Expertenrat zur Materialauswahl für die CNC-Bearbeitung

Warum die richtige Materialwahl entscheidend ist

In den letzten Jahren hat sich die CNC-Bearbeitung rasant weiterentwickelt – und mit ihr die Anforderungen an Werkzeugmaschinenteile. Heute ist CNC-Fertigung in zahlreichen Branchen unverzichtbar, von der Medizintechnik über den Automobilbau bis hin zur Luft- und Raumfahrt. Die Palette verfügbarer Materialien wächst stetig, um den spezifischen Bedürfnissen von Ingenieuren, Entwicklern und Fertigern gerecht zu werden. Der Schlüssel zu einem optimalen Endprodukt liegt jedoch in der Auswahl des passenden Materials.

Wichtige Faktoren bei der Materialauswahl

1. Verwendungszweck der Bauteile

Ähnliche Materialien können in völlig unterschiedlichen Produkten zum Einsatz kommen und dabei unterschiedliche Funktionen erfüllen. Dienen die Teile medizinischen Geräten, Fahrzeugen, Flugzeugen, Maschinen oder der industriellen Fertigung? Nehmen wir Isolation als Beispiel: Das Material für einen Atemanalysator unterscheidet sich grundlegend von dem für eine Kamera – obwohl beide isolieren. Werden Bauteile im Freien oder in feuchter Umgebung eingesetzt, ist Edelstahl gegenüber Baustahl vorzuziehen, um Korrosion zu vermeiden.

2. Belastung und Spannung

Hohe mechanische Belastungen können Materialien verformen oder gar brechen lassen. Bei der Materialwahl muss die zu erwartende Spannung berücksichtigt werden. Stark beanspruchte Bauteile erfordern Werkstoffe mit hoher Festigkeit und Verformungswiderstand. Wird ein Teil hohen Lasten ausgesetzt, muss das Material die notwendigen Eigenschaften mitbringen, um diese dauerhaft zu widerstehen.

3. Maßtoleranzen

Die Bedeutung von Maßtoleranzen wird oft unterschätzt. Sie beeinflussen nicht nur die Materialwahl, sondern auch die Montage, Bearbeitungsstrategien, Werkzeugauswahl und Maschinenauslastung – und letztlich die Wirtschaftlichkeit des gesamten Prozesses.

Kennen Sie die geforderten Toleranzen Ihres Bauteils. Arbeiten Sie mit alten Konstruktionszeichnungen, prüfen Sie, ob die Toleranzen noch aktuell und sinnvoll sind. Schon kleine Fehler in der Dokumentation führen zu teuren Nacharbeiten. Lockerere Toleranzen – wo technisch vertretbar – senken die Kosten erheblich. Enge Toleranzen sind in der Regel teurer.

Werden keine Toleranzen angegeben oder stimmen die Werte nicht, riskieren Sie unpassende Teile, Nachbearbeitung und Lieferverzögerungen. Sind Sie unsicher, ziehen Sie einen erfahrenen CNC-Fertiger frühzeitig hinzu.

4. Betriebstemperatur

Der Schmelzpunkt des Materials muss über der maximalen Betriebstemperatur liegen. Zudem sind Temperaturschwankungen zu beachten: Das Material darf sich im Laufe der Zeit nicht verziehen, aufblähen oder zersetzen. Zwar sind einige Hochleistungswerkstoffe für solche Bedingungen ausgelegt, doch viele Standardmaterialien zeigen bei extremen Temperaturen Ermüdungserscheinungen.

Auch während der Zerspanung entsteht Wärme. Das Verständnis der thermischen Wechselwirkungen zwischen Bearbeitungstemperatur und Werkstoffverhalten ist essenziell für ein gelungenes Design und eine prozesssichere Fertigung.

5. Gewicht und Tragfähigkeit

Schwere Werkstoffe absorbieren hohe Drücke und eignen sich für lastintensive Anwendungen – sind jedoch ungeeignet für gewichtsensitive Konstruktionen. Leichte Materialien (z. B. Aluminium, Titan, Magnesium) bieten hohe Festigkeit bei geringem Gewicht, sind aber oft teurer. Die Entscheidung zwischen Masse und Leichtbau ist ein klassischer Zielkonflikt: Definieren Sie die kritischen Anforderungen, schließen Sie ungeeignete Werkstoffe aus und vergleichen Sie dann die Kosten.

6. Gesamtkosten und Bearbeitbarkeit

Die teuersten Materialien sind meist hochfeste, leichte Legierungen. Priorisieren Sie die für Ihr Bauteil entscheidenden Eigenschaften: Festigkeitsverlauf, Temperaturgrenzen, Montageanforderungen. Schließen Sie ungeeignete Werkstoffe aus, vergleichen Sie die Materialkosten und wählen Sie das wirtschaftlichste.

Mehr Materialvolumen bedeutet höhere Kosten. Sonderwerkstoffe und extrem harte Materialien (wie Titan) treiben den Preis. Ein Fertiger mit kostenloser Angebotserstellung und ohne Mindestbestellmenge hilft, Kosten zu minimieren. Bei klar definierten Anforderungen lassen sich oft kostengünstigere Alternativen finden.

Materialleitfaden: Die gängigsten Werkstoffe im Überblick

SANS bearbeitet hunderte Metalle, Legierungen und Kunststoffe sowie kundenspezifische Materialien auf Anfrage. Im Folgenden stellen wir die wichtigsten Werkstoffe und ihre Eigenschaften vor.

Metalle

Metalle sind die häufigsten Werkstoffe im CNC-Fräsen und bieten eine enorme Bandbreite. Je nach Bauteilgröße und Geometrie kann der Materialkostenanteil erheblich sein.

Aluminium

Aluminium ist der am weitesten verbreitete Werkstoff im CNC-Fräsen – ideal für mechanische und optische Bauteile. Es lässt sich schneller zerspanen als die meisten anderen Metalle und ist damit oft die wirtschaftlichste Wahl. An der Luft bildet sich eine schützende Oxidschicht, die Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit erhöht. CNC-gefrästes Aluminium findet Anwendung in Automobil, Luftfahrt, Medizintechnik und Unterhaltungselektronik – z. B. Flugzeugkomponenten, Elektronikgehäuse, Medizingeräte, Zahnräder und Wellen.

Aluminium 6061

Die meistgenutzte Universal-Aluminiumlegierung mit gutem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und hervorragender Zerspanbarkeit. Hauptlegierungselemente: Magnesium, Silizium, Eisen. Natürliche Beständigkeit gegen atmosphärische Korrosion. Nachteil: Geringere Beständigkeit gegen Salzwasser und Chemikalien; in Hochlastanwendungen nicht so fest wie andere Legierungen. In Europa oft durch das ähnliche EN AW-6082 ersetzt (britische Norm).

Aluminium 7075

Hochfeste Aluminiumlegierung (Hauptlegierung: Zink). Eine der stärksten Alu-Legierungen – ideal für hochbelastete Sportgeräte, Automobil- und Luftfahrtstrukturen. Exzellente Ermüdungseigenschaften, wärmebehandelbar auf hohe Festigkeit/Härte. Unverzichtbar für Leichtbau. Nicht schweißgeeignet.

Aluminium 5083

Höhere Festigkeit und exzellente Seewasserbeständigkeit als die meisten Alu-Legierungen. Standard in Schiffsbau und Offshore-Anwendungen. Sehr gut schweißbar.

Mehr Wissen: Alles über CNC-Aluminiumbearbeitung

Edelstahl

Edelstahllegierungen bieten hohe Festigkeit, gute Duktilität, hervorragende Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, sind schweißbar, gut zerspanbar und polierbar. Je nach Legierung magnetisch oder nicht-magnetisch. Das namensgebende Chrom verhindert Oxidation (Rost). Da alle Edelstähle optisch identisch wirken, ist eine eingehende Materialprüfung (z. B. OES-Spektroskopie) im Wareneingang unerlässlich.

Edelstahl 303 (1.4305)

Zusatz von Schwefel für beste Zerspanbarkeit – auf Kosten etwas geringerer Korrosionsbeständigkeit. Nicht kaltumformbar, nicht wärmebehandelbar, schlecht schweißbar. Erfordert scharfe Werkzeuge und angepasste Schnittdaten. Typisch: Schrauben, Muttern, Wellen, Zahnräder. Nicht für marine Anwendungen.

Edelstahl 304 (1.4301)

Häufigster Edelstahl (18 % Cr, 8 % Ni – „18/8“). Ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, gute Zerspanbarkeit, beständig gegen die meisten Umgebungsmedien. Hart, nicht magnetisch, korrosionsbeständig in normalen (nicht-chemischen) Umgebungen. Einsatz: Küchenausstattung, Behälter, Rohrleitungen in Industrie, Bau, Auto. Schweißbar. Scharfe Werkzeuge, keine Kontamination durch andere Metalle.

Edelstahl 316 (1.4401)

Ähnliche mechanische Werte wie 304, aber mit Molybdän-Zusatz für deutlich höhere Korrosionsbeständigkeit – insbesondere gegen Chloride (Meerwasser). „Marine Grade“. Einsatz: Schiffsausrüstung, Chemieanlagen, Medizintechnik, Auto.

Edelstahl 2205 (1.4462, Duplex)

Doppelt so fest wie gewöhnliche austenitische Edelstähle, exzellente Korrosionsbeständigkeit (Spannungsrisskorrosion). Einsatz in rauen Umgebungen: Öl & Gas, Chemie, Meerwasserentsalzung.

17-4 PH (1.4542)

Aushärtbarer martensitischer Edelstahl (Vergüten + Auslagern). Festigkeit vergleichbar Werkzeugstahl, gute Chemikalienbeständigkeit. Hochleistungsanwendungen: Turbinenschaufeln, Luftfahrt, Öl & Gas.

Werkzeugstähle

Extrem hohe Härte, Steifigkeit, Verschleiß- und Warmfestigkeit. Einsatz für Werkzeuge: Stanz-, Umform-, Spritzgusswerkzeuge. Erfordern Wärmebehandlung.

Werkzeugstahl D2 (1.2379): Luftgehärtet, hochkohlenstoffhaltig, hochchromhaltig. Hoher Verschleißwiderstand, Härteerhalt bis 425 °C. Ideal für Biegewerkzeuge, Schneidwerkzeuge.

Werkzeugstahl A2 (1.2363): Luftgehärtet, universell, gute Zähigkeit, exzellente Dimensionsstabilität bei Wärme. Standard für Spritzgussformen.

Werkzeugstahl O1 (1.2510): Ölgehärtet, bis 65 HRC. Messer, Schneidwerkzeuge, Lehren.

Baustähle / Einsatzstähle (Mild Steels)

Gute mechanische Eigenschaften, sehr gute Zerspanbarkeit und Schweißbarkeit. Günstig, universell einsetzbar: Maschinenbauteile, Vorrichtungen, Lehren. Anfällig für Korrosion.

1.0401 (C15) / 1.1121 (Ck10) / 1.7131 (16MnCr5)

Gängige Einsatzstähle für gehärtete, verschleißfeste Oberflächen bei zähem Kern. Wellentypische Anwendungen.

C45 (1.0503)

Vergütbarer Baustahl, höherfest als Baustahl, günstiger als Edelstahl. Härtbar, gut zerspanbar und schweißbar. Industrie: Zahnräder, Wellen, Bolzen, Pleuel. Im Bauwesen meist oberflächenbeschichtet (Verzinken, Brünieren).

S355J2 (1.0577, ehem. St 52-3)

Strukturstahl mit guter Schweißbarkeit. Universell im Stahlbau, Maschinenbau.

Magnesium AZ31

Aluminium-Zink-Legierung, ca. 35 % leichter als Aluminium bei höherer spezifischer Festigkeit. Teurer, brennbar (v. a. als Späne/Pulver) – Bearbeitung nur mit Flüssigschmierstoffen. Eloxierbar für Korrosionsschutz. Hohe Dimensionsstabilität, ideal für Druckguss. Einsatz: Flugzeugbauteile, Laptop-Gehäuse, Elektrowerkzeuge, Kamerabodys.

Titan (z. B. Grade 5 / Ti-6Al-4V)

Hohe Festigkeit, geringes Gewicht, Zähigkeit, exzellente Korrosionsbeständigkeit. Schweißbar, passivierbar, eloxierbar. Schlecht polierbar, schlechter elektrischer, guter thermischer Leiter. Schwierig zu zerspanen – erfordert Profi-Werkzeuge und -Strategien. Teuer (aufwendige Gewinnung). Einsatz: Militär, Luftfahrt, Medizintechnik (Implantate), Chemie.

Messing (z. B. CuZn39Pb3 / CW614N)

Eines der einfachsten und kostengünstigsten Zerspanungsmaterialien. Kupfer-Zink-Legierung, stabil, aber nicht hochfest. Geringer Reibkoeffizient, gute Korrosionsbeständigkeit. Einsatz: Medizintechnik, Konsumgüter, Elektrokontakte, Armaturen, Dampftechnik, Musikinstrumente, Dekor. Messing C36000: Hohe Zugfestigkeit, natürliche Korrosionsbeständigkeit, extrem gut zerspanbar – ideal für Großserien.

Kupfer (z. B. E-Cu58 / CW004A)

Beste elektrische Leitfähigkeit aller CNC-Metalle. Hohe Korrosionsbeständigkeit, gute thermische Leitfähigkeit erleichtert die Zerspanung. Einsatz: Kühlsysteme, Wärmetauscher, Ventile, Heizkörper (Auto, Anlagenbau). Empfindlich gegen Säuren, Halogene, Sulfide, Ammoniak.

Kunststoffe

Neben Metallen bearbeitet SANS präzise eine Vielzahl technischer Kunststoffe.

ABS

Gängigster Thermoplast. Gute mechanische Werte, hohe Schlagzähigkeit, gute Wärmeformbeständigkeit, hervorragend zerspanbar. Geringe Dichte – ideal für Leichtbau. Oft als Prototyp vor Spritzguss-Serienfertigung.

Polyamid / Nylon (PA 6, PA 6.6)

Exzellente mechanische Eigenschaften, hohe Schlagfestigkeit, sehr gute Chemikalien- und Abriebbeständigkeit, mittlere Flammwidrigkeit. Einsatz: Isolatoren, Lager, Prototypen für Spritzguss. Nachteil: Hygroskopisch (Wasseraufnahme → Dimensionsänderung).

POM / Delrin (Polyoxymethylen)

Härtester, steifster und am besten zerspanbarer Thermoplast. Erste Wahl für präzise Kunststoffteile mit: hoher Dimensionsstabilität (auch bei Temperatur), geringster Reibung, extrem niedriger Wasseraufnahme.

PTFE / Teflon (Polytetrafluorethylen)

Herausragende Chemikalien- und Hitzebeständigkeit, niedrigster Reibkoeffizient aller Feststoffe, exzellenter Isolator. Schwache mechanische Festigkeit – meist als Einlage, Dichtung, Auskleidung.

HDPE (High-Density Polyethylen)

Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, hohe Schlagzähigkeit, gute Witterungsbeständigkeit. Leicht, für Außenanwendungen und Rohrleitungen. Wie ABS oft als Prototyp vor Spritzguss.

PEEK (Polyetheretherketon)

Hochleistungsthermoplast: exzellente Mechanik, thermische Stabilität über weiten Temperaturbereich, beste Chemikalienbeständigkeit. Ersetzt oft Metallteile (hoher Festigkeits-Gewichts-Index). Medizinische Grade verfügbar – biomedizinisch einsetzbar.