Vom Groß- zum Mikroteil: CNC-Metallschneiden im Kleinformat meistern

Wie ein Zerspaner groß anfing und mikro wurde

Als ich vor 25 Jahren als Zerspaner begann, war die Welt eine ganz andere als heute im CNC-Metallschneiden, wo Teile (und Werkzeuge) immer kleiner und Anforderungen immer anspruchsvoller werden. Selbst vor 10 Jahren hätte ich auf die Frage, ob ich Mikrobearbeitung machen würde, geantwortet: "Absolut nicht! Es ist ZU klein, zu fummelig, zu viel Kopfschmerzen." Dann kam ich zur Metal Cutting Corporation – und mein Leben und meine Perspektive auf Präzisionsbearbeitung änderten sich grundlegend.

Heute bin ich hier, habe die Zeit meines Lebens und liebe die Herausforderungen der Mikrobearbeitung in einem führenden CNC-Metallschneideunternehmen. Was war so anders, als ich von der Bearbeitung 6-Fuß-Teile (182,88 cm) zu einer Werkstatt wechselte, die routinemäßig Teile von 6 mm (0,236") oder noch kürzer fertigt?

Engere Toleranzen und anspruchsvolleres Entgraten

Bei Metal Cutting sind 99 % der Teile so klein, dass wir sie unter Mikroskop oder Lupe prüfen müssen, um sicherzustellen, dass bestimmte Merkmale innerhalb der Kundentoleranz liegen, gut aussehen und gratfrei sind. Grundsätzlich sind Toleranzen bei Kleinteilen viel enger, und Entgraten ist aufgrund der Schwierigkeit, winzige Merkmale zu erreichen, anspruchsvoller. Wie entgratet man ein Teil mit einem Durchmesser, der fast so klein ist wie ein menschliches Haar?

In dieser Mikrowelt scheinen enge Toleranzen und Entgraten die größten Herausforderungen beim Übergang von Groß- zu Kleinbearbeitung. Doch in der Metal-Cutting-Werkstatt lernte ich schnell unsere eigenen "Geheimnisse", die es uns ermöglichen, sehr enge Toleranzen zu halten und Entgraten einfacher zu machen, als ich es mir aus der Großteile-Welt vorstellen konnte.

Zudem sah ich aus erster Hand: Beim CNC-Schneiden kleiner vs. großer Teile gibt es fundamentale Unterschiede bei Materialien; eine schwindelerregende Werkzeugauswahl für präziseste Aufgaben; dramatische Unterschiede bei Drehzahlen und Vorschüben; und sogar Unterschiede in der Kühlmittelapplikation.

Anspruchsvollere Materialien

Als ich vor 25 Jahren mit der Bearbeitung begann, arbeitete ich typischerweise mit Basiswerkstoffen wie 303 und 304 Edelstahl, Messing und Aluminium. Im Laufe der Zeit entwickelten CNC-Schneidbetriebe Spezialisierungen und Nischenmärkte, wodurch ich zusätzliche Materialien kennenlernte und mit mehr "exotischen" Metallen arbeiten konnte.

Zudem verwendet der CNC-Metallschneideprozess für Mikrobearbeitung oft ganz andere Materialien. Beispielsweise wird Nickel-Titan für kleine Teile wie medizinische Clips verwendet – dieses Material gibt es nicht in größeren Größen für große Teile wie Maschinenspindeln. Als ich 2009 zu Metal Cutting kam, musste ich eine völlig neue Metallauswahl lernen, einschließlich Superlegierungen und anderer extrem schwer zu bearbeitender Materialien. Als ich mit Wolfram und Molybdän begann, dachte ich, ich würde sie nie zufriedenstellend bearbeiten können.

Glücklicherweise war – und ist – das Internet eine hilfreiche Ressource, die Orientierung bot, als ich neue Materialien und Methoden in der Mikrobearbeitung erkundete. Beispielsweise bietet die Practical-Machinist-Website umfassende Foren und Diskussionsfäden, um sich mit anderen erfahrenen Zerspanern auszutauschen und von ihnen zu lernen. Eine weitere gute Quelle sind die CNCzone.com-Foren für Profis und Hobbyisten. Das Bulletin-Board-System der Magazine Home Shop Machinist und Machinist's Workshop ist eine clevere DIY-Ressource für einfache Projekte; wir nutzen es sogar zur Ergänzung der Ausbildung unserer Lehrlinge.

Blendende Werkzeugauswahl im CNC-Metallschneiden

Als ich mehr über die anspruchsvolleren Materialien im CNC-Metallschneiden für Kleinstteile lernte, schätzte ich auch die Werkzeugauswahl, die mit diesen Materialien arbeiten und die gewünschten Ergebnisse ohne Bruch erzielen kann. Als ich zu Metal Cutting kam und Teile mit Durchmessern so klein wie ein menschliches Haar bearbeitete, war ich fasziniert von den Werkzeugen, die zu solch präziser Arbeit fähig sind, und den Ingenieuren, die sie entwarfen. Man würde denken, etwas so Kleines würde bei den Drehzahlen und Vorschüben brechen, die wir brauchen, um den Späneanfall bei der Produktion tausender Kleinteile zu bewältigen.

Heute haben CNC-Metallschneidefirmen den Vorteil von Werkzeugen, die – richtig eingesetzt – stärker, langlebiger und präziser sind; manche benötigen kein Kühlmittel, und viele sind mit verschiedenen Beschichtungen erhältlich. Tatsächlich gibt es jetzt fast endlose Möglichkeiten bei der Werkzeugverfügbarkeit; wenn Sie sich eine bestimmte Aufgabe vorstellen können, hat wahrscheinlich jemand ein Werkzeug dafür gebaut.

Höhere Drehzahlen und Vorschübe

Es gibt typischerweise große Unterschiede bei Drehzahlen und Vorschüben beim CNC-Metallschneiden sehr kleiner Teile. Als ich anfing, war die höchste Drehzahl, die ich typischerweise nutzte, 2.000 U/min; 10.000 U/min lagen jenseits meiner Vorstellungskraft. Bei Metal Cutting erforderte mein erster Job 15.000 U/min, um ein kleines Loch in ein Teil zu bohren – und zu meinem Erstaunen gelang es perfekt. Heute fahre ich bei Aufgaben wie dem Bohren eines 0,013" (0,3302 mm) Durchmessers routinemäßig 24.000 U/min.

Generell basieren Drehzahlen auf dem verwendeten Werkzeug und den Herstellerrichtlinien; je kleiner die Werkzeuge, desto höher die U/min. Jeder Hersteller stellt eine Formel für die empfohlene Drehzahl und Schnittgeschwindigkeit (SFM) bereit. Vorschübe variieren je nach Werkzeug, Hersteller, Material und Beschichtung.

Die Beachtung der Herstellerrichtlinien für Minimal- und Maximaldrehzahlen und -vorschübe verlängert sowohl die Werkzeugstandzeit als auch die Ergebnisse. Ich bin sicher, dass 99 % der Zerspaner, wie ich, langsam starten und nachjustieren, um die gewünschten Ergebnisse zu erreichen, während sie innerhalb der Herstellerparameter bleiben.

Kühlmittellieferung an der Schneidkante

Früher nutzte der CNC-Metallschneideprozess fast einheitlich Flutkühlung, bei der Werkzeug und Teil mit Kühlmittel überflutet werden. Heute nutzen 99 % der Betriebe Innenkühlung (Through-Spindle Cooling), die Kühlmittel direkt an die Schneidkante liefert und Späne aus dem Bereich bläst – um Werkzeugüberhitzung und Materialaufbau zu verhindern, der die Schneide abstumpfen oder das Werkzeug brechen lassen könnte.

Ob Drehwerkzeug, Bohrer, Fräser oder Bohrstange: Kritisch ist, dass Späne ordnungsgemäß abgeführt werden; besonders bei der Fertigung tausender Teile, wie wir es bei Metal Cutting tun. Anders als bei Großteilen kann es bei Kleinteilen schwieriger sein, hinter den Schnitt zu kommen. Unsere Hochdruckkühlmittellieferung sorgt jedoch für keine Probleme mit Späneanfall oder Werkzeugbruch und hilft uns, eine hervorragende Oberflächenqualität zu erzielen.

Wie bei Drehzahlen und Vorschüben ist es wichtig, die Werkzeugherstellerempfehlungen zum Kühlmittel zu beachten; das vermeidet Bruch, optimiert Standzeit und spart Kosten. Bei Metal Cutting nutzen wir typischerweise wasserlösliches Kühlmittel oder Öl, abhängig von Werkzeugrichtlinien, Material und Zerspanerpräferenz.

Lernen hört nie auf

Wo ich einst CNC-Metallschneiden mit Toleranzen von 0,020" (0,508 mm) bis 0,001" (0,0254 mm) durchführte, bearbeite ich heute bei Metal Cutting routinemäßig Teile mit Toleranzen von 0,00020" (0,00508 mm) oder 0,00010" (0,00254 mm), mit 0,00050" (0,0127 mm) TIR. Dieser Übergang erforderte neue Skills und das Erkunden neuer Wege.

Das gilt auch heute noch: Ich erweitere kontinuierlich meine Fähigkeiten und arbeite daran, den CNC-Metallschneideprozess mit jedem Projekt weiter zu perfektionieren. Selbst bei Wiederholaufträgen finde ich immer Verbesserungen – etwa höhere Vorschübe oder Spindeldrehzahlen, anderes Kühlmittel oder Justierung anderer Variablen zur Steigerung von Produktivität, Durchlaufzeit und Kosteneffizienz.

Für Tipps zur Erstellung bester Spezifikationen für Ihre präzisen kleinen Metallteile laden Sie unseren kostenlosen Leitfaden herunter: "How to Fine-Tune Your Quote Request to Your Maximum Advantage: Frequently Asked Questions in Small Parts Sourcing".