Das richtige Metall für CNC-Bearbeitung wählen: Festigkeit, Haltbarkeit & Kosten

Beim Design von CNC-Bauteilen steht oft die Wahl eines Metallwerkstoffs an. Dabei sind Festigkeitsanforderungen, chemische Beständigkeit, thermische Stabilität, Kosten und weitere Faktoren abzuwägen. Angesichts der Vielzahl an Materialien kann die Entscheidung überwältigend wirken. Zuerst die wichtigsten Merkmale des Bauteils definieren: Wie funktioniert es? Welcher Umgebung ist es ausgesetzt? Wie interagiert es mit anderen Komponenten?

Nach Klärung dieser Eigenschaften helfen die folgenden sechs Entscheidungskriterien bei der Auswahl des passenden Metalls – egal ob hart oder weich.

Mechanische Eigenschaften von Metallen

Beginnen wir mit den mechanischen Kenngrößen, die das Materialverhalten unter verschiedenen Belastungen beschreiben.

Härte

Härtere Materialien widerstehen Kratzern und Einkerbungen besser. Geeignet für Verschleißteile wie Buchsen. Einige Werkstoffe lassen sich nach der Bearbeitung härten – dabei ändern sich die Eigenschaften (z. B. erhöhte Sprödigkeit). Auch Beschichtungen können die Oberfläche härten.

Die folgende Grafik vergleicht vereinfacht die Härte gängiger Metalle.

Dichte

Aluminiumdichte ist weit geringer als die von Baustahl – ca. ein Drittel des Gewichts. Je nach Legierung kann Aluminium gewichtsbezogen sogar fester sein als Stahl (besseres Festigkeits-Gewichts-Verhältnis).

Zugfestigkeit

Maximale Spannung vor Versagen. Bei einer Halterung, die zwei Komponenten verbindet, zeigt die Zugfestigkeit die Widerstandsfähigkeit gegen Bruch.

Dämpfung

Harte Metalle neigen zu geringerer Dämpfung.

Sprödigkeit

Hochspröde Werkstoffe dehnen sich vor dem Bruch nicht. Für dauerhaft biegebeanspruchte Teile ungeeignet.

Sind obige Eigenschaften projektkritisch, empfiehlt sich eine Recherche zu den exakten Kennwerten jedes Materials.

Verschleiß- und Ermüdungseigenschaften

Für Prototypen (Passung/Funktion) ist Verschleiß oft vernachlässigbar. Geht es um Festigkeit oder Umwelteinflüsse (Extremtemperaturen), wird die Materialwahl entscheidend. Wichtigste Ermüdungskenngrößen:

Ermüdungsfestigkeit & Zähigkeit

Spannung, die ein Werkstoff über eine definierte Zyklenzahl aushält. Umfassend erforscht, um materialspezifische Lebensdauervorhersagen zu ermöglichen. Metallermüdung ist die schrittweise, lokale, permanente Schädigung unter zyklischer Beanspruchung – nach einer Zyklenzahl entstehen Risse oder plötzlicher Bruch. Ca. 90 % aller Metallversagen erfolgen schnell und ohne Vorwarnung; daher nutzt man oft das Mittelwertverhältnis als Maß für die Ermüdungsfestigkeit. Werden Bauteile zyklisch beansprucht, sollte die Ermüdungsfestigkeit bewertet werden.

Arbeitstemperatur von Metallteilen

Die Umgebungstemperatur des späteren Einsatzorts ist entscheidend: Der Schmelzpunkt des CNC-Werkstoffs muss darüber liegen, sonst ändert sich die Struktur. Zudem muss der Werkstoff extreme Temperaturschwankungen überstehen. Einige Materialien vertragen diese, andere ändern nach längerer Nutzung ihre Struktur.

Umweltsimulationstests (Hoch-/Tief temperiert, Feuchte, Thermoschock, Temperaturzyklen) liefern Daten.

• Hochtemperaturbeständig: Titan, Edelstahl.
• Tieftemperaturduktil: Kupfer, Aluminium.

Kriechbeständigkeit – Widerstand gegen zeitabhängige Verformung unter konstanter hoher Spannung. Kann die Standardfestigkeitsgrenze übersteigen, da es länger dauert. Nickel, Titan, Edelstahl weisen die höchste Kriechfestigkeit auf.

Korrosions- (Oxidations-) beständigkeit

Korrosion ist Degradation/Oxidation durch chemische Reaktion mit der Umgebung. Alle Metalle korrodieren. Reines Eisen korrodiert schnell, legierter Edelstahl sehr langsam. Bei Korrosionsbedenken ist Edelstahl erste Wahl.

Alternative: Eloxiertes Aluminium – reduziert Korrosion, sehr haltbar. Nickelbeschichteter Baustahl kann kostengünstiger sein als Edelstahl.

Thermische Eigenschaften

Metalle dehnen sich aus, schmelzen, leiten Strom. Wichtigste thermische Eigenschaft: Wärmeleitfähigkeit – Fähigkeit, Wärme zu transportieren. Für Kühlanwendungen sind hohe Werte vorteilhaft.

Thermische Kenngrößen gängiger Metalle sind in der Tabelle (Bild) zusammengefasst.

Fertigungsgerechtigkeit (Machinability)

Bearbeitbarkeit = Leichtigkeit der spanenden Umformung. Beispiel: Aluminium lässt sich sehr gut zerspanen, Werkzeugverschleiß ist gering – Bearbeitungskosten sind „günstiger“ als bei schwer zerspanbaren Werkstoffen.

Verschiedene Werkstoffeigenschaften bestimmen die Performance des Endprodukts. Diese müssen mit Rohmaterial- und Bearbeitungskosten abgewogen werden. Beispiel: Edelstahl ist vorgegeben – es gibt jedoch diverse Güten mit stark unterschiedlichen Kosten und Eigenschaften. Zudem sind manche Edelstähle schwerer zerspanbar, was die Maschinenkosten erhöht.