CNC Fräsen / Drehen

Allgemein zerspanende Verfahren

CNC-Fräsen und –Drehen gehören zu den zerspanenden Verfahren.

Diese definieren sich dadurch, dass zum Zweck einer Formgebung von Material ein Abtrag von überflüssigem Material erfolgt.

Dabei fallen Späne an, daher die Namensgebung. Oft werden diese Verfahren neuerdings  im Zusammenhang mit den neueren sogenannten additiven generativen Verfahren als subtraktive Verfahren bezeichnet.

Neben dem Drehen und Fräsen zählen beispielsweise auch Bohren, Sägen, Läppen oder Schleifen zu den zerspanenden Verfahren.

Diese werden auch als trennende Bearbeitungs- oder Fertigungsverfahren bezeichnet.

Als Materialien kommen alle festen Werkstoffe in Frage wie:

• Metalle




• Holz




• Kunststoff




• Modellbaumaterial etc

Beim Zerspanen oder Spanen dringt eine Form von Schneidwerkzeug in die Oberfläche eines Teils ein und schält dabei einen Span heraus, allgemein muss das Material des Schneidwerkzeugs stets härter sein als das zu bearbeitende Material des Werkstücks.

Während bei weicheren Ausgangsmaterialien Stähle in Standardqualität genügen, muss mit zunehmendem Härtegrad des zu bearbeitenden Materials zum Beispiel speziell gehärteter Werkzeugstahl, gesinterte Werkstoffe, Keramik oder sogar Diamant eingesetzt werden.

Beim Drehen, Fräsen oder Bohren beispielsweise wird das Schneidwerkzeug  geometrisch exakt bestimmt, es existieren oft auch normierte Werkzeuge und Normen generell für die damit zu erzeugende Geometrie.

Andere Verfahren wie Schleifen oder Läppen arbeiten mit geometrisch nicht näher bestimmten Schneiden.

CNC-Fräsen

Fräsmaschinen existieren in sämtlichen Größen und es können je nach Anforderung äußerst präzise Genauigkeiten erzielt werden.

Die modernen Fräsmaschinen sind CNC-gesteuert (CNC = Computerized Numerical Control = rechnergestützte numerische Steuerung) und verfügen in der Regel über mehrere, bis zu 5 Achsen.

Die Anzahl der Achsen bestimmt, wie komplex die Geometrien sein können, die gefertigt werden können. Der Vorteil der 5-Achs-Fräsen ist, dass der Fräser unter jedem Winkel am zu erstellenden oder bearbeitenden Teil positioniert werden kann und jeder Verfahrweg möglich ist.

Nur dadurch können hochkomplexe Geometrien und 3D-Konturen über dieses Verfahren gefertigt werden, obwohl immer noch gegenüber additiven Verfahren einige Strukturen sehr schwierig oder gar nicht darstellbar sind, z.B. dreidimensionale Netzstrukturen oder hochkomplexe Kühlkanalsysteme für Werkzeuge.

Jedoch existieren für spezielle Anwendungen Maschinen für bis zu 8 oder sogar 15 Achsen ( Langdrehen ).

Und in der Kombination mit additiven Verfahren, wenn beispielsweise in einem generativen Verfahren ein „Rohling“ erstellt wird, der bereits die erforderlichen Hohlräume hat und nur noch ausgefräst oder final nachbearbeitet werden muss, könnte eine große Chance für das CNC-Fräsen liegen, seinen hohen Stellenwert in den Fertigungs- und Formgebungstechnologien zu behalten oder sogar auszubauen.

Nicht nur die Vergrößerung der Palette an machbaren Teilen, sondern auch die durch die Verwendung des additiv gefertigten „Rohlings“ erzielbare Material- und Zeitersparnis verschafft dem CNC-Verfahren neue Anwendungsgebiete z.B. im Rapid Tooling, Fertigung von Kleinserien etc.

Der große Vorteil dieses Verfahrens liegt in der:

• Materialvielfalt




• erzielbaren Genauigkeiten




• endlose Wiederholbarkeit bei gleicher Qualität




• keine Probleme mit Schrumpf, Erkalten oder Verzug




• kein Nachhärten prozesstechnisch erforderlich

Die Technik der modernen CNC-Maschinen ist bereits sehr ausgereift und dadurch sehr prozesssicher, jedoch gibt es auch hier noch Optimierungspotentiale neben der Achsenanzahl, zum Beispiel die Geschwindigkeit, mit der gefräst wird.

HSC-Fräsen ( HSC – High Speed Cutting = Hochgeschwindigkeitsfräsen ) wird überall dort eingesetzt, wo die schnelle Fertigung von Teilen die hohe Investition in weit teurere Maschinen mit  höheren Antriebsleistungen und Drehzahlbereichen rechtfertigt.

Optimierungspotentiale liegen auch beim Wechsel der Werkzeuge bzw. Fräser, die bei modernen Frässystemen in einem Werkzeugwechselsystem zwischengelagert werden und dann automatisch bei Bedarf ausgewechselt werden mittels eines Werkzeugwechslers.

Natürlich spielen speziell bei der Größe der Werkstücke die Verfahrwege der CNC-Fräse, die X-Y-Z-Koordinaten, eine große Rolle.

Insbesondere für Standardteile ist es besonders wichtig, so viel wie möglich zu automatisieren, z.B. auch das Aufspannen des Materials und Entnehmen des Fertigteils, Be- und Entladerobotersysteme usw.

–> Hier geht es zum ausführlichen Beitrag über das Fräsverfahren

CNC-Drehen

Durch Drehen werden meist rotationssymmetrische Teile durch Zerspanung hergestellt.

Das Drehen entstammt historisch dem Drechseln von Teilen, wie man es auch heute noch von Stuhlbeinen etc. kennt.

Moderne CNC-Drehmaschinen arbeiten mit verschiedenen Werkzeugen, wie z.B. Wendeschneidplatten sowie Bohrern oder auch Gewindeschneidern und über Werkzeugrevolvermagazine oder Zubringer –und Entnahmesysteme für die Teile sowie weitere Automatisierung können ähnlich wie beim CNC-Fräsen sehr hohe Effizienz und Qualität, beispielsweise über automatische Vermessung der Teile direkt nach Fertigung noch an der Maschine, erzielt werden.

Die CNC-Drehmaschine steuert die Lage des Werkzeugs, wie schnell die Zerspanungsbewegung sein soll, die Lage und Geschwingkeit der Umdrehung der Spindel und damit des dort befindlichen zu bearbeitenden Teils. Sie steuert daneben auch noch die Kühlmittel- und Materialzufuhr.

Ausblick für CNC-Drehen und Fräsen

Einerseits hat der bereits sehr hohe Automatisierungsgrad dazu geführt, dass über die verlängerte Werkbank eine Auslagerung dieser Prozesse zunächst  EU-weit in Länder mit niedrigerem Lohnniveau, nach Osteuropa und immer mehr nach Fernost erfolgte, da nur sehr wenig qualifiziertes Personal zum Einrichten und Umrüsten benötigt wird.

Andererseits haben steigende Logistikkosten, höhere Qualitätsansprüche und der Zeitfaktor dazu geführt, dass vor allem hochwertige und komplexe Teile wieder vermehrt im Inland gefertigt werden und ein hoher Automatisationsgrad fördert durch geringe Lohnstückkosten ein weiteres Zurückholen dieser Art von Fertigung.

Wie bereits erwähnt liegt die Zukunft darin zu erkennen, dass die Verwendung additiver Verfahren primär nicht als Wettbewerb, sondern als Chance gesehen werden muss, durch dadurch erzielbare Vorteile der Verwendung dieser Technologie in Kombination mit CNC-Zerspanung neue Anwendungsfelder und Marktpotentiale zu erschließen.

Machbarkeit von bisher nicht umsetzbaren Teilen in CNC-Technologie, Zeit- und Materialersparnis sind ökonomische Faktoren, die für diese Kombination sprechen.

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