3-Achsen- vs. 5-Achsen-Bearbeitung: Technische Unterschiede und Branchenanwendungen

Die spanende Bearbeitung spielt seit jeher eine entscheidende Rolle bei der Herstellung von Teilen unterschiedlicher Komplexitätsstufen. Die Bearbeitungstechniken werden seit langem kontinuierlich verbessert. Die Fünf-Achsen-Bearbeitung ist eine neue Entwicklung. Sie stellt eine Weiterentwicklung der traditionellen Drei-Achsen-Bearbeitung dar.

Hersteller wählen je nach Komplexität, Kosten und Fertigungsfreundlichkeit zwischen 3- und 5-Achsen-Bearbeitung. Schauen wir uns die 3-Achsen- vs. 5-Achs-Bearbeitung und versuchen Sie zu verstehen, was wir mit den beiden unterschiedlichen CNC-Bearbeitungsarten am besten erreichen können.

Was sind CNC-Bearbeitungsachsen? – Eine Grundlage

Äxte rein CNC-Bearbeitung Definieren Sie die Bewegung des Werkzeugs in eine bestimmte Richtung. Es gibt verschiedene Arten von CNC-Maschinen: 3-Achs-, 4-Achs-, 3+2-Achs- und 5-Achs-Maschinen. Jeder Typ bietet dem Werkzeug einen gewissen Bewegungsspielraum. Mehr als drei Achsen steigern zwar die Effizienz, kosten aber Geld und Programmieraufwand. Erfahren Sie mehr über die verschiedenen Achsenanzahl-Maschinen.

Was sind Achsen bei der CNC-Bearbeitung?

Wie aus der obigen Abbildung ersichtlich ist, gibt es drei lineare Achsen und drei Drehachsen.

Lineare Achsen (X, Y, Z): Stellen Sie sich in einem 3D-Raum vor, dass sich die X-Achse nach links und rechts bewegt, die Y-Achse sich vorwärts und rückwärts bewegt und die Z-Achse sich auf und ab bewegt.

Drehachsen (A,B,C): A-Achse, B-Achse, C-Achse definieren die Bewegung um die X-, Y- und Z-Achse.

Erläuterung der wichtigsten CNC-Achsentypen

• 3-Achsen-CNC (X, Y, Z):Es handelt sich um eine grundlegende Bearbeitungsart, die Bewegungen entlang dreier linearer Achsen ermöglicht. Sie eignet sich ideal für grundlegende Fräs- und Routing-Vorgänge, beispielsweise zum Bearbeiten flacher oder flacher konturierter Oberflächen.
• 4-Achsen-CNC (X, Y, Z, A):Die zusätzliche vierte Achse ermöglicht eine Drehbewegung um eine lineare Achse. Sie eignet sich ideal zum Rotationsschneiden zylindrischer Teile.
• 5-Achsen-CNC (X, Y, Z, A/B, C):Bei der 5-Achsen-CNC-Bearbeitung kann sich das Werkzeug praktisch überall hin bewegen. Es bietet vollständige multidirektionale Kontrolle.
• Mehr als 5-Achsen: Was ist eine 12-Achsen-CNC-Maschine?

Diese fortschrittlichen Maschinen verfügen über mehrere Spindeln und Revolver. Dies verleiht dem Werkzeug eine hohe Beweglichkeit. Die Werkzeugwege sind komplex. Sie werden für sehr anspruchsvolle Anwendungen eingesetzt, die eine komplexe Bearbeitung erfordern.

Warum die Anzahl der Achsen für Komplexität und Präzision wichtig ist

Die Anzahl der Achsen ist entscheidend für die einfache Fertigung. Ein Beispiel: Soll ein komplexes orthopädisches Implantat durch maschinelle Bearbeitung hergestellt werden, benötigt eine 3-Achs-Maschine häufige Unterbrechungen und Anpassungen, um das Werkzeug in die gewünschte Richtung auszurichten. Eine 5-Achs-CNC erledigt dies hingegen automatisch und ohne Unterbrechungen. Die Oberflächenqualität ist bei einer 5-Achs-CNC besser.

3-Achsen-Bearbeitung: Einfachere Lösung

Die 3-Achs-Bearbeitung ist eine kostengünstige und massentaugliche Lösung für einfache Formen. Sie eignet sich ideal für flache Formen, bei denen sich das Werkzeug linear bewegen muss. Die Investitionskosten sind vergleichsweise niedrig und der Programmieraufwand geringer. Bei einfachen Formen ist die 3-Achs-Bearbeitung die ideale Lösung.

Funktionsweise von 3-Achsen: Grundlagen

Die 3-Achsen-Bearbeitung ist die einfachste CNC-Bearbeitungsart. Dabei bewegt sich das Werkzeug ausschließlich entlang der X-, Y- und Z-Achse. Sie eignet sich ideal für die Bearbeitung ebener Flächen, einfacher Konturen, Bohrungen, Schlitzungen und einfacher Fräsarbeiten.

Welche Branchen profitieren von 3-Achsen?

3-Achsen-CNC-Maschinen werden für Anwendungen im Prototyping, in der Holzbearbeitung und bei der Herstellung grundlegender Metallteile verwendet.

5-Achsen-Bearbeitung: Optimal für komplexe Geometrien

Dank der Bewegung um zwei zusätzliche Drehachsen (A- und B-Achse), die die 5-Achsen-CNC bietet, können viele komplexe Geometrien bearbeitet werden, ohne dass das Werkzeug angehalten und eingestellt werden muss. Sie ermöglicht Bearbeitungen, die mit einer 3-Achsen-Maschine als sehr aufwändig galten.

Arten von 5-Achsen-Maschinen: Indexiert vs. Kontinuierlich vs. 3+2

Die indexierte oder 3+2-Bearbeitung ist im Wesentlichen eine 3-Achsen-Maschine, verhält sich aber praktisch wie eine 5-Achsen-Maschine. Das Werkzeug kann sich wie bei einer 3-Achsen-Maschine entlang der drei linearen Achsen bewegen. Das Werkzeug kann zusätzlich entlang der zwei zusätzlichen Drehachsen schräg positioniert werden. Allerdings muss die Bearbeitung jedes Mal angehalten werden, um die Position anzupassen.

In einer kontinuierlichen 5-Achsen-CNC kann sich das Werkzeug gemäß CAM (computergestützte Fertigung) in drei linearen und zwei Drehachsen selbst anpassen. Es muss für Anpassungen nicht angehalten werden.

Indexierte (positionelle) vs. kontinuierliche (simultane) Bewegung

Welche Branchen profitieren am meisten von 5-Achsen?

Die 5-Achsen-Bearbeitung wird vor allem in anspruchsvollen Industrien eingesetzt, die komplexe Geometrien erfordern. Beispiele hierfür sind Turbinenschaufeln, Prothesen, medizinische Implantate, Triebwerksteile sowie Teile für die Luft- und Raumfahrt.

Hauptunterschiede zwischen 3- und 5-Achsen-Bearbeitung

Sowohl 3- als auch 5-achsige CNC-Maschinen haben ihre eigenen Vor- und Nachteile. Während die 5-achsige CNC-Maschine mit hohen Investitionskosten von fortschrittlichen und hochpräzisen Industrien bevorzugt wird, lässt sich die 3-achsige CNC-Maschine mit vergleichsweise geringeren Investitionskosten und dennoch akzeptabler Genauigkeit für einfachere Formen einrichten. Die folgende Tabelle bietet einen Vergleich:

Bewegung und Präzision

Eine 3-Achsen-CNC-Maschine ermöglicht ausschließlich lineare Werkzeugbewegungen. Sie eignet sich ideal für flache oder prismatische Teile. Die Werkzeugeinstellung für gekrümmte Teile ist bei einer 3-Achsen-CNC-Maschine schwierig.

Eine 5-Achsen-CNC-Maschine ermöglicht den uneingeschränkten Zugriff auf das Werkzeug und ermöglicht es, sich nahezu überall dort zu bewegen, wo es das CAD erfordert. Sie eignet sich besonders für gekrümmte, geneigte oder hinterschnittene Bereiche. Selbst bei komplexen Formen ist die Präzision hoch.

Produktionsgeschwindigkeit und Effizienz

Eine 5-Achsen-CNC ermöglicht eine höhere Produktionsgeschwindigkeit, da Unterbrechungen vernachlässigbar sind und Werkzeuge während der Produktion angepasst werden müssen. Im Gegensatz dazu erfordert eine 3-Achsen-CNC-Maschine eine Werkzeuganpassung für Winkel. Eine 3-Achsen-CNC erfordert jedoch eine einfachere Programmierung. Daher ist sie bei kleinen Stückzahlen schneller.

Komplexität der herstellbaren Teile

• Mit 3-Achsen können Teile wie Halterungen, Abdeckungen, Gehäuse und Platten schnell hergestellt werden.
• 5-Achsen eignen sich gut für den Einsatz in anspruchsvollen Geometrien wie Laufrädern, orthopädischen Implantaten, Spritzgussformen und Halterungen für die Luft- und Raumfahrt.

3+2-Bearbeitung vs. 5-Achsen-Simultanbearbeitung:

Eine 3+2-CNC-Maschine sieht auf den ersten Blick genauso aus wie eine 5-Achsen-CNC. Es gibt jedoch einen subtilen, aber wirkungsvollen Unterschied. Eine 5-Achsen-Maschine kann das Werkzeug in jedem beliebigen Winkel selbst einstellen. Eine 3+2-Maschine hingegen kann zwar um zwei Achsen rotieren, erfordert aber eine manuelle Einstellung.

Was ist 3+2-Bearbeitung?

Eine 3+2-CNC-Maschine wird auch als indexierte 5-Achsen-Maschine bezeichnet. Der Werkzeugweg kann um zwei Achsen gedreht werden. Sobald er positioniert ist, arbeitet er wie eine herkömmliche 2-Achsen-CNC-Maschine. Kurz gesagt handelt es sich um eine 3-Achsen-Maschine, die den Vorteil bietet, das Werkzeug durch Drehen um zwei Achsen in einem Winkel einzustellen.

Simultane 5-Achsen-Bearbeitung:

Die 5-Achsen-Simulationsmaschine ermöglicht multidirektionales Schneiden. Das Werkzeug ist aus jedem Winkel und von überall aus erreichbar. Diese kontinuierliche Bewegung ermöglicht dem Werkzeug, komplexe Konturen mit außergewöhnlicher Präzision und Oberflächengüte zu „überfahren“.

Anwendungen: Turbinenschaufeln, Skulpturale Formen

Turbinenschaufeln und Skulpturen weisen Freiformgeometrien auf. Diese geschwungenen Designs erfordern eine hohe Oberflächenqualität. Diese Komplexität lässt sich mit einer herkömmlichen 3-Achsen- oder sogar 3+2-Achsen-CNC-Maschine nur schwer bewältigen.

Wann ist 3+2 gegenüber 5-Achsen-Systemen vorzuziehen?

Eine 3+2 CNC-Maschine ist möglicherweise die bessere Wahl, wenn zwar ein besserer Werkzeugzugang und ein Winkelschnitt erforderlich sind, die Krümmung aber nicht überall vorhanden ist, wie beispielsweise bei einer Turbinenschaufel. Eine 3+2-Maschine ist vergleichsweise günstiger und erfordert eine weniger komplexe CNC-Programmierung.

Wie beeinflusst das Werkstückmaterial die Achsenwahl?

Materialeigenschaften wie Streckgrenze, Härte, Wärmeleitfähigkeit und Schmelzpunkt beeinflussen die Bearbeitbarkeit. Diese Bearbeitbarkeit hilft uns zu bestimmen, welches Material für welche CNC-Maschine mit wie vielen Achsen am besten geeignet ist.

Metalle und Achsenanforderungen

Bei der Metallbearbeitung gibt es zahlreiche Verfahren. Am häufigsten werden Aluminium und Titan verwendet:

Aluminium vs. Titan: Wann ist Axis die richtige Wahl?

Aluminium ist vergleichsweise weich, leitfähiger und weniger fest als Titan. Daher reicht aufgrund des geringeren Schnittwiderstands und der geringeren Wärmeentwicklung eine geringere Anzahl an Achsen aus. Titan hingegen ist hart, weniger leitfähig, fester und teurer. Eine 5-Achsen-Bearbeitung könnte für Titan besser geeignet sein.

Kunststoffe und Verbundwerkstoffe:

Kunststoffe sind temperaturempfindlich. Bei zu festem Einspannen verziehen, schmelzen oder verformen sie sich leicht. Daher sind möglicherweise mehr Achsen besser geeignet.

Teile aus mehreren Materialien:

Eine 5-Achsen-CNC kann die bessere Wahl sein. Sie ermöglicht adaptive Werkzeugwege bei wechselnden Dichten und reduziert das Delaminationsrisiko bei Schichtverbundwerkstoffen.

Software und Programmierung der 5-Achsen-Bearbeitung

Angesichts der Komplexität der 5-Achsen-Bearbeitung ist auch die Programmierung, beispielsweise der Codes usw., schwieriger. Die CAM-Programmierung und die nachfolgende G-Code-Generierung wären aufwändiger.

CAM-Software für 5-Achsen

1. Mastercam
2. Autodesk Fusion 360
3. Siemens NX CAM
4. HyperMill
5. PowerMill von Autodesk
6. SolidCAM
7. CATIA CAM von Dassault Systèmes)
8. GibbsCAM

Werkzeugwegsimulation zur Vermeidung von Kollisionen

Eine Simulation vor der eigentlichen Bearbeitung hilft, Interferenzen zwischen Werkzeug, Halter und Werkstück zu erkennen. So lassen sich fatale Kollisionen vermeiden. Die Oberflächenqualität lässt sich durch Winkeloptimierung unter Berücksichtigung der Simulation verbessern.

Herausforderungen bei der Nachbearbeitung in 5-Achsen-Workflows

Aufgrund der CAM- und CNC-Programmierung können Probleme bei der Nachbearbeitung auftreten. Verschiedene CNC-Maschinen interpretieren die Achsen unterschiedlich. Daher muss die CAM-Software vollständig mit der 5-Achsen-CNC kompatibel sein, da sonst Fehler bei der G-Code-Generierung auftreten.

Fallstudien aus der Praxis: 3-Achsen- vs. 5-Achsen-Bearbeitung

Lassen Sie uns anhand einiger konkreter Beispiele aus der realen Welt lernen:

3-Achsen-Besser: Motorblöcke in Massenproduktion

Eine 3-Achsen-CNC-Maschine eignet sich besser für Teile mit flacher oder gleichmäßiger Geometrie. Beispiele hierfür sind Motorblöcke, Getriebegehäuse und Bremskomponenten.

5-Achsen-besser: Herstellung von Turbinenschaufeln für die Luft- und Raumfahrt

Eine 5-Achsen-CNC-Maschine eignet sich besser für Teile mit gekrümmter, verdrehter und formfreier Geometrie. Beispiele hierfür sind Turbinenschaufeln, Laufräder und Flügelkomponenten von Düsentriebwerken.

Hybrider Ansatz: Automotive Prototyping mit 3+2

Eine 3+2-Maschine wird bevorzugt, wenn eine Winkelpositionierung mit geringeren Kosten und geringerem Programmieraufwand erforderlich ist. Beispiele hierfür sind Gehäuse, Scheinwerfergehäuse und Armaturenbretter.

Fazit: Wie soll man wählen?

Eine 3-Achsen-CNC wird aufgrund ihrer Einfachheit, Kostengünstigkeit und des geringeren Programmieraufwands geschätzt. Ihr Einsatz kann jedoch eingeschränkt sein. Eine 5-Achsen-CNC hingegen wird für anspruchsvolle Anwendungen bevorzugt, bei denen Präzision wichtiger ist als Kosten. Bestimmte Geometrien können nur mit einer 5-Achsen-CNC bearbeitet werden. Die Wahl hängt hauptsächlich von den Anwendungsanforderungen, dem Bearbeitungsaufwand und den Kosten ab.

Ist die 5-Achsen-Lösung die Lösung für alle Probleme? – Häufige Mythen und FAQ

Hier sind einige häufig gestellte Fragen zu Mythen und Mythen zur 5-Achsen-Bearbeitung:

Mythos 1: „5-Achsen-Maschinen fertigen Teile immer in einer Aufspannung“

Obwohl eine 5-Achsen-Maschine die Teile in nur einer Aufspannung fertigstellen kann, ist dies nicht immer der Fall. Bei einigen komplexen Geometrien können Neupositionierungen, spezielle Vorrichtungen oder Nachbearbeitungen wie Inspektion, Entgraten oder Montage erforderlich sein.

Mythos 2: „3-Achsen sind nicht mehr zeitgemäß“

3-Achsen-CNC-Maschinen sind immer noch häufiger als 5-Achsen-CNC-Maschinen. Sie ermöglichen die kostengünstige Herstellung von Teilen und einen hohen Durchsatz. 3-Achsen-CNC eignet sich ideal für Teile mit flachen Oberflächen, Schlitzen, Löchern und einfachen Konturen.

Mythos 3: „5-Achsen mit besseren Oberflächengüten“

Die Oberflächengüte hängt von der Werkzeugwegstrategie, den Geschwindigkeitseinstellungen und der Werkzeugschärfe ab. Eine 5-Achsen-CNC-Maschine mit schlechter Programmierung führt zu einer schlechten Oberflächengüte. Eine 3-Achsen-CNC-Maschine mit guter Programmierung hingegen kann eine spiegelglatte Oberfläche erzeugen. Alles hängt von der CNC-Programmierung, der Werkzeugwegstrategie, den Geschwindigkeitseinstellungen und der Werkzeugschärfe ab.