Expertenleitfaden: CNC-Bearbeitung von Unterschnitten – Tipps & Best Practices

Bei der Teilebearbeitung sind einige Designs leichter herstellbar als andere – die Zerspanbarkeit verschiedener Merkmale ist eine wichtige Überlegung. Unterschnitte (Undercuts) sind Merkmale, die Standard-Schaftfräser nicht erzeugen können. Daher ist das Design von Unterschnittteilen oft schwierig, und die Bearbeitung solcher anspruchsvoller Merkmale erfordert wichtige Überlegungen und Fachwissen für optimale Ergebnisse.

Was ist Unterschnittbearbeitung (Undercut Machining)?

Unterschnittbearbeitung ist ein Fertigungsverfahren, bei dem eine Vertiefung oder ein zurückgesetzter Bereich in einem bearbeiteten Teil erzeugt wird. Standard-Schneidwerkzeuge (z. B. Schaftfräser), die in den meisten Bearbeitungsdiensten verwendet werden, können keine Unterschnitte produzieren. Zudem scheint das Design von Unterschnittteilen in der Bearbeitung schwierig. Wichtigster Aspekt: Das Bearbeitungsprojekt soll die richtige Funktion für diverse bearbeitete Teile erreichen. Die Fertigung präziser Unterschnittstandards verursacht höhere Kosten, da einige Oberflächen von oben nicht direkt zugänglich sind. Viele Unterschnitte entstehen dort, wo ein Werkstückbereich über einen anderen ragt. Der Überhang schafft Lücken, die mit herkömmlichen Werkzeugen (Fräsmaschinen, 3-Achs-Maschinen) nicht erreichbar sind.

Spezialwerkzeuge für Unterschnittbearbeitung

Wie erwähnt, wird Unterschneiden in den meisten Situationen knifflig. Gewöhnliche gerade Werkzeuge erreichen die Lücken der meisten Unterschnittteile nicht. Einfache Unterschnitte erfordern oft Nutenfräser (Slot Cutter) und Lollipop-Fräser (Lollipop Cutter), letztere auch als Unterschnitt-Schaftfräser (Undercut End Mill) bekannt. Diese Werkzeuge haben einzigartige Formen, die Unterschnitte ermöglichen, die traditionelle Werkzeuge nicht schaffen.

Nutenfräser & Lollipop-Fräser

Beide haben schmale Schäfte mit breiteren Enden. Beim Nutenfräser ist die Spitze flacher, beim Lollipop-Fräser rund – ideal für gekrümmte Formen. Der Abstand zwischen Außenseite der Spitze und Schaftkante bestimmt, wie weit unter die überhängende Fläche geschnitten werden kann. Lollipop-Fräser eignen sich zudem zum Entgraten und Kantenbrechen an beliebigen Werkstückbereichen, auch an der Unterseite.

Lollipop-Fräser gibt es in verschiedenen Umschlingungswinkeln (z. B. 220° und 300°). Dünnerer Hals → größerer Umschlingungswinkel, kugeligeres Schneidende, mehr Freiraum. Dickere Hälse → kleinere Winkel, weniger Freiraum, aber mehr Steifigkeit und Stabilität.

Die gerundete Spitze des Lollipop-Fräsers eignet sich für gekrümmte Unterschnitte. Zusätzlich werden sie für Kantenlager zum Entgraten eingesetzt. Durch mehrrichtungsfähiges Schneiden sind sie jedoch teurer.

Nuten- und Lollipop-Fräser sind praktische Werkzeuge, besonders für einfache Unterschnitte. Nachteil: Die meisten CAM-Softwares enthalten nicht die Algorithmen für diese Werkzeuge. Nutzung mit CAM möglich, erfordert aber umständliche Workarounds (manueller G-Code, manuelle Fräsmaschinenbedienung).

Spezielle Schnitte bei der Unterschnittbearbeitung

Hier sind einzigartige Schnitte, die bei Bedarf an Unterschnitten ausgeführt werden können. Die zwei Haupttypen sind T-Nut und Schwalbenschwanznut, manchmal auch einseitiger Unterschnitt.

T-Nut

Wie der Name sagt: Erzeugt T-förmigen Unterschnitt. T-Nutwerkzeug besteht aus horizontaler Klinge und vertikalem Schaft. Ermöglicht Schnitt in Werkstück und horizontalen Schnitt in beide Richtungen → T-Form. Standardbreitenbereich: 3–40 mm.

Schwalbenschwanz (Dovetail)

Schwalbenschwanzwerkzeuge nutzen angewinkelte Klingen für Unterschnittteile. Resultierender Schnitt ist trapezförmig/schwalbenschwanzförmig – oben schmal, unten breit.

Standardwinkel: 45° und 60° – weitere Winkel möglich (meist 10°-Schritte bis 120°), aber seltener.

Einseitiger Unterschnitt (One-Sided Undercut)

Unterschied zu T-Nut und Schwalbenschwanz: Erstere erzeugen symmetrische Formen, einseitiger Unterschnitt nicht. Einseitiger Unterschnitt ist ein zusätzlicher Schnitt von der Seite mit Spezialwerkzeug, der aus dem ursprünglichen Unterschnitt hervorragt – wie der Vorsprung bei einem Puzzleteil.

Bei Design einer Innenwand mit einseitigem Unterschnitt: Spalt beachten. Hauptbreite ≥ 4× Unterschnitttiefe → sicherstellen, dass Werkzeug genug Freiraum hat.

Fertigkeiten für die Unterschnittbearbeitung

1. Mit Profis zusammenarbeiten

Experten erleichtern die Arbeit. Erfahrene Einzelpersonen oder Firmen verfügen wahrscheinlich über nötige Werkzeuge und Fachwissen für diverse Unterstützung. Zusammenarbeit mit Experten reduziert Fehlerrisiko für richtige Unterschnittteile.

2. Unterschnitte wenn möglich eliminieren

Beim Design von Zerspanungsteilen: Unterschnitte so weit wie möglich vermeiden. Sie erhöhen Designkomplexität. Spezialwerkzeuge nötig → Mehrkosten. Weglassen erleichtert Arbeit und spart Geld.

3. Bedarf an Sonderwerkzeugen vermeiden

Beim Teiledesign: Unterschnitte vermeiden. Schwierig zu bearbeiten, erfordern Spezialwerkzeuge. Kosteneffizienter und effizienter, sie nicht einzubeziehen. Beispiel: Werkstück mit Werkzeugraum designen, damit Standardbearbeitung von hinten möglich → schwieriges Unterschneiden von vorne entfällt.

4. Flache Unterschnitte erstellen

Eintauchtiefe des Schneidwerkzeugs ist begrenzt – Klingen meist am vertikalen Schaft befestigt. Nur flache Unterschnitttiefe passend zum Werkzeug erstellen – flacher = besser.

Tieferes Design kann Werkzeugstabilität gefährden (längerer vertikaler Schaft) → erhöhte Werkzeugvibration, geringere Genauigkeit, Werkzeugbeschädigung. Design so tief wie für die meisten Unterschnittwerkzeuge machbar gestalten.