CNC-Bearbeitungsmaterialien: Der ultimative Auswahlleitfaden

Kunststoffmaterialien für die CNC-Bearbeitung

Aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer isolierenden Eigenschaften und ihrer Beständigkeit gegenüber korrosiven chemischen Umgebungen ist Kunststoff oft ein geeignetes Material. Er ist beispielsweise bei medizinischen und elektronischen Geräten beliebt, sowohl in der Prototypenphase als auch in der Serienproduktion.

• ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol): ABS ist einer der gebräuchlichsten technischen Kunststoffe. Er ist preiswert, leicht zu bearbeiten und sogar schlagfest; dies ist einer der vielen Gründe, warum Rapid Prototyping in der Ingenieurwelt so häufig eingesetzt wird.
• Nylon (Polyamid): Nylon ist bekannt für seine extreme Festigkeit, Langlebigkeit und Verschleißfestigkeit und daher ein begehrtes Material für die Herstellung reibungsarmer Bauteile. Da Nylon jedoch stark saugfähig ist, kann Luftfeuchtigkeit das Material beeinträchtigen und zu Verformungen führen.
• Delrin (POM): Delrin eignet sich aufgrund seiner hohen Dimensionsstabilität und geringen Reibung hervorragend für Anwendungen im Bereich der Kunststoff-Präzisionstechnik. Es ist auch ein beliebter Ersatzwerkstoff für Metall bei technischen Bauteilen wie Befestigungselementen und Buchsen.
• PEEK (Polyetheretherketon): Für Anwendungen mit sehr hohen Leistungsanforderungen, die extremen Temperaturen, chemisch korrosiven Umgebungen und sehr anspruchsvollen Bedingungen standhalten müssen (z. B. in der Medizin- und Luftfahrtindustrie), wird ein hochpreisiger Kunststoff namens PEEK verwendet.
• Polycarbonat (PC): Polycarbonat ist ebenfalls ein sehr gefragter technischer Kunststoff. Es ist transparent, bekannt für seine hohe Schlagfestigkeit, wird häufig in einer Vielzahl optischer Anwendungen eingesetzt und findet auch Verwendung in Schutzbrillen und Systemen, die mit verschiedenen Flüssigkeiten umgehen.

Materialeigenschaften und ihre Auswirkungen auf die CNC-Bearbeitung

Bei der CNC-Bearbeitung hilft die Kenntnis grundlegender Materialeigenschaften dabei, vorherzusagen, wie sich die Materialien unter dem Schneidwerkzeug verhalten werden.

Härte

Die Härte gibt an, wie viel Belastung ein Material aushält, ohne sich zu verformen.

• Auswirkungen: Ist ein Material zu hart (z. B. gehärtete Stähle, Titan), müssen die Schnittgeschwindigkeiten drastisch reduziert werden, um Werkzeugbruch zu vermeiden, was wiederum die Bearbeitungszeit und die Kosten erhöht.
• Auswahlhinweis: Geben Sie eine höhere Härtestufe nur dann an, wenn das Material starkem Verschleiß oder Abrieb ausgesetzt sein soll.

Bearbeitbarkeit

Die Zerspanbarkeit beschreibt, wie leicht sich ein bestimmtes Material bearbeiten lässt. Meistens handelt es sich um eine Vergleichsbewertung, bei der Automatenstähle (1212) mit 100 % bewertet werden.

• Auswirkungen: Werkstoffe mit hoher Bearbeitbarkeit (z. B. Aluminium 6061, Messing) ermöglichen eine deutlich schnellere Bearbeitung mit geringerem Werkzeugverschleiß und sind kostengünstiger in der Herstellung.
• Auswahltipp: Wenn es Ihr Design zulässt, verwenden Sie immer Materialien mit höheren Schutzklassen, um die Kosten zu minimieren.

Thermische Stabilität

Die thermische Stabilität eines Materials ist seine Reaktion auf Wärme.

• Auswirkungen: Bei der maschinellen Bearbeitung entsteht Reibungswärme. Kunststoffe mit geringer Wärmebeständigkeit können bei zu aggressiver Bearbeitung schmelzen oder sich verformen. Metalle mit schlechter Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Titan, konzentrieren viel Wärme auf das Schneidwerkzeug und verkürzen so dessen Standzeit.
• Auswahltipp: Bei aggressiver Bearbeitung oder Hochtemperaturanwendungen sollten Werkstoffe mit hoher thermischer Stabilität gewählt werden.

Zugfestigkeit

Die Zugfestigkeit bezeichnet die Belastung, die ein Material unter Zugbeanspruchung aushalten kann, bevor es bricht.

• Auswirkung: Wenn ein Werkstoff mit hoher Zugfestigkeit für die maschinelle Bearbeitung ausgewählt wird, erschwert dies in der Regel die Bearbeitung.
• Auswahlhinweis: Achten Sie darauf, dass die Zugfestigkeit für die Konstruktion ausreichend ist, vermeiden Sie jedoch die Angabe einer überdimensionierten Festigkeit, wenn das Bauteil nicht tragend ist.

Kostenauswirkungen verschiedener Bearbeitungsmaterialien

Die Kosten eines CNC-gefrästen Teils beschränken sich selten nur auf die Kosten des Rohmaterialblocks. Sie setzen sich aus Rohmaterialkosten, Bearbeitungszeit und Werkzeugverschleiß zusammen.

Die Rohstoffkosten

Dies ist der offensichtlichste Aspekt.

• Kostengünstig: ABS, Aluminium 6061, Baustahl.
• Mittlere Preisklasse: Edelstahl 304, Nylon, Polycarbonat.
• Hohe Kosten: Titan, PEEK, Edelstahl 316.

Die versteckten Kosten: Bearbeitbarkeit

Hier stoßen Budgets oft an ihre Grenzen. Ein Titanblock mag zwar fünfmal so viel kosten wie ein Aluminiumblock, doch die eigentlichen Kosten entstehen durch die Maschinenlaufzeit. Da Titan langsam bearbeitet werden muss, um die Maschinen nicht zu beschädigen, kann die Maschine für ein Teil, das in Aluminium nur eine Stunde dauern würde, bis zu zehn Stunden laufen.

Wenn man einen Stundensatz für die Bearbeitung zahlt, übersteigt der zehnfache Zeitaufwand die Kosten für das Rohmaterial bei Weitem.

Werkzeugverschleiß und -austausch

Abrasive Materialien wie glasfaserverstärktes Nylon oder harte Metalle führen zu schnellem Verschleiß von Schaftfräsern und Bohrern. Muss ein Maschinenbediener die Maschine mitten in der Bearbeitung anhalten, um ein stumpfes Werkzeug zu wechseln, entstehen Ihnen Kosten für die Ausfallzeit und das neue Werkzeug.

Tipps zur Optimierung der Materialauswahl für die CNC-Bearbeitung

Durch die Anwendung dieser Optimierungsstrategien während der Entwurfsphase können Sie Kosten und Durchlaufzeiten reduzieren.

1.Nicht zu detailliert spezifizieren

Nur weil Titan der Güteklasse 5 das „beste“ Material für die Konstruktion ist, heißt das nicht, dass es verwendet werden muss. Ingenieure müssen die kostengünstigsten Materialien wählen. Wenn das Bauteil lediglich auf einem Schreibtisch stehen und einen Sensor halten soll, ist eine teure Variante aus hochfestem Stahl nicht erforderlich.

2.Standardisieren Sie Ihre Rohlingsgrößen

Bei der CNC-Bearbeitung von Bauteilen erhalten die Maschinenbediener ihre Rohmaterialien in Stangen-, Rund- und Plattenform. Ist das Bauteil beispielsweise 51 mm breit, benötigt der Maschinenbediener eine 60-mm-Stange und muss 9 mm Material abfräsen. Bei einer Breite von 49 mm hingegen kann eine 50-mm-Stange verwendet werden, wodurch kein Material verschwendet wird. Dies reduziert die Bearbeitungszeit.

3.Denken Sie an die Nachbearbeitung

Wenn eine bestimmte Oberflächenhärte erforderlich ist und das Bauteil gut bearbeitbar sein muss, sind Nachbearbeitungsprozesse notwendig. Weichere Stähle können beim Einsatzhärten verwendet werden, und dasselbe gilt für Aluminium, das durch Anodisieren eine verschleiß- und korrosionsbeständigere Oberflächenschicht erhält.

4.Berücksichtigen Sie die Dicke Ihrer Wände.

Dies gilt zwar für alle anderen Materialien, ist aber bei Kunststoffen besonders wichtig. Bearbeitungsprozesse können unebene Oberflächen erzeugen und, noch gefährlicher, bei dünnen Wandstärken zu Rissen im Werkstück führen. Wählen Sie daher eine großzügig dimensionierte Wandstärke, die dem Aufprall des Schneidwerkzeugs standhält.

Fazit

Die Wahl des richtigen Materials für die CNC-Bearbeitung ist selten eine einfache Entscheidung. Es handelt sich um eine Abwägung zwischen den physikalischen Anforderungen des Endprodukts und den wirtschaftlichen Gegebenheiten der Fertigung. Durch das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Bearbeitbarkeit, Kosten und mechanischen Eigenschaften lassen sich Teile konstruieren, die nicht nur funktional, sondern auch effizient herzustellen sind.

Ob Sie nun die Vielseitigkeit von Aluminium, die Langlebigkeit von Stahl oder die Präzision von Delrin bevorzugen – entscheidend ist, Ihren Fertigungspartner frühzeitig in den Designprozess einzubinden. Dessen praktische Erfahrung liefert wertvolle Erkenntnisse, die Zeit und Kosten sparen, noch bevor der erste Schnitt erfolgt.