6 bewährte Methoden für die Prototypen-Fertigung

Veröffentlicht am 12. April 2019 | Von Judy, WayKen Projektmanagerin

Anschauen ist besser als lesen, Erfahrung ist der Königsweg. Zwar spart der Verzicht auf Prototyping im Designprozess Zeit, führt aber oft zu größerem Zeitverlust in der Entwicklung. Wenn man Hosen anprobiert oder ein Auto probe fährt, bevor man kauft, ist es nur sinnvoll, das Design mit Prototypenteilen zu testen, bevor die Entwicklungsphase beginnt.

CNC-Bearbeitung für Prototypenteile

Es gibt keine pauschale Antwort, wie man einen Prototyp fertigt und welches Verfahren man wählt. Im Folgenden wird ein Verfahren beschrieben, das im Rapid Prototyping vorrangig eingesetzt wird – die CNC-Bearbeitung. Sie unterscheidet sich vom 3D-Druck durch subtraktive Fertigung. Üblicherweise durchläuft der Lieferant nach Projekterhalt folgende Schritte.

1. Bearbeitungszeichnungen analysieren und Prozess festlegen

Anhand der kundenseitigen Bearbeitungszeichnungen analysieren die Fachkräfte Form, Maßgenauigkeit, Oberflächenrauheit, Werkstückmaterial, Rohlingstyp und Wärmebehandlungszustand. Darauf basierend wählen sie Werkzeugmaschine, Werkzeuge, Spann- und Positioniervorrichtungen, Bearbeitungsmethode, Bearbeitungsreihenfolge und Schnittwerte.

Bei der Prozessfestlegung sollte die Instruktionsfunktion der eingesetzten CNC-Maschine voll berücksichtigt und deren Effizienz maximal genutzt werden, um einen sinnvollen Bearbeitungsweg, wenige Arbeitsgänge und kurze Bearbeitungszeiten zu erreichen.

2. Werkzeugbahn-Koordinaten berechnen

Anhand der geometrischen Abmessungen der zu bearbeitenden Teile und des programmierten Koordinatensystems wird die Bewegungsbahn des Werkzeugmittelpunkts berechnet, um alle Werkzeugpositionsdaten zu erhalten. Da CNC-Systeme in der Regel Lineare und Kreisinterpolation beherrschen, genügt bei einfachen Flachkonturen (Geraden und Kreisbögen) die Berechnung von Start-, End- und Mittelpunkten bzw. Schnitt- und Berührpunkten der geometrischen Elemente.

Fehlt dem CNC-System eine Werkzeugradiuskorrektur, wird die Bahn des Werkzeugmittelpunkts berechnet. Bei komplexen Formen (nicht-kreisförmige Kurven, Freiformflächen) approximieren Geraden- oder Bogenabschnitte die tatsächliche Kontur, und die Knotenkoordinaten werden entsprechend der geforderten Genauigkeit berechnet.

3. CNC-Bearbeitungsprogramm schreiben

Anhand der Werkzeugbahn, der Bewegungsdaten, der Prozessparameter und Hilfsfunktionen erstellt der Programmierer das NC-Programm gemäß den Funktionsanweisungen und dem Blockformat des CNC-Systems. Wichtig sind: normative, gut lesbare Programmstruktur sowie volle Vertrautheit mit Leistung und Instruktionen der genutzten CNC-Maschine, um Befehle und Programmierfertigkeiten optimal einzusetzen.

4. Materialbeschaffung

Übliche Bearbeitungsmaterialien sind Metalle und Kunststoffe. Metalle: 주로 Aluminium, Edelstahl, Blech, Magnesiumlegierungen, Titanlegierungen. Kunststoffe: ABS, PMMA, PC, PP, POM etc.

5. CNC-Bearbeitungsprozess

Der erste Schritt auf der Maschine ist der Grobschnitt. Zum Schruppen wird möglichst ein großes Werkzeug eingesetzt, um mit großem Schnittvolumen innerhalb der Maschinenleistung oder Werkzeugtoleranz schnell viel Material abzutragen. Um Lockerung durch Vibrationen zu vermeiden, sollte nach dem Aufspannen geprüft und gegebenenfalls nachjustiert werden.
Bei Werkstücken mit komplexen Hohlräumen verbleibt durch das große Schruppwerkzeug viel Restmaterial in den Ecken; ein zweiter Schruppgang oder das Ausräumen der Ecken mit einem kleineren Werkzeug ist nötig. Bei großen Bearbeitungsbereichen kann ein Vorschlichtgang den Werkzeugverschleiß reduzieren.
Um Übermaß zu vermeiden, müssen alle Vorstufen ausreichend Aufmaß lassen, bevor das Finishbearbeiten erfolgt. Normalerweise wird direkt auf der Maschine geprüft, das Teil nach Freigabe entnommen und das nächste Werkstück vorbereitet.

6. Oberflächenveredelung

Nach der CNC-Bearbeitung stehen diverse Veredelungsoptionen zur Verfügung: manuelles Entgraten, Strahlen, Polieren, Lackieren, Siebdruck, Galvanisieren, Eloxieren etc.

Entgraten: Aufgrund systembedingter Einschränkungen beim CNC-Fräsen können innere Ecken nicht vollständig ausgefräst werden. Fast alle gefrästen Werkstücke benötigen manuelles Nacharbeiten mit speziellen Werkzeugen, bevor die Passung justiert wird.

Glätten: Teil der Oberflächenbehandlung. Nach dem CNC-Fräsen weisen Teile oft Grate oder Frässpuren auf. Mit Schleifpapier unterschiedlicher Körnung (kleinere Nummer = gröber, größere = feiner) wird geschliffen.

Polieren: PMMA und PC werden generell poliert, um Transparenz oder Spiegeleffekt zu erzielen.

Strahlen: Entfernt kleine Grate, erzeugt mikroskopische Vertiefungen für nachfolgende Beschichtungen, baut eine Druckschicht auf und verbessert die Ermüdungsfestigkeit.

Lackieren: Schutz und Optik. Farbgebung nach Pantone- oder RAL-Vorgabe des Kunden.

Siebdruck: Für Logos und Beschriftungen in Wunschfarbe.

Galvanisieren: Metallische Beschichtung durch Elektrolyse zum Korrosionsschutz, Verschleißfestigkeit, Leitfähigkeit, Reflektivität und Optik.

Eloxieren: Weit verbreitetes Verfahren zur Behebung von Härte- und Verschleißdefiziten von Aluminiumlegierungen, Erweiterung des Anwendungsbereichs und Verlängerung der Lebensdauer.

Zusammenfassung

CNC-Bearbeitung ist das am weitesten verbreitete Verfahren für Prototypen. Als professioneller Prototypenhersteller beherrscht WayKen die CNC-Bearbeitung diverser Teile. Kurze Lieferzeiten, enge Toleranzen, moderate Preise – kontaktieren Sie uns für jede Anfrage.