Die subtraktive Fertigung ist eine der gängigsten und am weitesten verbreiteten Präzisionsfertigungsmethoden. Im Gegensatz zum 3D-Druck wird bei der subtraktiven Fertigung ein massiver Materialblock oder eine Struktur mit einer Maschine bearbeitet, bis die gewünschte Form entsteht. Dies ähnelt der Vorgehensweise von Bildhauern, wobei bei der subtraktiven Fertigung das Modellieren durch eine Maschine oder einen Roboterarm ersetzt wird.
CNC-Drehen und CNC-Fräsen CNC-Maschinen sind die gängigsten Fertigungsverfahren in der subtraktiven Fertigung. Obwohl sie im allgemeinen Sprachgebrauch oft synonym verwendet werden, unterscheiden sie sich tatsächlich und weisen jeweils spezifische Stärken, Schwächen und Anwendungsbereiche auf. Im Folgenden möchten wir Ihnen grundlegende Informationen zur Verwendung von CNC-Maschinen geben, um Sie bei Ihrem nächsten Projekt zu unterstützen.
Was ist CNC-Drehen?
Beim CNC-Drehen wird ein Werkstück in einem Spannfutter eingespannt und mit einer bestimmten Drehzahl rotiert, während ein Drehmeißel entlang der gewünschten Form aus dem Material herausgeführt wird. Dieser Prozess zeichnet sich durch verschiedene Merkmale aus, insbesondere durch die Bewegung des rotierenden Werkstücks während des Schneidvorgangs. Das Schneidwerkzeug bleibt dabei an einer Position, während es sich um die anderen Achsen dreht und bewegt.
CNC-Drehen erfolgt auf einer Drehmaschine oder einem Drehzentrum. Da sich das Werkstück um eine Spindel dreht, eignet sich CNC-Drehen zur Herstellung zylindrischer oder rohrförmiger Teile. Ob einfache Wellen, dekorative Tischbeine oder komplexe Verbindungsstücke für die Luft- und Raumfahrttechnik – Drehen ist meist das bevorzugte Bearbeitungsverfahren.
Der CNC-Drehprozess
Zum Beginn des Drehprozesses wird ein Rundstab verwendet. Dieser Stab wird auf der Spindel der Drehmaschine befestigt. Die Spindel ist die Hauptkomponente, da sie die erforderliche Drehbewegung erzeugt.
Zunächst wird die Spindel aktiviert und das Werkstück mit Tausenden von Umdrehungen pro Minute (U/min) rotiert. Ein auf einem Revolver montiertes Werkzeug wird an die Werkstückoberfläche geführt. Während die Spindel schneidet, bewegt sich das Werkzeug linear parallel zum Zylinder und entfernt Späne vom Werkstück.
Da das Werkzeug stets im Schneidkontakt steht, verläuft der Prozess sehr schnell und ermöglicht die Erzeugung äußerst sauberer Schnitte. Genau deshalb ist das CNC-Drehen für seine Effizienz und die hohe Oberflächengüte bekannt.
CNC-Drehbearbeitungsarten
Der Begriff „Drehen“ kann verwendet werden, um alle Arbeitsgänge einer CNC-Drehmaschine zu beschreiben, aber je nach Werkzeug und Bewegungsmuster der Maschine können verschiedene Dinge durchgeführt werden.
- Plandrehen: Dieser Arbeitsgang dient dazu, das Werkstückende freizulegen und eine Fläche zu erzeugen, die senkrecht zur Drehachse verläuft. Diese Fläche ist in der Regel erforderlich, um nachfolgende Bearbeitungen an einem Werkstück mit bekannten Abmessungen durchführen zu können.
- Außendrehen: Das Werkzeug bewegt sich entlang der Länge des Werkstücks, um dessen Durchmesser zu verringern und die zylindrische Grundform zu erhalten.
- Bohren: Um bestimmte Innendurchmesser zu messen, wird ein Werkzeug axial durch das Werkstück bewegt, um ein zuvor gebohrtes Loch zu vergrößern.
- Gewindeschneiden: Bei dieser Funktion bewegt sich die Werkzeugmaschine und schneidet mit bestimmten Vorschubgeschwindigkeiten durch die Außen- oder Innenwände des Werkstücks. Die Vorschubgeschwindigkeiten werden auf Basis der Drehzahl der Spindel berechnet, die das Gewinde in das Werkstück schneidet.
- Nutenfräsen: Bei diesem Werkstück entfernt die Werkzeugmaschine einen Teil einer Seite des Werkstücks durch radiales Schneiden, wodurch eine Nut entsteht.
- Rändeln: Ein Spezialwerkzeug, das kein Material abträgt, sondern ein Oberflächenmuster (in der Regel Rauten oder geradlinige Muster) in das Werkstück einprägt, um einen besseren Halt auf der Werkstückoberfläche zu erzielen.
CNC-Drehkompatible Materialien
CNC-Drehen eignet sich für die Bearbeitung unterschiedlichster Materialien. Dabei wird ein rotierendes Werkstück mit einem starren Schneidwerkzeug verwendet. Sowohl weiche Kunststoffe als auch gehärtete Superlegierungen lassen sich mit CNC-Drehen bearbeiten.
Als Metalle können verwendet werden: Aluminium (6061, 7075), Messing, kohlenstoffarmer Stahl, Edelstahl (303, 304, 316), Titan und Magnesium.
Als Kunststoffe können verwendet werden: ABS, Nylon, Polycarbonat, PEEK, PTFE (Teflon) und Acryl.
Die Materialwahl bestimmt in der Regel die Schnittgeschwindigkeit und die Art des verwendeten Werkzeugs. Bei weichem Aluminium ist das Drehen schneller und der Werkzeugverschleiß geringer. Dies unterscheidet sich vom Drehen von wärmebehandeltem Edelstahl.
Vorteile und Nachteile des Abbiegens
Vorteile:
- Geschwindigkeit: Bei zylindrischen Teilen ist das Drehen wesentlich schneller als das Fräsen, da durch die kontinuierliche Schnittbewegung das Material rasch abgetragen wird.
- Oberflächenfinish:Die kontinuierliche Rotation ermöglicht außergewöhnlich glatte, hochwertige Oberflächen ohne die beim Fräsen oft entstehenden sichtbaren Werkzeugspuren.
- Kosteneffizient:Für runde Teile sind Drehmaschinen im Allgemeinen günstiger im Betrieb und in der Einrichtung als komplexe Fräsmaschinen.
- Genauigkeit:Hervorragend geeignet, um enge Toleranzen bei Durchmessern und Rundlaufgenauigkeit zu erreichen.
Nachteile:
- Geometrische Einschränkungen:Man ist weitgehend auf rotationssymmetrische Teile beschränkt. Ein quadratischer Kasten oder eine komplexe organische Form ohne Mittelachse lässt sich nicht ohne Weiteres drehen.
- Werkzeugverschleiß:Der ständige Kontakt kann zu Wärmeentwicklung führen, was robuste Kühlstrategien erfordert und bei härteren Materialien möglicherweise einen schnelleren Werkzeugverschleiß zur Folge hat.
Was ist CNC-Fräsen?
Beim CNC-Fräsen begehe ich das Gegenteil von Drehen. Anstatt dass sich das Werkstück dreht, ist es nun stationär, und ein Schneidwerkzeug bewegt sich in einer Hin- und Herbewegung darüber, um Material abzutragen.
In der Fertigungsindustrie sind Fräsmaschinen unverzichtbar. Sie können jede ebene Fläche erzeugen und darüber hinaus Schlitze, Bohrungen und detaillierte, dreidimensionale Zickzack-Konturen herstellen. Während sie Werkstücke zu Zylindern formen, fertigen Fräsmaschinen auch Würfel und alle anderen Formen, die nicht rund sind. Halterungen, Gehäuse und alle anderen unkonventionellen Formen lassen sich damit realisieren.
Die Anzahl der Achsen, auf denen sich Fräsmaschinen bewegen können, ist ebenfalls ein wichtiges Kriterium für deren Kategorisierung.
- 3-Achs-Fräsen: Das Werkzeug kann sich entlang dreier Achsen bewegen: X (links/rechts), Y (vorwärts/rückwärts) und Z (aufwärts/abwärts). Diese Fräsart ist Standard für weniger komplexe Bauteile.
- 5-Achs-Fräsen: Neben den drei bereits beschriebenen Achsen sowie zwei weiteren in X- und Y-Richtung verfügt die Maschine über eine Drehachse oder einen Kippmechanismus am Schneidwerkzeug oder am Maschinentisch. Diese Konfiguration ermöglicht es dem Fräser, das Werkstück aus nahezu jeder Richtung zu bearbeiten. Dadurch lassen sich komplexe Geometrien wie Turbinenschaufeln und komplexe medizinische Implantate herstellen.
Der CNC-Fräsprozess
Beim CNC-Fräsen wird zunächst ein Rohling, der sogenannte Werkstückrohling, mit einem Schraubstock auf dem Maschinentisch fixiert, wie in der Abbildung rechts oben dargestellt. Bei einer einfachen 3-Achs-Fräsmaschine wird das Material, ähnlich wie bei einer Drehbank, fest eingespannt.
Anschließend wird ein zylindrischer Fräser, der im Prinzip einem Bohrer ähnelt, aber seitlich schneiden kann, mit hoher Drehzahl in einer Maschinenspindel rotiert. Der CNC-Computer steuert die Spindel dann auf bestimmte Koordinaten. Während sich das Werkzeug dreht, drückt es gegen das Material und trägt so Material ab.
Der Prozess unterscheidet sich auch dadurch, dass er intermittierend ist. Das Werkzeug ist mit mehreren Schneidkanten ausgestattet, und jede Schneide der Nut kann schneiden, muss aber das Werkstück verlassen, um Platz für die Spindel zum Zentrieren zu schaffen. In einer Drehmaschine hingegen ist der Prozess ein kontinuierlicher Schnitt, was mit diesem Werkzeug nicht möglich ist.
Arten von CNC-Fräsvorgängen
Wie beim Drehen beschreibt auch das Fräsen eine Reihe spezifischer Bearbeitungsschritte, die durchgeführt werden können, um einem Werkstück bestimmte Merkmale zu verleihen.
- Planfräsen: Es gibt Schaftfräser mit großem Durchmesser, die sich um eine Achse senkrecht zur Werkstückoberfläche drehen. Hauptzweck ist das Planfräsen der Oberseite des Werkstücks, um eine glatte Oberfläche zu erzielen.
- Plattenfräsen: Bei dieser Fräsart verläuft der Fräser parallel zum Werkstück. Sie dient zum schnellen Abtragen großer Materialmengen.
- Winkelfräsen: Das Werkzeug erzeugt Fasen, Nuten oder Schwalbenschwanzverbindungen in einem bestimmten Winkel zum Werkstück.
- Formfräsen: Hierbei wird ein spezieller Fräser verwendet, der ein Positiv der gewünschten Form darstellt (z. B. ein positiver Kurvenradius), um in einem Arbeitsgang verschiedene Formen auszuschneiden.
- Straddle-Fräsen: Zwei oder mehr Fräser werden auf demselben Dorn montiert, um zwei parallele Flächen gleichzeitig zu bearbeiten.
- Gangfräsen: Dies ist ähnlich wie das Bogenfräsen, jedoch mit mehreren Fräsköpfen, die gleichzeitig verschiedene Bearbeitungsvorgänge durchführen.
CNC-Fräskompatible Materialien
Die Werkstoffe, die Fräs- und Drehmaschinen bearbeiten können, sind im Wesentlichen dieselben. Da die Werkstücke stationär sind, ist das Fräsen großer, unhandlicher oder schwerer Objekte, die auf einer Drehmaschine zu gefährlich wären, sicherer und einfacher.
- Metalle: Stahl und seine Legierungen, Werkzeugstahl, Aluminium, Messing, Kupfer, Titan und Inconel.
- Kunststoffe: Delrin, Nylon, HDPE, UHMW und PVC.
- Verbundwerkstoffe: Kohlenstofffaser und Glasfaser, wobei diese jedoch abrasiv sind und wahrscheinlich Spezialwerkzeuge erfordern.
Vorteile und Nachteile des Mahlens
Vorteile:
Vielseitigkeit: Die Fähigkeit, jede beliebige Form zu gestalten.
Multifunktionale Einsatzmöglichkeiten: Eine einzige Aufspannung kann eine Vielzahl unterschiedlicher Aufgaben ausführen. Bohren, Ausdrehen und Gewindeschneiden.
Skalierbarkeit: Es können unzählige Duplikate erstellt und problemlos auf die Erstellung von etwas Neuem umgeschaltet werden.
Nachteile:
Kosten: Sie sind teuer im Betrieb und in der Anschaffung, insbesondere 5-Achs-Maschinen. Auch die Programmierung ist aufwändiger als bei Drehmaschinen.
Abfall: In Mühlen entsteht oft eine große Menge an teurem Materialabfall in Form von Schrott.
Werkzeugspuren: Die Schnitte können sehr deutlich sichtbar sein, und es können zusätzliche Bearbeitungsschritte erforderlich sein, um die Oberfläche zu glätten.
Die wichtigsten Unterschiede: CNC-Drehen vs. CNC-Fräsen
Beide Verfahren sind subtraktive CNC-Fertigungsmethoden, es bestehen jedoch Unterschiede zwischen Drehen und Fräsen. Die Kenntnis dieser Unterschiede kann zur Effizienzsteigerung Ihrer Produktionslinie beitragen.
1.Bewegung
Der Hauptunterschied besteht darin, welches Element der Fräsmaschine sich bewegt.
-Drehen bedeutet, dass sich das Werkstück dreht und die Werkzeugmaschine stillsteht.
Beim Fräsen bleibt das Werkstück unbeweglich, während die Maschine das Werkzeug dreht.
Allein dieser Unterschied reicht aus, um die Produktion des Geschäfts zu verändern.
2.Werkzeuge
Beim Drehen werden Einpunkt-Schneidwerkzeuge eingesetzt. Dabei berührt nur eine geschärfte Werkzeugspitze das Material. So lassen sich glatte und kontinuierliche Schnitte erzielen.
Beim Fräsen werden Mehrpunkt-Schneidwerkzeuge eingesetzt. Beispiele hierfür sind Schaftfräser und Planfräser, deren Schneidkanten entlang der Werkzeugnut verlaufen. So lassen sich auch nicht-zylindrische Werkstücke in großen Mengen abtragen.
3.Teilformen
Das Drehen eignet sich nur für Werkstücke mit Rotationssymmetrie, also Zylinder, Rohre und Kugeln. Wenn beide Teile identische Querschnitte aufweisen, die unabhängig von ihrer Position entlang der Rotationsachse gleich sind, dann können sie gedreht werden.
Fräsen ist das Gegenteil. Dazu gehören 3D-Blöcke, Platten und andere komplexe, asymmetrische Formen. Wenn ein Bauteil viele 2D-Merkmale wie ebene Flächen und verschiedene Schnitte aufweist, eignet es sich wahrscheinlich zum Fräsen.
4. Spanbildung
Beim Drehen entstehen kontinuierliche, lange und fadenförmige Späne. Dies ist auf den ständigen Werkzeugeingriff zurückzuführen. Häufig wickeln sich diese Späne um das Werkzeug, ein Effekt, der als „Vogelnestbildung“ bezeichnet wird.
-Fräsen: Erzeugt aufgrund der intermittierenden Schnittbewegung kurze, gebrochene Späne. Diese lassen sich leichter aus der Schnittzone entfernen.
Auswahl des richtigen Prozesses für Ihr Projekt
Die Wahl zwischen CNC-Fräsen und CNC-Drehen ist nicht immer einfach. Die meisten modernen Maschinen sind Dreh-Fräs-Zentren, die beide Funktionen vereinen. Sie können das Werkstück zum Drehen rotieren lassen und gleichzeitig mit angetriebenen Werkzeughaltern ebene Flächen fräsen oder seitlich Bohrungen durchführen.
Wenn Sie jedoch eine Entscheidung bezüglich des primären Verfahrens treffen müssen, sollten Sie die folgenden Faktoren berücksichtigen:
Form des Teils
Betrachten Sie die Konstruktion. Ist sie kreisförmig oder rund? Hat sie die Form einer Schraube, eines Bolzens oder eines Kolbens? Wenn ja, sollten Sie mit dem Drehen beginnen. Bei quadratischen, rechteckigen oder asymmetrischen Formen wie Halterungen, Verteilern oder Sonderabdeckungen empfiehlt sich das Fräsen.
Produktionsvolumen
Bei annähernd gleichem Volumen ist Drehen schneller und kostengünstiger für die Serienfertigung zylindrischer Teile. Langdrehmaschinen sind hochspezialisierte Drehzentren, die Tausende präziser Teile pro Stunde fertigen. Fräsen ist tendenziell langsamer, selbst bei hohen Stückzahlen, und für komplexere Geometrien unerlässlich.
Finanzielle Resourcen
3-, 4- oder 5-Achs-Fräsmaschinen sind in der Einrichtung und Programmierung teurer als Drehzentren. Wenn Sie Ihr Werkstück so konstruieren, dass es gedreht statt gefräst werden sollte, können Sie wahrscheinlich Produktionskosten sparen.
Fazit
Kenntnisse über CNC-Fertigung ermöglichen Ihnen effizienteres Konstruieren. Sie können Ihre Teile optimal auf den jeweiligen Bearbeitungsprozess abstimmen, um unnötige Produktionsschritte zu vermeiden, die Produktionsgeschwindigkeit zu erhöhen und Kosten zu senken. Die Kenntnis der Unterschiede zwischen der Rotationsgenauigkeit einer Drehmaschine und der Konturbearbeitungsfähigkeit einer Fräsmaschine erlaubt Ihnen die Auswahl des passenden Bearbeitungswerkzeugs für Ihre Aufgabe.
Wenn Sie sich noch nicht sicher sind, welches Verfahren für Ihre Prototypenerstellung am besten geeignet ist, können Sie jetzt handeln. Kontaktieren Sie unser erfahrenes Team für eine Beratung zum Thema fertigungsgerechte Konstruktion oder fordern Sie ein Angebot an, indem Sie Ihre CAD-Dateien einreichen.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Q: Gibt es eine Fräsinterpolation?
A: Ja, es gibt eine Methode namens Interpolationsdrehen, bei der eine Fräsmaschine eine Drehmaschine imitieren kann, allerdings in einem deutlich langsameren Tempo und mit geringerer Genauigkeit.
Q: Ist CNC-Drehen kostengünstiger?
A: Im Allgemeinen nein. Für die meisten geeigneten (zylindrischen) Teile innerhalb eines gegebenen Budgets ist Drehen effizienter und kostengünstiger. Fräsen kommt nur bei Teilen zum Einsatz, die nicht gedreht werden können.
Q: Was ist eine Dreh-Fräs-Maschine?
A: Ein Hybrid-Bearbeitungszentrum, das Dreh- und Fräsbearbeitungen in einer Aufspannung durchführen kann. Das Werkstück rotiert beim Drehen, und die Maschine verfügt außerdem über rotierende Werkzeuge zum Bohren oder Fräsen, ohne dass das Werkstück auf eine andere Maschine umgerüstet werden muss.
Q: Welches Verfahren liefert das beste Endergebnis?
A: Drehen liefert bei zylindrischen Teilen eine bessere Oberflächengüte, da der Schnitt kontinuierlich ist. Fräsen hinterlässt Werkzeugspuren, da sich der Fräser dort in ständiger Rotation befindet.
