Fasen & Radien in der CNC-Bearbeitung meistern: Design, Funktionalität & Qualität

Neu bearbeitete Metallteile können schärfere Kanten aufweisen als vom Endnutzer erwartet – es sei denn, das Design macht diese Kanten glatt. Fasen (Chamfers) und Radien (Fillets) werden zu Volumenmodellen hinzugefügt, um sie optisch ansprechend zu machen und scharfe Kanten und Ecken zu beseitigen. Viele Ingenieure nutzen diese Features in ihren CAD-Modellen, um Funktionalität zu verbessern und Design zu optimieren. Für eine Kantenrundung sollte das Design abgeschrägte oder gefaste Kanten und abgerundete Ecken (Radien) enthalten.

Was ist ein Radius (Fillet)?

Im Maschinenbau bezeichnen Zerspaner abgerundete Ecken als kreisförmige Elemente, die an Innen- oder Außenkanten gestaltet sind.

Es gibt drei Arten von Radien in der Mechanik: gefaste Radien (Chamfered Fillet), konkave Radien (Concave Fillet) und konvexe Radien (Convex Fillet). Innen liegend sind Radien konkav, außen konvex. Ingenieure nutzen Radien, um Spannungen an Bauteilen zu reduzieren. Der Radius verteilt die Spannung auf größere Fläche und verhindert schnelle Verformung des beanspruchten Bereichs.

Wenn das Design scharfe Kanten beseitigen und Spannungskonzentration verringern soll, ist der Radius die beste Wahl für Zerspaner.

Ein Radius ist eine kreisförmige Kante oder Ecke eines Teils. Radien reduzieren Spannungen und verteilen sie auf größere Fläche → verbessern Tragfähigkeit, verhindern schnelle Verformung von Druckteilen. Konkaver Radius liegt innen, konvexer außen. Beispiel: Wenn eine senkrechte Wand im Teil auf eine geneigte Fläche trifft, kann ein Radius auch einen Übergang zwischen Merkmalen schaffen.

Radien vs. andere Designmerkmale

Radien werden leicht mit anderen Designmerkmalen verwechselt: Radius (Fillet Radius), Fase (Chamfer), Schrägung (Bevel). Alle erzeugen ähnliches Design, bei dem scharfe Kanten irgendwie gebrochen werden. Radius ist ein Kantenbruchmerkmal, das einen konkaven oder konvexen Radius an der Innenecke eines Teils hinzufügt. Radien unterscheiden sich von Fasen und Schrägungen, da sie keinen Radius haben (Anm.: Fasen haben Winkel, keine Radien). Fase ist meist ein 45°-Winkel an der Designkante des Merkmals. Schrägung ist eine Neigung einer horizontalen oder vertikalen Kante. Der Innenradius rundet die Innenecke des gefertigten Teils, der Außenradius die Außenecke.

Nicht vorteilhafte Verwendung von Radien

1. Keine Radien für 3D-gedruckte Teile designen

Da 3D-Druck ein additives Verfahren ist, muss man nicht davon ausgehen, dass das Werkzeug um das Teil herumbewegen und Material entfernen muss. Der Designer kann komplexe, ungewöhnliche Geometrien freier nutzen. Radien werden manchmal in Bereichen drastischer Geometrieänderung zur Spannungsreduzierung hinzugefügt, sind aber selten nötig. Taschen und interne Merkmale beim Druck können gewinkelt oder spitz sein – sogar eine vollständig von umgebendem Material umschlossene Kavität ist möglich!

2. Keine Radien für die Bodenkante designen

Abrunden der Bodenkante einer Nut, Wand, Sackloch oder eines Boss-Features kann Optik verbessern oder Festigkeit erhöhen (Spannungskonzentration reduzieren). Aber Radien an diesen Stellen erfordern Kugelkopffräser und machen das Teil immer teurer als Bodenmerkmale ohne Radius. Grund: Programmierung solcher Geometrie erfordert meist 3D-Bearbeitung (längeres Einrichten). Zudem sind Kugelkopffräser von Natur aus empfindlicher als Schaftfräser und müssen langsamer gefahren werden.

Es ist bewiesen, dass Änderungen anderer geometrischer Merkmale (z. B. Lochtiefe, Nähe zu anderen Volumenabtragsmerkmalen) größeren Einfluss auf Spannung am Boden von Loch/Kavität haben als der Bodenradius. Designänderungen an diesen Merkmalen sind kosteneffizienter als komplexe Radien am Kavitätenboden.

Optimale Nutzung von Radien

Teilkanten

Um Unfälle bei Handling und Inspektion zu vermeiden, ist es sicherer, alle Kanten des Teildesigns zu brechen. Fasen sind aber nicht immer die beste Wahl für Teilkanten. Scharfe Kanten können beim Handling verletzen → hier Radius wählen.

Bei Teilen mit Oberflächenveredelung: Radien an Kanten dieser Bereiche ermöglichen nahtlose Optik ohne raue Übergänge. Da kosmetische Radien keine mechanischen/Festigkeitseigenschaften bieten, sollten sie nach Festlegung der restlichen Geometrie hinzugefügt werden. Vorsicht: Sie beeinflussen Kosten der zerspaneten Komponenten.

Innenkanten zwischen senkrechten Wänden

Alle CNC-Werkzeuge sind kreisförmig und achsensymmetrig (Hochgeschwindigkeitsrotation) → quadratischer Winkel zwischen zwei senkrechten Wänden unmöglich zu schneiden. Jede Kante, wo zwei senkrechte Wände unter 180° aufeinandertreffen, muss gerundet werden.

Innenkanten zwischen geneigten/organischen Flächen

Wie im ersten Fall: Radien auch für Kanten < 180° zwischen geneigten/organischen Flächen erforderlich. Sind diese Kanten nicht vollständig vertikal, werden sie mit Kugelkopffräser geschnitten → Werkzeugradius = minimaler Radius zwischen den Flächen.

Senkrechte Wand + Fase/gekrümmte/organische Fläche

Kombination der ersten beiden Fälle: Wenn die senkrechte Wand an Ihrem Teil auf die darunter liegende geneigte, gekrümmte oder organische Fläche trifft, sind Radien erforderlich.

Fazit

Radien in der Fertigung dienen zum Abrunden scharfer Kanten oder Ecken.

Der Radius wird mit CNC-Radiuswerkzeug oder ähnlichem Radiuswerkzeug bearbeitet, das einen konvexen oder konkaven Kreis an der Schnittstelle zweier Flächen formt.

Ein Radius ist eine gekrümmte Fläche, eine Fase eine ebene Fläche. Beide liegen zwischen den Schnittstellen zweier Flächen.

Radien bieten bessere Spannungskonzentrationsentlastung als Fasen.

Obwohl Radien die Querschnittsfläche vernachlässigbar erhöhen, ist ihr Hauptvorteil die Reduzierung der Spannungskonzentration im Anwendungsbereich.