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CNC-Bearbeitung: das ultimative Handbuch

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Juni 11, 2:12 pm

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Was ist eine CNC-Maschine?

CNC steht für computerized numerical control und bedeutet, dass die Maschine über eine Reihe von Befehlen mit einem Controller gesteuert wird. Diese Befehle beinhalten meist eine Liste mit Koordinaten, dem sogenannten G-Code. Jede Maschine, die mit diesem Code gesteuert wird fällt unter den Begriff der CNC-Maschinen, sei es eine Fräsmaschine, eine Drehmaschine oder sogar ein Plasmaschneider. In diesem Artikel besprechen wir die verschiedenen Arten von CNC-Fräsen, CNC-Drehmaschinen und Kombinationen dieser Maschinen. Die Bewegungen der CNC-Maschinen kann über ihre Achsen definiert werden. Diese Achsen sind X, Y und Z mit den Achsen A, B & C für komplexere Maschinen. Die Achsen X, Y und Z beziehen sich auf die Hauptvektoren im kartesischen Koordinatensystem, die Achsen A, B & C beschreiben die Rotation um diese Achsen. CNC-Maschinen arbeite typischerweise mit bis zu 5 Achsen. Hier finden Sie eine Liste der typischen CNC-Maschinen:

  • CNC-Drehmaschinen – hier wird das Werkstück eingespannt und gedreht. Ein Werkzeug wird dann entlang von zwei Achsen bewegt, um zylindrische Stücke aus dem Werkstück herauszuschneiden. CNC-Drehmaschinen können gekrümmte Oberflächen erzeugen, die mit einer manuellen Drehbank nicht oder nur sehr schwierig möglich sind. Das Werkzeug wird normalerweise nicht rotiert, kann aber im Falle eines Werkzeugantriebs bewegt werden.
  • CNC-Fräsen – Eine CNC-Fräse wird normalerweise eingesetzt, um flache Bauteile herzustellen. CNC-Fräsen mit mehr Freiheitsgraden können jedoch auch komplexere Formen herstellen. Das Werkstück ist stationär und die Spindel rotiert mit dem Werkzeug, das entlang von 3 Achsen bewegt wird, um in das Werkstück hineinzuschneiden. In manchen Maschinen ist die Spindel stationär und das Werkstück wird bewegt.
  • CNC-Bohrmaschinen – Diese Maschinen ähneln den CNC-Fräsen, sind jedoch speziell dafür gemacht nur entlang einer Achse zu spanen, d.h. der Bohrer bewegt sich nur entlang der Z-Achse in das Werkstück und spanen nie entlang der X oder Y-Achse.
  • CNC-Schleifmaschinen – Diese Maschinen bewegen eine Schleifscheibe in das Material, um eine qualitativ hochwertige Oberflächengüte zu erreichen. Sie sind dafür gemacht, kleine Materialschichten von gehärteten Metallen abzutragen; daher werden sie zur Endverarbeitung eingesetzt.

Subtraktive Fertigung

CNC-Bearbeitungsmethoden erstellen Bauteile durch subtraktive Fertigung. Dies ist der Prozess bei dem Material von einem massiven Werkstück abgetragen wird, bis es schließlich die gewünschte Form erreicht hat. Dies kann durch die zuvor genannten Methoden wie Drehen, Bohren, Fräsen, oder Schleifen erreicht werden. Additive Herstellung ist der komplementäre Prozess. Hier wird Material nach und nach hinzugefügt, um das Bauteil herzustellen. Ein Beispiel für additive Herstellung sind 3D-Drucker.

Werkzeugausstattung

Die gesamte Schneidearbeit erfolgt mit Hilfe der Werkzeugausstattung. Die Werkzeuge sind typischerweise in einem Werkzeughalter montiert und werden bei Bedarf in die Spindel verladen. Viele verschiedene Werkzeuge werden eingesetzt, um das vollständige Bauteil herzustellen – es gibt kein „Universalwerkzeug“, das für alle Fertigungsprozesse eingesetzt werden kann. Die am häufigsten verwendeten Werkzeuge sind unten aufgelistet.

Fräswerkzeuge

Schaftfräser – Schaftfräser gehören zu den am häufigsten eingesetzten Typen. Sie können normalerweise in drei verschiedene Richtungen spannen. Es gibt verschiedene Arten von Schaftfräsern, z.B. Kugelfräser, Eckradiusfräser, Schruppfräser und Konusfräser.

Sie unterscheiden sich durch ihre Anzahl an Schneiden, ihrem Steigungswinkel, ihrem Material und ihrer Beschichtung.

Walzenstirnfräser – Walzenstirnfräser werden eingesetzt, um über große Oberflächen zu fräsen, z.B. Vorder-, oder Stirnseiten. Die Schneideflächen befinden sich typischerweise an den Kanten des Werkzeugs und die Zähne bestehen normalerweise aus Hartmetalleinsätzen.

Gewindefräser – Gewindefräser werden eingesetzt, um Gewinde herzustellen. Er schneidet die Gewindeform in das Material, indem er sich schraubenförmig um seinen Schaft dreht.

Nutenfräser – Diese Fräser werden eingesetzt, um T-Nuten entlang der Seite eines Bauteils zu erzeugen. Aufgrund ihrer Bauweise müssen diese Fräser in eine offene Seite des Werkstücks eingeführt werden und das Werkstück auch wieder über eine offene Seite verlassen.

Werkzeuge für die Drehmaschine

Außendrehen – Werkzeuge für das Außendrehen sind darauf ausgerichtet, den äußeren Durchmesser des Bauteils zu bearbeiten. Es kann sowohl aus einem Vollhartmetallwerkzeug als auch aus Hartmetalleinsätzen bestehen.

Innen – Einstechen & Gewindedrehen – Diese Werkzeuge sind typischerweise schmal. Dies ermöglicht es ihnen in das Bauteil vorzudringen, um den inneren Durchmesser nach dem Vorbohren auszubohren oder ein Gewinde anzufertigen.

Abstechen – Abstechwerkzeug wird dafür eingesetzt, Teile des Werkstücks abzutrennen nachdem alle anderen Vorgänge bereits abgeschlossen sind.

Bohrwerkzeuge – Diese Werkzeuge dienen dazu, Bohrlöcher entlang der Längsachse des Bauteils zu erzeugen. Die Bohrlöcher müssen anschließend noch geweitet oder nachgebohrt werden, um abschließende Toleranzlevel zu erreichen.

Werkzeugmaterial

Die unterschiedlichen Werkzeugarten können in verschiedene Materialgruppen unterteilt werden. Die typischen Werkzeugmaterialien sind im Folgenden aufgelistet:

  • Hartstahl – Dies sind die günstigsten Maschinenwerkzeuge, sie  besitzen jedoch keine hohe Werkzeugstandzeit. Sie verlieren ihre Härte um 200°C.
  • Hochgeschwindigkeitsstahl (HSS) – Diese Werkzeuge sind häufiger anzutreffen als Werkzeuge aus Kohlenstoffstahl, das sie eine höhere Werkzeugstandzeit haben und ihre Härte erst bei 600°C verlieren – dadurch können sie bei höheren Geschwindigkeiten arbeiten.
  • Hartmetalleinsätze – Hartmetallwerkzeuge sind härter als HSS aber weniger robust und können brechen, wenn sie nicht richtig eingesetzt werden. Sie widerstehen Temperaturen von bis zu 900°C.
  • Keramiken – Diese Werkzeuge besitzen eine extreme Härte und werden normalerweise nur für das Schneiden harter Materialien bei sehr hohen Temperaturen eingesetzt. Die zwei häufigsten Typen sind Aluminiumnitrid und Siliziumnitrid.
  • Kubisches Bornitrit (CBN) – Diese Werkzeuge sind ideal für die Bearbeitung von gehärtetem Stahl und Superlegierungen. Sie besitzen eine exzellente Abriebfestigkeit und Wärmebeständigkeit.

Vor- und Nachteile der CNC-Bearbeitung

CNC-Bearbeitung hat die Fertigungsindustrie nach und nach übernommen, da es einfach effizienter ist, als manuell bediente Maschinen einzusetzen. Wir haben einige der wichtigsten Vor- und Nachteile aufgelistet:  

Pro

Contra

Schneller als manuell Teuer
Kein Mensch kann die Geschwindigkeit und Präzision von CNC-Maschinen erreichen. Der Einsatz manueller Maschinen in hochproduktiven Werkstätten führt letztendlich zu finanziellen Verlusten. CNC-Maschinen sind hochkomplexe Geräte. Sie müssen extrem hohe Genauigkeiten und eine hohe Beständigkeit erreichen. Dies erlaubt es Millionen Bauteile anzufertigen und dennoch nicht an Qualität einzubüßen. Diese Maschinenqualität erfordert automatisch hohe Kosten; je komplexer die Maschine, desto höher sind die Kosten.
Verringerte Fertigungskosten Hochqualifizierte Betreiber
Eine CNC-Maschine kann im Prinzip ohne Pausen arbeiten, wenn das Einladen und Ausladen der Bauteile ebenfalls automatisiert ist. Dies bedeutet, dass die Maschine über Nacht ohne Aufsicht weiterarbeiten kann. Außerdem kann ein CNC-Anwender mehrere Maschinen gleichzeitig betreuen; so werden die Arbeitskosten gesenkt. Es wird zwar weniger Personal benötigt, jedoch braucht es zur Betreibung der CNC Maschinen hoch qualifizierte Mitarbeiter, was wiederum zu höheren Arbeitskosten führt.
Höhere Effizienz Höhere Instandhaltungskosten
CNC-Maschinen können innerhalb von Sekundenbruchteilen von einem Prozess zum nächsten wechseln. Werkzeuge können sehr schnell ausgetauscht werden, insbesondere da viele Maschinen mit vorbestimmten Werkzeugen ausgestattet sind oder Werkzeuglager besitzen, die bei Bedarf neue Werkzeuge in die Werkzeugspindel umladen können. Aufgrund der hohen Komplexität der CNC-Maschinen sind die Instandhaltungskosten im Vergleich zu manuellen Maschinen deutlich höher.
Erhöhte Sicherheit
Manuell betriebene Maschinen sind extrem gefährlich und selbst geschulte Betreiber können Fehler machen, die sie Gliedmaßen oder sogar ihr Leben kosten können. CNC-Maschinen sind sehr sicher: Im schlimmsten Fall werden die Maschinen durch schlechte Programmierung beschädigt.

Arten von CNC-Fräsen und CNC-Drehmaschinen

CNC- Fräsen

  • Vertikales Bearbeitungszentrum (VMC) – Die Spindel einer Maschine mit vertikalem Bearbeitungszentrum bleibt in der gleichen Position während sich der Tisch unter ihr bewegt. In manchen Fällen bewegt sich der Tisch nach oben der Spindel entgegen, in anderen Fällen kann sich die Spindel entlang der Z-Achse nach oben und unten bewegen. Diese Maschinen sind sehr starr und können dadurch Komponenten mit sehr hoher Präzision anfertigen. Ein Nachteil ist die relativ kleine Arbeitsfläche. Maschinen mit vertikalem Bearbeitungszentrum können mit 3 Achsen (X, Y, Z), 4 Achsen (X, Y, Z&A) oder sogar 5 Achsen (X, Y, Z, A & B) ausgestattet werden.
  • Horizontales Bearbeitungszentrum (HMC) – Die Spindel einer Maschine mit horizontalem Bearbeitungszentrum ist horizontal anstatt vertikal ausgerichtet. Diese Maschinen sind ideal dafür geeignet, lange Produktionsabläufe abzuarbeiten, da sie bis zu dreimal so viel anfertigen können wie Maschinen mit vertikalem Bearbeitungszentrum, falls genug Arbeit vorhanden ist, um die Maschine durchgängig am Laufen zu halten. Diese Maschinen sind auch deutlich teurer als Maschinen mit einem vertikalen Bearbeitungszentrum. Ein Materialblock kann am Maschinentisch befestigt werden, während die Maschine ein anderes Bauteil bearbeitet. Dies erlaubt eine ununterbrochene Produktion, da die Spindel sich leicht zum nächsten Materialblock bewegen kann und der Materialaustausch schnell stattfinden kann.

CNC-Drehmaschinen

CNC-Drehmaschinen können das Material mit einer Einspannung nur entlang von zwei Achsen bearbeiten. Es gibt verschiedene Arten von CNC-Drehmaschinen:

  • Leitspindeldrehbank – Dies ist im Prinzip die Standard-Drehmaschine, die relativ universell eingesetzt werden kann. Die Drehmaschine besteht aus einem Spindelstock mit Antrieb und Getriebe, einer Arbeitsspindel und einem Drehmaschinenfutter, in dem das Material eingespannt werden kann.
  • Revolverdrehbank – Eine Revolverdrehbank ermöglicht viel schnellere Fertigungszeiten, da alle benötigten Werkzeuge bereits vor der Bearbeitung in den Revolver geladen werden können. Wenn ein neues Werkzeug benötigt wird, muss der Revolver lediglich in die richtige Position gedreht werden.
  • Werkzeugdrehmaschine – Eine Werkzeugdrehmaschine wird für Arbeiten mit hoher Präzision und geringem Volumen eingesetzt. Wie der Name vermute lässt, wird diese Maschinenart verwendet, um Werkzeuge und Matrizen herzustellen. Diese Maschinen sind auch sehr vielseitig einsetzbar.
  • Hochleistungsdrehmaschine – Dieser Typ wird hauptsächlich für leichtere Arbeiten eingesetzt, er besitzt einen einfacheren Aufbau mit einem Spindelstock, einem Reitstock und einem Werkzeughalter.
  • CNC-Drehzentren – Dieser Typ ist sehr komplex und besitzt eine Vielzahl an Funktionen inklusive Fräsen, Werkzeugrevolvern und sogar einer zweiten Spindel. Es gibt sowohl vertikale als auch horizontale Bearbeitungszentren. Bei Horizontaldrehmaschinen fallen alle Späne vom Bauteil weg auf einen Späneförderer. Bei Vertikaldrehmaschinen hilft die Schwerkraft beim einspannen des Bauteils. Horizontaldrehmaschinen lassen sich leichter automatisieren. Je nach Anwendung eignet sich eine andere Ausführung der Drehmaschinen besser.

Materialien

CNC-Maschinen können ein breites Spektrum an verschiedenen Materialien von Aluminium bis hin zu Superlegierungen wie Inconel bearbeiten. Jedes Material bringt andere Herausforderungen mit sich und benötigt spezielle Werkzeuge, Arbeitsgeschwindigkeiten und Zuführsysteme.

Aluminium

Obwohl Aluminium ein sehr weiches Material ist, besteht das Risiko, dass es zu Materialaufschmierungen am Schneidewerkzeug kommt. Dies liegt an der niedrigen Schmelztemperatur von Aluminium. Aluminium mit höheren Härtegraden können eingesetzt werden um die Spanbarkeit zu verbessern.

Stahl

Aufgrund der großen Anzahl unterschiedlicher Stahlsorten gibt es viele verschiedene Faktoren, die die allgemeine maschinelle Bearbeitbarkeit des Materials beeinflussen. Diese Faktoren beinhalten; Kaltarbeit, chemische Zusammensetzung und Mikrostruktur. Im Allgemeinen können Elemente wie Blei und Zinn aufgrund ihrer Schmierwirkung die Schnittgeschwindigkeit verbessern. Sulfur führt zu einer Verringerung der Kaltverfestigung der Späne.

Titan

Titan kommt in unterschiedlichen Legierungen vor, die jeweils andere Herausforderungen mit sich bringen. Idealerweise bleibt das Werkzeug bei der Bearbeitung ununterbrochen in Bewegung, da lange Pausen in einem Bereich zu Reibung, Hitzeansammlung, Verhärtung und Werkzeugverschleiß führt. Reines Titan verhält sich ähnlich wie Aluminium und kann ebenfalls zu Materialaufschmierungen am Spanwerkzeug führen, wobei Legierungen normalerweise deutlich härter sind und zu Hitzeansammlung und Werkzeugverschleiß führen. Geringere Drehzahlen und höhere Spandicken können aufgrund von geringeren Temperaturen zu einer Verbesserung der Werkzeugstandzeit führen.

Superlegierungen

Superlegierungen sind darauf ausgelegt, bei hohen Temperaturen eine hohe Festigkeit aufzuweisen. Daher ist es besonders schwierig Superlegierungen zu bearbeiten. Leistungsfähigere Maschinen sind notwendig, um diese Materialien maschinell zu bearbeiten. Superlegierungen tendieren zu schneller Kaltverfestigung und erschweren so künftige maschinelle Prozesse. Typischerweise werden geringere Schnittgeschwindigkeiten empfohlen.

Kupfer

Kupfer ist aufgrund seiner leichten Verformbarkeit und der Tendenz dazu, von den Werkzeugen verdrängt zu werden, besonders schwierig maschinell zu bearbeiten. Es wird vor allem für elektrische Komponenten und Bauteile in Wärmetauschern, die eine hohe Leitfähigkeit und einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten benötigen, eingesetzt. Hohe Geschwindigkeiten und Vorschübe sind normalerweise geeignet für die Verarbeitung von reinem Kupfer. Kupferlegierungen lassen sich deutlich einfacher bearbeiten als reiner Kupfer.

Kunststoffe

Kunststoffe kommen in tausend verschiedenen Formen vor, von duroplastischem Kunststoff bis hin zu normalem thermoplastischen Kunststoff. Hier gibt es ein unglaublich breites Spektrum an Härtegraden und mechanischen Eigenschaften. Nur Hartkunststoff lässt sich gut maschinell bearbeiten und kann innerhalb der Toleranzen gehalten werden, während weichere Kunststoffen sich häufig während dem Schneideprozess verformen und so zu Bauteilen führen, die nicht den Anforderungen entsprechen. An den Schnittstellen bildet sich Hitze und der Kunststoff kann, da es sich um einen Isolator handelt,  leicht schmelzen, wenn nicht vorsichtig gearbeitet wird.

Was kann schiefgehen?

Trotz des großen Spektrums an Einsatzbereichen und Funktionsfähigkeiten der CNC-Maschinen gibt es Risiken. Einige der häufigsten Fehler bei der CNC-Bearbeitung sind im Folgenden aufgelistet.

CNC-Crash – CNC-Maschinen denken nicht; sie machen nur was ihnen gesagt wird. Falsch programmiert kann eine CNC-Maschine ein Werkzeug innerhalb von Millisekunden gegen sich selbst rammen. Maschinen erkennen einen Crash normalerweise und halten sofort an, aber der Schaden wäre dann bereits schon angerichtet. Es gibt viele verschiedene Software-Tools, die dieses Risiko verringern können. Der Weg der Werkzeuge kann simuliert werden, bevor der Code auf die Maschine hochgeladen wird. Komplexere 5-achsige Maschinen sind mit der Standard-computergestützter Software (CAM) nur sehr schwierig zu simulieren und benötigen zusätzliche Software zwischen dem CAM-Programmierung und dem Hochladen des Codes auf die Maschine.

Falsche Geschwindigkeiten und Vorschübe – Geschwindigkeiten und Vorschübe sind bei der maschinellen Herstellung von qualitativ hochwertigen Bauteilen entscheidend. Falsche Einstellungen führen zu geringerer Werkzeugstandzeit, schlechterer Oberflächenbeschaffenheit und Toleranzen. Dies ist ein komplexes Thema, da jedes Material und jede Legierung  andere optimalen Einstellungen benötigt. Es bedarf häufig mehreren Versuchen, bis die perfekten Einstellungen gefunden werden.

Mangelnde Wartung – wie bei allen komplexen Maschinen kann ungenügende Wartung schnell zur Zerstörung der Maschine führen. Die Maschinen müssen sauber gehalten werden und der Wartungsplan des Herstellers muss strikt eingehalten werden.

Schlüsselindustrien, die CNC-Bearbeitung einsetzen

Jede Industrie, in der Bauteile angefertigt werden müssen, wird direkt oder indirekt von CNC-Maschinen beeinflusst. Einige Schlüsselindustrien und deren Einsatz von CNC-Maschinen sind im Folgenden aufgelistet:

Luft- und Raumfahrt –  Die Luft- und Raumfahrtindustrie benötigt Bauteile mit höchster Präzision und hoher Verlässlichkeit. Dies reicht von Turbinenschaufeln in Flugzeugtriebwerken, über Werkzeuge, die eingesetzt werden, um andere Bauteile herzustellen, bis hin zu Brennkammern, die in Raketentriebwerken eingesetzt werden.

Automobil- und Maschinenbau – In der Automobilindustrie müssen hochpräzise Gussformen hergestellt werden, um Gussbauteile wie Motorblöcke herzustellen oder um Bauteile mit extrem hohen Toleranzen wie Kolben anzufertigen. Portalmaschinen können Formen aus Knetmasse für die Designphase der Autos anfertigen.

Militär – Das Militär setzt hochpräzise Bauteile mit sehr hohen Toleranzen ein – von Raketenkomponenten bis hin zu Gewehrläufen. Alle gefertigten Bauteile im Bereich des Militärs können von der Genauigkeit und Geschwindigkeit der CNC-Maschinen profitieren.

Medizin – Medizinische Implantate besitzen häufig sehr organische Formen und müssen aus innovativen Legierungen hergestellt werden. CNC-Bearbeitung ist daher ein Muss, da manuelle Maschinen diese Formen nicht herstellen können.

Energie – Der Energiesektor deckt alle Bereiche des Ingenieurwesens ab, von Dampfturbinen bis hin zu exotischeren Technologien wie beispielsweise die Kernfusion. Dampfturbinen benötigen hoch-präzise Schaufelblätter, um die Balance in der Turbine aufrechterhalten zu können. Die Plasmakammern der  Fusionsforschung besitzen extrem komplexe Formen und bestehen aus hochmodernen Materialien, die ohne CNC-Maschinen so nicht möglich wären.

Mit der rasenden Geschwindigkeit der technischen Fortschritte der letzten Jahre kam der Eindruck auf, dass additive Fertigungstechnologien die CNC-Bearbeitung überholen werden. Trotz alledem ist es viel wahrscheinlicher, dass immer mehr Fertigungszentren entstehen werden, die verschiedene Technologien in einer Maschine kombinieren. So können die Vorteile der subtraktiven und additiven Maschinen in einer Maschine vereint werden und Fertigungsmöglichkeiten erreicht werden, die die Fähigkeiten der Summe ihrer Einzelteile übersteigen. Einige frühe Versionen dieser Maschinen gibt es bereits heute.

Darüber hinaus wird die zunehmende Automatisierung mit der vierten industriellen Revolution zu mehr automatisierten Systemen führen, die sowohl Selbst-Diagnose und Selbst-Optimierung beherrschen als auch mit nur minimaler menschlicher Beteiligung arbeiten. Produkte werden in Zukunft auf die Anforderungen individueller Kunden angepasst sein. Dies wird Dank der hohen Flexibilität, welche die CNC-Bearbeitung bietet, möglich sein.

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