Weiche Bearbeitung: Genauigkeit und Zweckmäßigkeit der Materialien

Die spanende Bearbeitung ist ein Prozess, bei dem Designs vom Rohmaterial bis zum Endprodukt in voller Produktion erstellt werden. Die spanende Bearbeitung umfasst den gesamten Prozess der Erstellung, Gestaltung und Entwicklung von Prototypteilen, die für die Produktentwicklung erforderlich sind. Sie gewährleistet Präzision und Effizienz und schafft eine Grundlage für die Herstellung von Serienteilen durch Formgebungs-Prototyping-Prozesse. Für die Massenproduktion werden verschiedene Teile und Maschinen benötigt, wie Vorrichtungen, Gussformen und Halterungen. Eine effektive spanende Bearbeitung verlängert die Lebensdauer des Produkts und verbessert die Produktqualität. Je nach Rapid Prototyping oder Massenproduktion in der Produktentwicklung kann die spanende Bearbeitung Softtooling, Weichbearbeitung oder Hartbearbeitung sein. In diesem Artikel werden die Weichbearbeitung und ihre wichtigen Merkmale erläutert.

Weichbearbeitungstechniken: Präzision und Sorgfalt

Soft Machining ist eine Bearbeitungsart für Prototypen. Dabei werden geringe Schnittkräfte und Geschwindigkeiten bei Prototypteilen eingesetzt, um überschüssiges Material zu entfernen. Diese Technik ist für Prototypteile und spröde Materialien von Vorteil, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer bearbeitet werden können.

Bei der Weichbearbeitung wird die Gesamtschnitttiefe bei Prototypteilen mit engen Toleranzen durch mehrere Schnittschichten erreicht. Jede Schicht hat eine unterschiedliche Längsüberlappung und seitliche Überschneidung. Dies verringert die Kraft und Belastung im Prototypenprozess.

Fräsen: Eine vielseitige Methode für komplizierte Designs

Fräsen wird in der Produktentwicklung hauptsächlich eingesetzt, um überschüssiges Material vom Werkstück zu entfernen. Es hilft beim Erstellen von Prototypteilen von der Rohform bis hin zu einer bestimmten Form. So entstehen Teile mit den erforderlichen Abmessungen und engen Toleranzen. Dies ist ein wichtiger Schritt beim Rapid Prototyping von Teilen, die in Branchen wie der Luftfahrt, der Automobilindustrie und der Medizin verwendet werden und bei denen enge Toleranzen bei der Entwicklung des Endprodukts erforderlich sind.

Die Kosteneffizienz wird als wichtigster Parameter bei der Serienproduktion angesehen, bei der Volumen- oder Massenproduktion erforderlich ist. Es bietet auch eine hochglanzpolierte Oberflächenbeschaffenheit und kann komplexe 3D-Teile erstellen. Es kann Massen- oder Volumenproduktion produzieren, die mit anderen Bearbeitungsverfahren nur schwer möglich ist. Die CNC-Bearbeitung zum Fräsen kann bei Massen- und Volumenproduktion wiederholt identische Teile mit engen Toleranzen produzieren. Fräsen kann auf alle Arten von Materialien wie Metalle, Legierungen, Kunststoffe und Polymere usw. angewendet werden.

Gegenlauffräsen und Gleichlauffräsen

Drehen: Zylindrische und rotierende Teile präzise formen

Beim Drehen wird einem Rohmaterial durch Drehen des Werkstücks und lineares Bewegen des Schneidwerkzeugs eine bestimmte Form verliehen. Dadurch entsteht eine zylindrische Form. Normalerweise werden für Drehvorgänge Drehmaschinen verwendet. Das Drehen von Prototypteilen kann automatisch oder manuell durchgeführt werden. Manuelles Drehen erfordert ständige Überwachung. Automatisches Drehen ist ein effizienter Prozess für die Massen- und Volumenproduktion. Durch den Einsatz der CNC-Bearbeitungsmethode können alle Parameter wie Geschwindigkeit, Schnittkräfte und Produktionswerkzeuge vom Computer aus programmiert werden. Die CNC-Bearbeitung ermöglicht einen konsistenten und effizienten Prozess zum Erstellen von Werkstückformen mit hoher Genauigkeit und engen Toleranzen bei der Produktion in vollem Umfang. Beim Drehen von weichen Werkzeugen werden einschneidige Werkzeuge in verschiedenen Formen verwendet. Zur Abstimmung werden unterschiedliche Winkel verwendet, um die gewünschten Formen zu erhalten.

Bohren: Löcher präzise und kontrolliert bohren

Bohren ist ein Vorgang, bei dem runde Löcher in ein Werkstück gebohrt werden. Dabei wird eine Bohrmaschine verwendet, die auch auf einer Fräsmaschine eingesetzt werden kann. Als Abfallmaterial entstehen Späne. Bohrer sind so konstruiert, dass die Späne vom Werkstück abfallen. Und das Werkstück bleibt frei von Rückständen.

Durch senkrechtes Halten des Bohrers im Prototypenprozess werden Abweichungen und Abstände verringert. Um enge Toleranzen zu erreichen, wird vor dem Bohren ein Zentrierbohrvorgang durchgeführt. Andere Bohrmethoden bei der Weichbearbeitung sind die Kopfrotation bei manuellen Maschinen und Mehrachsen bei der CNC-Bearbeitung.

Schleifen: Erreichen ultrafeiner Oberflächen und enger Toleranzen

Beim Schleifen wird die endgültige Form eines Werkstücks durch Abtragen überschüssigen Materials erzeugt. Bei der Serienproduktion wird ein rotierendes Schleifrad verwendet, um das Material durch Schleifen zu formen. Beim sanften Bearbeitungsverfahren werden Schleifkörner verwendet, um Material innerhalb enger Toleranzen von der Oberfläche von Prototypteilen zu entfernen. Wenn Prototypteile mit sich bewegenden Schleifkörnern in Kontakt kommen, wirken sie wie winzige Schneidwerkzeuge. Dadurch werden beim Rapid Prototyping alle kleinen Spanpartikel vom Werkstück abgeschert.

Es gibt ein Missverständnis über das Schleifen in der Serienproduktion. Dabei handelt es sich um einen Reibvorgang, bei dem eine Schleifscheibe zum Schleifen von Material verwendet wird. Es hat jedoch dieselbe Schneidwirkung wie Fräsen, Feinabstimmen und Bohren in der Produktentwicklung.

Weichzerspanbare Werkstoffe: Filigran und doch vielfältig

Sowohl die manuelle Weichbearbeitung als auch die CNC-Bearbeitung sind in der Lage, jede Art von Material in Massenproduktion und Volumenproduktion mit engen Toleranzen zu bearbeiten. Diese Materialien sind Kunststoffe, Legierungen, Verbundwerkstoffe und Nichteisenmetalle.

Kunststoffe: Ein Bereich der Vielseitigkeit und Formbarkeit

Die Weichbearbeitung von Kunststoffen ist ein wichtiges Anwendungsgebiet der CNC-Bearbeitung. Kunststoffe können mit eigenen Spezifikationen und Eigenschaften weichbearbeitet werden. Kunststoffe haben eine schlechte Wärmeleitfähigkeit. Daher ist es wichtig, die bei der Kunststoffbearbeitung entstehende Wärme aus den Spänen abzuführen.

Kunststoffprototypenteile werden gegossen oder gezogen. Weiche Bearbeitungen wie Schleifen, Fräsen, Drehen und Bohren können bei Kunststoffen angewendet werden. Für die Bearbeitung von Kunststoffen sind jedoch scharfe Schneidwerkzeuge mit sehr glatter Oberfläche erforderlich. Diese können Kunststoff schnell trennen und ohne Anstrengung wegbewegen. Dies führt zu einer glatten Oberflächenbeschaffenheit von Prototypteilen in der Produktentwicklung.

Kunststoffarten für die Weichverarbeitung

Folgende Kunststoffarten können verarbeitet werden:

• Duroplaste: Epoxid- und Formaldehydharze, Polyurethan, Silikonkautschuk.
• Thermoplaste: Polyethylen, Polypropylen, PVC, PTFE, PVDF, Polyester, Polyamide
• Elastomere: Gummi, Latex
• Fasern: GF, CF, AFU
• Schäume: Weich- und Hartschäume aus PE und PU

Verbundwerkstoffe: Festigkeit und geringes Gewicht

Bei der Weichbearbeitung von Verbundwerkstoffen werden die Prototypteile durch Schneiden, Fräsen, Feinabstimmung, Bohren und andere Verfahren geformt und fertiggestellt. Die Bearbeitung von Verbundwerkstoffen erfordert spezielle Werkzeuge und Methoden, da es sich um harte und schichtweise aufgebaute Materialien handelt. Die Bearbeitung von Verbundwerkstoffen hilft bei der Formgebung mit engen Toleranzen, wobei die Integrität des Materials im Prototyping-Prozess erhalten bleibt. Durch die Weichbearbeitung können Stangen und Rohre beim Rapid Prototyping genau passen und eine perfekte Verbindung herstellen.

Nichteisenmetalle: Präzision und Ästhetik erreichen

Nichteisenmetalle sind aufgrund ihres fehlenden Eisens hervorragend bearbeitbare Materialien. Sie lassen sich leicht schneiden, bohren, drehen und schleifen. Sie haben eine feine Oberfläche und sind sehr kostengünstig. Die hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit ist ideal für die Bearbeitung von Prototypteilen. Oberflächenbearbeitungsverfahren wie Eloxieren liefern nach der Bearbeitung von Nichteisenmetallen ebenfalls bessere Ergebnisse. Die Leichtmetalle reduzieren das Gesamtgewicht des Prototyping-Prozesses und der Produktentwicklung.

Werkzeuge für die Weichbearbeitung

Weiche Werkzeuge werden beim Erstellen temporärer Formen verwendet, die in Produktionsverfahren verwendet werden. Weiche Werkzeuge aus einfachen Materialien werden beim Rapid Prototyping und in der ersten Fertigungsphase wie Prototyping-Prozessen verwendet. Sie sind vor den langlebigen und teuren harten Werkzeugen in der Serienproduktion der Produktentwicklung. Weiche Werkzeuge sind bei Produktionswerkzeugen kostengünstiger. Ein weiterer Vorteil von weichen Werkzeugen ist die Flexibilität bei den Materialanforderungen. Sie sorgen für Komfort und Vielseitigkeit bei Produktionswerkzeugen. Weiche Werkzeuge sind für Rapid Prototyping vor der Massenproduktion und Serienproduktion von Vorteil.

Beispiele für Softtooling

Die im Prozess der Erstellung von Prototypteilen verwendeten Softtools sind:

• Silizium-Mods: Diese werden zum Erstellen von Prototypteilen und für die Produktion kleiner und großer Stückzahlen verwendet, da sie erschwinglich und einfach herzustellen sind.
• Kohlefaser: Diese Formen bieten Kosteneffizienz und Haltbarkeit. Sie eignen sich für die Kleinserienproduktion und das Rapid Prototyping empfindlicher Teile.
• Glasfaser: Auch diese Option ist hinsichtlich der Kosteneffizienz bei großen Teilen und Prototypteilen von großem Vorteil. Für eine glatte Oberfläche ist jedoch eine zusätzliche Endbearbeitung erforderlich.
• Aluminiumformen: Dies ist eine teure Option im Soft-Tooling. Sie bietet eine hohe Haltbarkeit und eine bessere Wärmeübertragungsrate bei der Volumen- und Massenproduktion.

Anwendungen der Weichbearbeitung: Ein Spektrum von Branchen und Produkten

Die Weichbearbeitung eignet sich ideal für die Herstellung komplexer Teile, die eine hohe Genauigkeit und enge Toleranzen in verschiedenen, im Folgenden erläuterten Bereichen erfordern:

Luft- und Raumfahrt: Präzision und Leistung für anspruchsvolle Umgebungen

Zu den wichtigsten Anwendungsgebieten der Weichbearbeitung, ob manuell oder CNC-Bearbeitung, gehört die Herstellung von Kabinenkomponenten, Flügelrippen und Rumpfteilen. CNC-Bearbeitung wird auch beim Bau von Aktuatoren, Bewegungssteuerungssensoren, Motorgehäusen, Fahrwerksteilen sowie Scheiben- und Filterkörpern eingesetzt.

Medizin: Höchste Präzision für lebensrettende Geräte

Aufgrund der hohen Genauigkeit, engen Toleranzen, Flexibilität und Vielseitigkeit gibt es in medizinischen Bereichen viele Anwendungsmöglichkeiten für die Weichbearbeitung. Dazu gehören die schnelle Herstellung von Prototypenteilen für medizinische Instrumente und die Herstellung orthopädischer Implantate für Hüft- und Kniegelenkersatz. Sie wird auch bei der Herstellung chirurgischer Instrumente und endoskopischer Werkzeuge sowie bei der Herstellung von Teilen für Diagnosegeräte eingesetzt.

Elektronik: Miniaturisierung und Leistung für hochmoderne Geräte

Das wichtigste Beispiel für die Weichbearbeitung in der Elektronik sind die Metalllegierungsgehäuse von APPLE-Produkten. Diese werden durch CNC-Bearbeitung und CNC-Fräsen hergestellt. Sie werden auch in Produkten wie Leiterplatten, Gehäusen, Vorrichtungen, Halbleiterbauelementen wie Waferplatten, Gasverteilungskanälen, Waferträgern und Lötflexschablonen verwendet.

Konsumgüter: Ästhetik und Funktionalität für Alltagsprodukte

Die weiche Bearbeitung wird in Nischenfertigungen wie der Herstellung von Schmuck, Musikinstrumenten, Möbeln, Unterhaltungselektronik und Halbleitern eingesetzt. Dazu gehören die Herstellung von Klavieren, Gravuren, Schnitzereien, Stimmknöpfen, Bundschlitzen und anderen Musikinstrumenten. In Metallrahmen, Glasschneiden, Polieren und Gravieren für Möbel.

Weiche Bearbeitung: Eine Erfolgskombination für empfindliche Materialien

Minimaler Materialabtrag und reduzierte Spannung

Es werden Methoden zur Materialentfernung eingesetzt, um unvollständige Gussteile gemäß den Konstruktionsspezifikationen herzustellen. Dadurch können generische Gussteile in einzigartige Endprodukte umgewandelt werden. Die weiche Bearbeitung bietet diesen Vorteil sowie geringere Spannungen. Diese werden während der Bearbeitung aufgrund thermischer, mechanischer und chemischer Faktoren verursacht und können zu Ermüdungsbrüchen führen.

Hohe Präzision und enge Toleranzen

Enge Toleranzen mit geringen Abweichungen von 0.005 Zoll sind akzeptabel. Durch weiche Bearbeitung können Teile mit hoher Genauigkeit und engen Toleranzen hergestellt werden und die tatsächlichen Abmessungen von Prototypteilen können, müssen aber nicht, um mehr als 3 Zoll abweichen.

Glatte Oberflächen und weniger Grate

Die beste Oberflächengüte wird durch weiche Bearbeitung erzielt, da hierdurch die glatteste Oberfläche entsteht, was auf viele Faktoren zurückzuführen sein kann. Dazu zählen die Elastizität des Materials, die Entformungseigenschaften, die Schwingungsdämpfung und weniger Werkzeugspuren im Gegensatz zur Hartbearbeitung.

Vielseitigkeit für ein breites Spektrum an Materialien und Geometrien

Die Soft-Bearbeitung ist bei der Bearbeitung komplexer Teile bemerkenswert. Der Prozess bietet Flexibilität, wodurch filigrane Formen mit höherer Genauigkeit und engen Toleranzen erstellt werden können. Die Soft-Bearbeitung kann 3D-Teile mit hoher Mustertreue erstellen. Außerdem ist sie schnell und kostengünstig.

Herausforderungen und Überlegungen bei der Weichbearbeitung: Erfolg bei empfindlichen Materialien sicherstellen

Werkzeugauswahl und -optimierung

Weichbearbeitungswerkzeuge sind weniger langlebig. Sie können sich bei hohem Druck und hohen Temperaturen schneller abnutzen und verformen. Dies kann die Lebensdauer des Werkzeugs verkürzen und zu häufigen Austauschen führen, was die Produktionskosten erhöhen kann. Daher sind die Optimierung und Auswahl des Werkzeugs wichtige Faktoren bei der Weichbearbeitung.

Prozessplanung und -optimierung

Der Soft-Machining-Prozess hat längere Zykluszeiten. Die Flexibilität im Prozess kann zusätzliche Zeit für das Entformen, Abkühlen oder Aushärten erfordern, was die Effizienz des Projekts beeinträchtigen kann.

Vorrichtungen und Werkstückspannung

Bei weichen Werkzeugen und Materialien kann es zu Problemen bei der Verarbeitung und Befestigung kommen. Dies liegt an unzureichender Klemmkraft und Druck, die auf das Werkstück ausgeübt werden. Dies führt zu Bewegung, Rutschen und Verformung des Werkstücks.

Kühlung und Schmierung

Eine effiziente Kühlung und Schmierung kann die Lebensdauer der Produktionswerkzeuge verlängern und den Bearbeitungszyklus verkürzen. Sie steigert die Leistung des Produktentwicklungsprozesses und verbessert die Oberflächenqualität.

Überwachung und Kontrolle

Zuverlässige Überwachung und Steuerung bieten Echtzeiteinblicke in den Prozess. Dies kann zu einer langfristigen Verbesserung des gesamten Produktionsprozesses führen. Die Überwachung von Maschinen und Prozessen verringert die Wahrscheinlichkeit von Anomalien und ermöglicht eine sichere hohe Produktivität. Bei der Weichbearbeitung kann dies aufgrund der höheren Prozessflexibilität und des längeren Prozesszyklus eine Herausforderung darstellen.

Vor- und Nachteile der Weichbearbeitung

Die Vorteile der Weichbearbeitung sind:

• Schnelle Bearbeitung: Mit diesem Verfahren können die Prototypteile einfach geformt und geändert werden. Außerdem sind schnelle Designiterationen und Anpassungen bei der Produktentwicklung möglich.
• Kosteneffizienz: Es kann bei einer geringen bis mittleren Produktionsmenge durchgeführt werden. Die bei der Weichbearbeitung verwendeten Materialien sind günstiger als bei der Hartbearbeitung und für Projekte mit geringem Budget geeignet.
• Komplexe und filigrane Geometrien: Es bietet eine höhere Flexibilität beim Umgang mit komplizierten Designs und kann Geometrien mit engen Toleranzen sehr genau formen. Es kann auch 3D-Teile erstellen mit

Die Nachteile der Weichbearbeitung sind:

• Kleinserien- und Massenproduktion: Es ist für kleine bis mittlere Produktionsmengen geeignet und hält hohen Stückzahlen im großen Maßstab nicht stand.
• Begrenzte Werkzeuglebensdauer: Weiche Werkzeuge sind weniger haltbar und müssen häufig ausgetauscht und repariert werden. Dies kann manchmal auch die Produktionskosten erhöhen.

Fazit: Weichbearbeitung – ein unverzichtbares Werkzeug für empfindliche Werkstoffe

Die Verwendung von Soft-Tooling dient der Designvalidierung, Produktprüfung und Kleinserienfertigung. Es eignet sich für Prototypenprozesse oder zum Testen von Designs vor der Serienproduktion. Es wird bevorzugt für die Erstellung komplexer Designs eingesetzt, deren Fertigung zeitaufwändig und anspruchsvoll sein kann. hartes WerkzeugDie Vorteile der Weichbearbeitung liegen in der Kosteneffizienz, der hohen Oberflächengüte, den kurzen Durchlaufzeiten, der Flexibilität in Design und Prozess sowie der Eignung für die Fertigung komplexer Geometrien. Allerdings stößt sie aufgrund geringer Produktionsvolumina an ihre Grenzen und ist für die Großserienfertigung nicht geeignet.