CNC-Bearbeitung: Entwurfsoptimierung

• Rundgang durch die Fertigung
• Optimierung des Teiledesigns für die spanende Bearbeitung
• Ermittlung des richtigen Werkstoffs für die spanende Bearbeitung
• 5 Punkte, die bei der Wahl eines digitalen Zerspanungsdienstleisters zu beachten sind.
  
  

 

 

Wahrscheinlich lesen Sie dies an einem Computer. Das haben Sie einem Zerspanungsmechaniker zu verdanken. Ohne Präzisionsmaschinen und ihre Bediener würde es Ihren Computer, Schreibtisch, Bürostuhl, die Autos auf dem Parkplatz und das Gebäude, in dem Sie sitzen, überhaupt nicht geben. Zerspanungstechnik macht das moderene Leben erst möglich, von den Lebensmitteln im Kühlschrank bis zu der Kleidung, die Sie tragen. Das ist schon seit der Entdeckung von Metallen wie Kupfer und Eisen und der Entwicklung von Verfahren zu ihrer Veredelung so.

Zwar ist es richtig, dass die Zerspanung nur eines von vielen in der Industrie eingesetzten Fertigungsverfahren ist, doch hätten sich Blechverarbeitung, Spritzguss, Gießen, Halbleiterfertigung und andere Industriezweige ohne spanende Bearbeitung wohl kaum entwickelt.

Auch der jüngste Spössling der Fertigungsindustrie, der 3D-Druck, stützt sich auf die Zerspanungstechnik und verdankt ihr sogar ihre Existenz, auch wenn die additive Fertigung einen Wandel in Design und Bauweise vieler Produkte mit sich bringt. Die spanende Bearbeitung wird es also auch weiterhin geben und sie wird jeden Tag etwas besser, schneller und präziser.

Rundgang durch die Fertigung

Das meiste von dem, was Sie auf diesen Seiten lesen werden, bezieht sich auf stark automatisierte Zerspanungsdienste, die von digitalen Fertigungsunternehmen wie Protolabs angeboten werden. Diese mit modernster Technologie ausgestatteten Fertigungsunternehmen unterscheiden sich stark von herkömmlichen Zerspanungs-Werkstätten, die arbeitsintensiver sind und immer noch manuelle Werkzeugmaschinen einsetzen. Digitale Fertigungsunternehmen wie Protolabs dagagen stellen wie nie zuvor auf Automatisierung um. So hat Protolabs zum Beispiel eine eigene Technologie entwickelt, die CAD-Modelle schon innerhalb eines Tages in maschinenbearbeitete Teile und Produkte verwandelt, und sich mit Hunderten von Fräs- und Drehmaschinen, eine hohe Kapazität aufgebaut, die dafür sorgt, dass die Teile schnell, pünktlich und im Rahmen des Budgets geliefert werden. 

Werfen wir nun einen kurzen Blick auf Präzisions-Werkzeugmaschinen und darauf, wie spanende Fertigungsverfahren funktionieren und wie dies mit dem Teiledesign zusammenhängt. Es würde diesen Rahmen sprengen, die gesamte Geschichte der Werkzeugmaschinen aufzurollen und auf Sägen, Schleif-, Funkenerodier- und verwandte Maschinen im Einzelnen einzugehen, doch sollten alle Teiledesigner wissen, dass sich die meisten Maschinen für die spanende Metallbearbeitung (die übrigens auch Kunststoff bearbeiten können) grob in Fräs- und Drehmaschinen unterteilen lassen.

Bei beiden Kategorien handelt es sich um technisch raffinierte Maschinen. Doch während beim Drehen das Werkstück in das Drehfutter eingespannt ist und rotiert, rotiert bei der Fräsmaschine das Schneidwerkzeug, und das Werkstück ist unbeweglich in einen Schraubstock oder eine andere Vorrichtung eingespannt.

Außerdem ist zu erwähnen, dass es auch noch manuell bediente handgekurbelte Werkzeugmaschinen gibt. Die meisten heute eingesetzten Werkzeugmaschinen sind jedoch wie bei Protolabs CNC-gesteuert. Und um solche Maschinen geht es auf den folgenden Seiten in erster Linie.

Trotz der grundlegenden Unterschiede gibt es zwischen CNC-Fräsmaschinen - meist als CNC-Bearbeitungszentren bezeichnet - und CNC-Drehmaschinen auch viele Ähnlichkeiten. Alle verfügen über mehrere Drehachsen, die die Schneidwerkzeuge um und durch das Werkstück führen und Material abtragen. Alle verwenden Bohrer und Schaftfräser, um Löcher zu bohren, während Drehmaschinen mit Rillen- und Gewindeschneidern und anderen Drehwerkzeugen ausgestattet sind, verwenden Bearbeitungszentren Stirnfräser, Nutenfräser und andere rotierende Werkzeuge.

CNC-Fräsen

Die Komponenten einer CNC-Fräsmaschine sind: Schaftfräser und Werkzeughalter (1), Werkzeugwechsler (2), Werkzeugkarusell (3), Spindel (4), 2-Achsen-Fräskopf (5), Kühlschläuche (6), Vorrichtung (7), Werkstück (8), Messtaster (9), X- und Y-Achsen-Tisch (10).

CNC-Drehen

Die Komponenten einer CNC-Drehmaschine sind: Werkstück (1), Spannzange (2), Spindel (3), Schneidwerkzeug und Werkzeughalter (4), angetriebene Werkzeuge (5), und Werkzeugrevolver (6)

Viele Jahre lang bestand die Standardausstattung einer Maschinenwerkstatt aus Zwei-Achsen-CNC-Drehmaschinen und Drei-Achsen-Bearbeitungszentren. Manche waren horizontal,
andere vertikal ausgerichtet, aber in der Regel wurden Werkstücke von beiden abwechselnd bearbeitet, bis alle spanenden Arbeitsgänge abgeschlossen waren. Doch dank einiger cleverer
Maschinenbauer verschwimmt die Grenze zwischen den beiden Maschinenarten in letzter Zeit immer mehr. So genannte Multitasking Maschinen kombinieren eine Frässpindel und
einen Werkzeugwechsler mit einem Revolverkopf wie bei einer Drehmaschine (zur Aufnahme der Werkzeuge). Ähnlich kombinieren Fräsdrehmaschinen rotierende und feste Schneidwerkzeuge, und Bearbeitungszentren mit Drehfunktion finden zunehmend Verbreitung. Protolabs verwendet zum Beispiel Drehmaschinen mit angetriebenen Werkzeugen für Merkmale wie axiale und radiale Löcher, Abflachungen, Nuten und Schlitze.

CNC-Bearbeitungszentren können auch über mehr als drei Achsen verfügen. Bei einer Fünf-Achsen Fräsmaschine können sich beispielsweise alle fünf Achsen gleichzeitig bewegen. Das ist nützlich für Teile wie Impeller und Hüftimplantate. Und ein herkömmliches Drei-Achsen-Bearbeitungszentrum ist vielleicht mit einem schwenk- und/oder drehbaren
Kopf ausgestattet. Diese „3+2“-Funktion ist ideal für die Bearbeitung mehrerer Seiten eines Werkstücks in einem Arbeitsgang. Werkzeugmaschinen gibt es in vielerlei Konfigurationen, und jede ist darauf ausgelegt, Bearbeitungsvorgänge zu reduzieren und die Flexibilität bei der Fertigung zu steigern.

Optimierung des Teiledesigns für die spanende Bearbeitung

Wenn Sie mit dem Entwerfen von Fertigungsteilen Ihr Geld verdienen, fragen Sie sich vielleicht: Was geht mich das an? Solange ich meine Teile pünktlich erhalte,
kann es mir doch egal sein, wie sie hergestellt werden, oder nicht? Nicht unbedingt. Genau so, wie ein grundlegendes Verständnis der Funktionsweise eines Autos
erforderlich ist, um sicher am Ziel anzukommen, benötigen auch Teiledesigner ein angemessenes technisches Verständnis von Werkzeugmaschinen. Dieses
Wissen ist besonders bei der Zusammenarbeit mit digital arbeitenden Teilelieferanten wie Protolabs wichtig, da sich der Bearbeitungsprozess durch Befolgung
bestimmter Leitlinien beträchtlich beschleunigen lässt.

Diese Grundkenntnisse bilden eine gute Ausgangsbasis, aber alle, die nicht über praktische Erfahrung in der Programmierung und Bedienung einer
Werkzeugmaschine verfügen, sind gut beraten, eng mit dem Teilelieferanten zusammenzuarbeiten. Stellen Sie etwa folgende Fragen: „Wie kann ich Teile so
entwerfen, dass sie einfacher zu fertigen sind?“ Hier ein paar wichtige Überlegungen zur Optimierung des Teileentwurfs für die spanende Bearbeitung:

Behandlung scharfer Ecken

Bei der spanenden Bearbeitung können sich auch Ecken als Problemstellen erweisen. Nehmen wir als Beispiel ein Gehäuse für ein elektronisches Gerät. Auf einer Seite des Teils
wird eine Tasche benötigt, die eine quadratische 50-mm-Leiterplatte aufnehmen soll. Wer mit der Zerspanungstechnik nicht vertraut ist, entwirft vielleicht eine Tasche mit rechtwinkligen Ecken,
die nur geringfügig größer als die Leiterplatte selbst ist, um den nötigen Freiraum zu schaffen. Keine gute Idee. Die rechtwinkligen Ecken werden Sie teuer zu stehen kommen, da sie nur mit
Funkenerosion (EDM) erzielt werden können, einem abtragenden Verfahren, das oft im Spritzguss und im Schnitt- und Stanzwerkzeugbau eingesetzt wird. Sofern es der Platz erlaubt, ist eine übergroße Tasche in Erwägung zu ziehen, sodass stattdessen ein Schaftfräser verwendet werden kann – in diesem Beispiel eignet sich vielleicht ein 12,7-mm-Werkzeug, was bedeutet,
dass sein halber Durchmesser (6,35mm) auf allen Seiten der Leiterplatte plus der zum Einsetzen der Leiterplatte erforderliche Freiraum zugegeben wird. Eine andere Option wären Freistiche
an allen vier Ecken. Damit erhält die Tasche ein Kleeblatt- oder T-förmiges Aussehen, die Bearbeitung wird jedoch wesentlich einfacher. Es gibt noch viel mehr zu bedenken. Genau
wie tiefe Taschen bei Frästeilen zu vermeiden sind, können zu tiefe Nuten beim Drehen Probleme bereiten, und Gleiches gilt für lange, schlanke Wellen. Das Abrunden oder Abfräsen von Kanten bei Drehteilen ist kein Problem, erfordert jedoch bei Frästeilen einen zusätzlichen Bearbeitungsschritt. Und da wir schon mal beim Thema sind: Fragen Sie den Anbieter auch nach seiner bevorzugten Entgratungsmethode – manche arbeiten mit Schleifscheiben, während andere die Teile in Steintrommeln gleitschleifen oder mit winzigen Glasperlen oder Walnussschalengranulat bestrahlen. Jedes Verfahren hat seine Vorteile und Kosten und kann sich auf das Aussehen des fertigen Teils auswirken.

Entwurfsoptimierung für präzise Gewinde

Auch das Einarbeiten von Gewinden in Zerspanungsteile ist nicht immer einfach. Innengewinde können mit einem Gewindebohrer, einem Schneidwerkzeug ähnlich der Schraube,
für welche die Bohrung gedacht ist, oder einem als Gewindefräser bezeichneten Spezialwerkzeug angefertigt werden. In beiden Fällen treten bei tiefen Gewinden die gleichen Schwierigkeiten
wie bei tiefen Löchern auf: Entfernung der Späne und beim Gewindefräsen auch radialer Schneiddruck. In den meisten Fällen bietet eine Gewindetiefe, die das Doppelte des
Durchmessers beträgt, genügend Festigkeit und ist kostengünstiger. Reicht dies jedoch nicht aus, erwägen Sie vielleicht Heli-Coils oder andere Gewindeeinsätze, um einwandfreie Gewinde zu
erhalten, besonders bei Kunststoffteilen. Und schließlich werden Gewindetoleranzen durch einen „H“-Grenzwert angegeben. Die gängigsten Werte sind H2 und H3. Letztere Toleranz ist enger und daher etwas kostspieliger in der Fertigung, am besten ist also die Vorgabe H2, solange es sich nicht um eine kritische Anwendung handelt.

Ermittlung des richtigen Werkstoffs für die spanende Bearbeitung

Der Roh- oder Kunststoff, der zur Verarbeitung kommt, ist genau so wichtig wie die Fertigungsweise der Teile. Eine falsche Wahl könnte die Teilekosten
unnötig aufblähen. Zum Beispiel ist die Superlegierung Titan, Favorit der Luft- und Raumfahrtindustrie, schwer zu zerspanen, und Teile aus diesem Werkstoff
kosten höchstwahrscheinlich mehr als solche aus Aluminium oder Stahl. Das heißt? Entscheiden Sie sich nach Möglichkeit für ein kostengünstigeres Material.

Polyetheretherketon (PEEK), Superman der Polymere, kann Metall dank seiner Festigkeit in bestimmten Anwendungen ersetzen. Aber machen Sie sich darauf gefasst, dass es in der Regel fünfmal so viel kostet wie andere Hochleistungs-Thermoplaste. Weitere technische Gesichtspunkte, die bei der Wahl eines geeigneten Werkstoffs für eine bestimmte Anwendung helfen, sind Kennzahlen wie Zugfestigkeit, Wärmeformbeständigkeit und Härte insgesamt. Hier ein paar der gängigsten Werkstoffe für die spanende Bearbeitung und ihre Eigenschaften:

In dieser Liste wurden die Rotmetalle Messing und Bronze nicht erwähnt, ohne die die Geschichte der Menschheit einen ganz anderen Verlauf genommen hätte. Ebenfalls ausgelassen wurde Titan, die andere höchst wichtige Superlegierung, die man sich als Aluminium auf Steroiden vorstellen kann. Auch auf Polymere wurde nicht eingegangen. ABS, der Werkstoff, aus dem Legosteine und Ablaufrohre sind, ist sowohl form- als auch zerspanbar und bietet herausragende Zähigkeit und Schlagfestigkeit. Technische Kunststoffe – mit Ausnahme von Acetal –
eignen sich für alles vom Zahnrad bis zum Sportartikel. Nylon wird bekanntlich zur Herstellung von Strümpfen verwendet, aber durch die Kombination aus Festigkeit und Flexibilität war es im 2. Weltkrieg von Bedeutung, da es Seide als Fallschirmmaterial ersetzen konnte. Außerdem gibt es noch Polycarbonat, Polyvinylchlorid (PVC), High-Density- und Low-Density-Polyethylen und andere mehr. Die Auswahl an Werkstoffen ist groß, daher ist es für Teiledesigner sinnvoll, das Angebot zu recherchieren und herauszufinden, welche Materialien sich wofür eignen und wie sie am besten verarbeitet werden. Bei Protolabs gibt es Kunststoffe und andere Werkstoffe in über 40 verschiedenen Qualitäten.

5 Punkte, die bei der Wahl eines digitalen Planungsdienstleisters zu beachten sind

Überlegungen zum Design und beste Vorgehensweisen? Abgehakt. Rohmaterialien? Abgehakt.
Zerspanungsdienstleister? Das ist der nächste Schritt. Wie findet man also „die Richtigen“, eine Firma mit den benötigten technischen Spezialkenntnissen,
vernünftigen Preisen, kurzen Bearbeitungszeiten und einem Online-/interaktiven Angebotssystem, das auch eine Machbarkeitsanalyse (DFM) liefert und die vor allem in der Lage ist, gute Teile in einheitlicher Qualität zu fertigen? Bedenken Sie Folgendes:

1. Manche Firmen, zum Beispiel Protolabs, sind auf Kleinserienteile und Prototypen spezialisiert. Andere sind mehr auf die Serienproduktion von Zehntausenden und mehr Teilen eingestellt.
   Ein wichtiger erster Schritt ist es also, herauszufinden, bei welchen Teilevolumen ein Hersteller am ehesten wettbewerbsfähig ist
2. Die effizientesten Zerspanungsdienstleister sind diejenigen mit standardisierten Prozessen
   und Werkzeugsätzen. Sie können Rüstzeiten,Werkzeugkosten und vor allem auch Überraschungen reduzieren. Zögern Sie nicht, eine Firma zu fragen, wo ihre Stärken liegen.
3. Standardwerkzeugsätze haben jedoch auch ihre Nachteile. So muss zum Beispiel ein CNCBearbeitungszentrum mit einer festen Anzahl Werkzeuge diese vielleicht für doppelte Zwecke einsetzen – einen Schaftfräser zum Bohren eines
   Lochs, oder ein Nutwerkzeug zum Drehen eines Drehzapfens oder einer Welle. Mit diesem Ansatz lassen sich jedoch oft die gewünschten niedrigen Kosten oder kurzen Bearbeitungszeiten erzielen.
4. Protolabs verfügt über ein webbasiertes automatisiertes Angebotssystem, das Merkmale, die bei der spanenden Bearbeitung Schwierigkeiten bereiten könnten, bereits vor Beginn der Fertigung kennzeichnet. Durch diese
   Machbarkeitsanalyse (DFM) lässt sich Nacharbeit vermeiden, da Modifikationen bereits am Anfang des
   Designprozesses vorgenommen werden können.
5. Suchen Sie ein Dienstleister, der das Gesamtbild sieht und verschiedene Fertigungsoptionen anbietet. Vielleicht sind Sie der Meinung, dass 3D-Druck bestimmt der Weg zur schnellen Lieferung von Prototypen ist. Das ist in manchen
   Fällen richtig, aber wenn es das Design erlaubt, ist die spanende Bearbeitung bei Prototypen oft kostengünstiger. Und was geschieht, wenn die Teilevolumen steigen? Wenn Sie Teile für eine bestimmte Fertigungstechnologie entwerfen,
   manövrieren Sie sich vielleicht in eine teure Sackgasse. Und im Hinblick auf das Gesamtbild sollten Sie auch den Anteil der pünktlichen Lieferungen und die Gesamtmaschinenkapazität berücksichtigen. Außerdem ist wichtig, ob es sich
   um einen Dienstleister mit eigener Fertigung oder einen Broker handelt und inwieweit es möglich ist, von Prototypen-Stückzahlen zur Kleinserienfertigung überzugehen.

Sie benötigen mehr als 25 Teile? Senken Sie Ihre Teilekosten bei der Bestellung einer größeren Stückzahl in unseren gängigsten Werkstoffen durch Schnellfertigung.

KLEINSERIEN-FERTIGUNG

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Und zögern Sie nicht, zu fragen, ganz unabhängig von Ihrer Designerfahrung. Die erfahrenen Anwendungstechniker von Protolabs (+49 (0)89 90 5002 0 oder [email protected]) beraten Sie gerne über Designänderungen und Werkstoffe, mit denen die Machbarkeit Ihrer Teile verbessert und die Teilekosten gesenkt werden können. Laden Sie ein CAD-Modell hoch, um einen Kostenvoranschlag, die Lieferzeit und automatisches Feedback zu Ihrem Design zu erhalten.

Sources: haascnc.com, mazakusa.com, okuma.com, sandvik.coromant.com