Aufgrund seines geringeren Gewichts, geringerer Härte und besserer Formbarkeit ist Aluminium ideal für Bearbeitung und andere Fertigungsoperationen. Im Folgenden beleuchten wir weitere Vorteile von Aluminium für Bearbeitungsanwendungen, diskutieren, wie Aluminium in verschiedenen Bearbeitungsprozessen eingesetzt wird, und skizzieren typische aus Aluminium gefertigte Teile.

Überblick über Aluminiumbearbeitungsprozesse

„Bearbeitung“ ist ein Oberbegriff für verschiedene subtraktive Fertigungsprozesse wie Fräsen, Drehen, Bohren. Es gibt auch verschiedene Bearbeitungstechnologien und -techniken wie CNC-Bearbeitung, Schweizer Schraubenbearbeitung, Vertikal- und Horizontalfräsen und Funkenerosion (EDM). Nachfolgend wird dargestellt, wie Aluminium in jeder dieser Methoden gehandhabt wird.

• CNC-Bearbeitung (Computer Numerical Control): Nutzt Computersoftware und CNC-kompatible Ausrüstung zur Steuerung der Bewegung von Maschinenwerkzeugen über die Werkstückoberfläche. Ermöglicht hochpräzise und genaue Aluminium-CNC-Teile.
• Schweizer Schraubenbearbeitung: Ideal für kleine, aber hochpräzise zylindrische Komponenten aus Aluminium, wie elektronische oder medizinische Teile.
• Vertikal/Horizontalfräsen: Fräsen nutzt rotierende Schneidwerkzeuge zum Materialabtrag. Geräte können vertikal oder horizontal konfiguriert sein; vertikale Einheiten ideal für kleine Mengen einfacher Aluminiumteile, horizontale für große Mengen komplexer Teile.
• Funkenerosion (EDM): Nutzt elektrische Entladung zwischen zwei Elektroden zum Materialabtrag. Allgemein für härtere, schwer zerspanbare Materialien, aber bei jedem elektrisch leitfähigen Material, einschließlich Aluminium, anwendbar.

Warum kann Aluminium herausfordernd sein?

Wenn Sie eine Halterung für Bauer Joe fertigen, spielt effizienter Materialabtrag keine große Rolle. Aber bei 10.000 Halterungen pro Woche für Eiligen Joe müssen Sie einen proper Job machen.

Die Hauptschwierigkeit bei effektiver Aluminiumbearbeitung ist schlichtweg, maximale Materialabtragsraten zu erreichen, ohne etwas zu sprengen.

Aluminium kann schmelzen und am Werkzeug anbacken bei zu viel Hitze. Auch wenn es wie Butter schneidet, tut es das nicht lange, wenn Aluminium am Werkzeug klebt und Sie am Ende Reibschweißen statt Bearbeitung betreiben.

Neben minimaler Reibung kann Rattern (Chatter) ein Biest sein, wenn Sie die Maschine pushen. Besonders problematisch beim Fräsen sauber aussehender Taschen. Genug gejammert. Schauen wir, wie Sie auf der Fläche brillieren.

Schneidwerkzeuge für Aluminium

Unter keinen Umständen sollten Sie je ein Universal-Schneidwerkzeug für Aluminium verwenden. Technisch funktioniert es, aber Aluminium ist völlig anders als Stahl.

Hier sind einige Aspekte der Werkzeugauswahl, die Ihnen helfen, das Maximum aus Ihrer Maschine herauszuholen.

Schneidwerkzeugmaterial

Hartmetall (Carbide): Hoffentlich eine Selbstverständlichkeit. Selbst in Nicht-Leistungsanwendungen übertrifft Hartmetall HSS in Wert sowohl bei Werkzeugkosten über die Standzeit als auch bei Oberflächengüte.

Trotzdem gibt es ein paar gute Dinge über Hartmetall zu wissen, die Ihnen helfen, das perfekte Werkzeug für den Job zu finden. Im Wesentlichen müssen wir nur verstehen, was wir von einem Werkzeug wollen. Aluminium ist weich schneidend, d. h. das Werkzeug erfährt keine harten Schlagkräfte beim Schneiden.

Kritisch ist die Erhaltung einer rasiermesserscharfen Schneide. Deshalb wählen wir Härte über Zähigkeit für Materialeigenschaften. Zwei Hauptfaktoren beeinflussen dies: Hartmetallkorngröße und Binderratio.

Bei Korngröße: Größeres Korn erzeugt härteres Material, kleineres Korn erzeugt schlagfesteres, zäheres Material. Für Aluminium wollen wir Schärfeerhalt, also kleine Korngröße für maximale Schneidkantenhaltung.

Der andere Faktor ist die Binderratio. Bei Hartmetallschneidwerkzeugen ist das Bindemittel Kobalt. Der Kobaltgehalt kann 2–20 % betragen. Da Kobalt weicher ist als Hartmetallkörner, bedeutet mehr Kobalt ein zäheres Werkzeug, weniger Kobalt ein härteres Werkzeug. Wir suchen also im Grunde einen Hartmetallfräser mit großer Korngröße und niedrigem Kobaltgehalt.

Vorschub und Drehzahl (Feeds and Speeds)

Viele gehen einfach mit 1000 SFM (Surface Feet per Minute) für die RPM-Berechnung. Damit sind Sie nicht schneller als alle anderen.

Ehrlich gesagt, das ist meist die Empfehlung für die meisten Fräser. 1000–1500 SFM ist eine völlig normale Spindeldrehzahl. Mit Schwingungstests (harmonic testing) können Sie das 3-fache erreichen. Mehr dazu später.

Der Vorschub ist, wo viele kneifen. Wenn Sie einen 1/2″-Fräser nur mit 0,003″ pro Zahn vorschieben, verschwenden Sie Zeit. Für Produktion wollen Sie mindestens 1 % des Fräserdurchmessers pro Zahn vorschieben. Der 1/2″-Fräser muss also mindestens 0,005″ pro Zahn gefahren werden. Mit stabilem Setup und kurzem Werkzeug können Sie das sogar verdoppeln.

Die einzige Ausnahme: bei kleinen Werkzeugen wie 1/8″ oder kleiner. Spanabfuhr kann zum Problem werden, was bedeutet, dass Sie für dünnere Späne langsamer fahren müssen.

Gängige Operationen bei der Aluminiumbearbeitung

Hier eine Liste der üblichen Arbeiten mit Aluminium, plus Tipps.

1. Planfräsen (Facing)

Wenn Sie einen Aufsteckfräser (Shell Mill) nutzen, definitiv mit super aggressivem Spanwinkel und polierten Wendeschneidplatten. Ihr Finish wird fantastisch, und Sie können die RPM richtig pushen.

2. Taschenfräsen (Pocketing)

Das machen viele falsch. Wenn Sie halb den Fräserdurchmesser seitlich und halb tief einstechen, begehen Sie zwei Fehler:

Der Fräser kann mehr. Gehen Sie fast volle Breite. Mein Standard: 95 % der Fräserbreite. Grund: Der Fräser ist in den Ecken ohnehin vergraben. Das bedeutet, Sie müssen den Vorschub verlangsamen, damit das Werkzeug in den Ecken nicht explodiert. Bei 100 % bekommen Sie möglicherweise papierdünne Wände zwischen den Bahnen durch Werkzeug- und Materialbiegung.

50 % Seitenschritt (Step-over) ist furchtbar für Schwingungen beim Schruppen mit respektabler Rate. Der Aufprall des Werkzeugs beim Eintauchen ist am schlimmsten möglichen Punkt, schlägt mit jedem Zahn ein. Schon 65 % Step-over bringen spürbare Rattern-Reduktion.

Ein weiterer Tipp: Fräserdurchmesser wählen, der etwas kleiner ist als der innere Radius der Tasche. Wenn Sie einen 1/2″-Fräser für 1/4″-Radius-Taschen nutzen, neigen Sie zum Ausbrechen der Ecken mit Rattern bei Richtungswechsel. Bei hohen Geschwindigkeiten ändern Werkzeuge nicht instantan die Richtung, was Schneiddruck entlastet. Das verursacht diese quietschenden Geräusche.

Ich frage meist, ob ich die Radien auf 0,265″ vergrößern darf für saubere Ecken. Das reduziert den Kontakt des Werkzeugs mit der Teilegeometrie. Die Maschine kann den gerundeten Übergang bei höheren Geschwindigkeiten fahren. Denken Sie an ein Auto auf der Rennstrecke: Scharfe Kurve = langsamer. Größerer Radius = keine Verlangsamung nötig.

Das eliminiert das Quietschen in Ecken, das Ihre Teile hässlich macht, ziemlich gut.

3. Nutenfräsen (Slotting)

Für extrem tiefe Nuten zwei Optionen, die gut funktionieren: Trochoidales Fräsen zur Reduktion von Werkzeugbiegung und Rattern, oder Stumpfnutfräser (Stub Flute Endmill).

Persönlich bevorzuge ich Stumpfnutfräser, da das Werkzeug deutlich stärker ist und keine verschwendete Bewegung beim Hin- und Herfahren entsteht. Tiefes Nutenfräsen ist eine Anwendung, wo sich oft ein Spezialwerkzeug lohnt.

Für flaches Nutenfräsen (4xD und darunter) keine besonderen Überlegungen nötig. Einfach durchziehen.

4. Bohren (Drilling)

Scharfe Bohrer verwenden. Hartmetallbohrer sind nicht immer die Antwort; es macht wenig Sinn, teure Hartmetallbohrer zu fahren, wenn Sie nicht die Spindeldrehzahl oder Produktionsmenge haben, um es zu rechtfertigen.

Generell: 135°-Spitzwinkel-Bohrer mit geteilter Spitze (Split Point) nutzen, dann sind Sie okay. Wenn am Bohrerspitze ein Steg (Web) ist, bringen Sie unnötig viel Hitze in den Schnitt.

5. Gewindeschneiden (Tapping)

Universalgewindebohrer funktionieren technisch, aber aluminiumspezifische Gewindebohrer sind deutlich zuverlässiger. Sie haben deutlich aggressivere Spanwinkel für sauberere Schnitte und weniger Hitze.

Auch beim RPM nicht zimperlich sein. Wenn Sie nie über 200 RPM gehen, verschwenden Sie Zeit. Natürlich sind manche Maschinen alt und müde, mit zu viel Rückspiel für schnelleres Schneiden. Wirklich, auf diesen Maschinen werden Sie sowieso nicht wettbewerbsfähig sein. Punkt ist: Gewindeschneiden in Aluminium ist einfach, verschwenden Sie keine Zeit daran.

Tolle Oberflächen an Aluminium erzielen

Hohe Drehzahl. Kein großes Geheimnis. Hochdrehen.

Ein Finishwerkzeug, das rasiermesserscharf, hochdrallig und mit sehr aggressiven Spanwinkeln ist, hilft ebenfalls für super glänzende Oberflächen.

Eines ist erwähnenswert: Verschwenden Sie keine Zeit, das Teil schöner zu machen als nötig. Manchmal wollen Sie nur den Kunden beeindrucken, aber denken Sie daran: Es gibt einen Unterschied zwischen glänzend und niedrigem Ra-Wert.

Es lohnt sich wirklich, Ihre Oberflächenberechnungen durchzuführen, um den maximalen Vorschub für Finishschnitte zu bestimmen. Ich mache meist die Rechnung und gehe dann etwa 10 % darunter zur Sicherheit. Wenn Sie am Limit kratzen, liegen Sie halb der Zeit falsch.

Vorteile von Aluminium in Bearbeitungsoperationen

Zusätzlich zu seiner hervorragenden Zerspanbarkeit zeigt Aluminium viele Eigenschaften, die es für Bearbeitungsoperationen geeignet machen:

• Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis: Aluminium ist stark und leicht, kritisch für bearbeitete Teile in Hochleistungsanwendungen wie Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie.
• Korrosionsbeständigkeit: Aluminium in verschiedenen Legierungen mit unterschiedlichem Korrosionsschutz. In der Bearbeitung ist 6061 eine der meistgenutzten Legierungen mit exzellenter Korrosionsbeständigkeit.
• Elektrische Leitfähigkeit: Aluminium weist höhere elektrische Leitfähigkeit (ca. 37,7 Mio. S/m bei Raumtemperatur) auf als andere gängige Zerspanungsmetalle wie Kohlenstoffstahl (7 Mio. S/m) und Edelstahl (1,5 Mio. S/m). Dies macht bearbeitete Aluminiumteile geeignet für elektrische und elektronische Komponenten.
• Oberflächenveredelung und Eloxierpotenzial: Aluminium eignet sich für diverse Oberflächenbehandlungen und Finish-Prozesse wie Lackieren, Tönen und Eloxieren. Dies ermöglicht Herstellern, funktionale und ästhetische Eigenschaften des bearbeiteten Aluminiumteils zu verbessern.
• Recyclingfähigkeit: Aluminium ist hochgradig recycelbar, sodass Hersteller Schrottmaterial aus der Bearbeitung und Baumaterialien aus Produkten am Ende ihrer Lebensdauer wiederverwenden können.
• Erschwinglichkeit: Im Vergleich zu anderen Bearbeitungsmaterialien (Messing, Titan, PEEK) ist Aluminium günstiger ohne signifikante Leistungseinbußen. Zudem senkt seine Zerspanbarkeit Produktionskosten, und das geringere Gewicht reduziert Transportkosten.

Wie oben gezeigt, deckt die Bearbeitung viele Materialien ab: Metall, Kunststoff, Papier, Holz. Neben Aluminium werden regelmäßig andere Metalle (Stahl, Edelstahl) und Thermoplaste eingesetzt. Im Vergleich bietet Aluminium Vorteile:

Verglichen mit Stahl und Edelstahl zeigt Aluminium deutlich geringeres Gewicht und bessere Zerspanbarkeit.

Typische bearbeitete Aluminiumteile

Industrieprofis setzen Aluminium in Bearbeitungsoperationen für diverse Teile und Produkte ein. Diese Komponenten finden Anwendung in vielen Branchen:

• Automobil
• Luft- und Raumfahrt
• Kommunikation
• Elektrische und elektronische Produkte
• Beleuchtung
• Medizintechnik

Typische Produktbeispiele: Passstifte, EMI-Gehäuse, Frontplatten, Leuchten, Medizinprodukte, Splinewellen.