Was ist CNC-Fräsen? Typen, Verfahren und Betrieb

CNC-Fräsen ist ein Schneidverfahren, das auf computergesteuerten (CNC-)Maschinen basiert. Es wird seit zwei Jahrhunderten verwendet. Während der Industrialisierung war es die am häufigsten verwendete und fortschrittlichste Bearbeitungstechnik. Heute ist es ein sehr wichtiges Schneidverfahren. In diesem Artikel geht es ausschließlich um CNC-Fräsen, das Ihr Wissen und Ihre Fähigkeiten erweitern wird. Beginnen wir also mit einer kurzen Einführung:

Was ist CNC-Fräsen?

CNC-Fräsen ist eine Bearbeitungstechnik zur Herstellung komplexer Teile in verschiedenen Branchen. Durch Schneiden oder Entfernen des überschüssigen Materials entstehen die gewünschten Formen. Für den Schneidvorgang werden mehrere rotierende Schneidwerkzeuge verwendet, die von einem CNC-Programm, d. h. einer CAM-Software (Computer-Aided Manufacturing), gesteuert werden.

Bedeutung von Desktop-CNC-Fräsen

Dabei handelt es sich um eine kompakte CNC-Fräsmaschine, die vor allem in Kleinbetrieben und Ausbildungsstätten zum Herstellen von Prototypen und komplexen Teilen etc. eingesetzt wird.

Ist CNC-Fräsen einfach?

Sobald Sie das CNC-Programm beherrschen, ist es dank seiner Automatisierungsfunktionen leicht zu bedienen.

Wofür wird eine CNC-Fräsmaschine verwendet?

CNC-Fräsmaschinen werden in der Fertigungsindustrie zur Herstellung komplexer Teile wie Flugzeugzellenteile, Fahrwerke, Getriebegehäuse, orthopädische Implantate, Kühlkörper, Raketenleitsysteme, individueller Schmuck usw. eingesetzt. Alle diese Teile erfordern enge Toleranzen und Präzision, die durch Präzisions-CNC-Fräsen erreicht werden.

Wie funktioniert CNC-Fräsen?

In diesem Abschnitt wird die Funktionsweise eines CNC-Fräsprozesses umfassend behandelt.

Die Rolle der computergestützten numerischen Steuerung (CNC)

Die wichtigen Funktionen wie die Automatisierung während der Arbeit sind dieser Computer Numeric Control-Komponente zu verdanken. Diese Komponente arbeitet mit CNC-Programmen wie CAM-Software. Alle Daten wie Spindeldrehzahl, Schnittgeschwindigkeit, Werkzeugwechsel usw. werden in dieses System eingespeist.

CNC-Fräsprozess

Der Fräsprozess beginnt mit der Vorbereitung des 3D-Designs mithilfe einer CAD-Software. Die Maschine kann ein 3D-Design nicht lesen, weshalb es mithilfe einer CAM-Software in ein lesbares Format umgewandelt wird. Wir geben Ihnen eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Funktionsweise einer CNC-Maschine.

Schritt-für-Schritt-Anleitung: So funktioniert CNC-Fräsen

1. Als ersten Schritt entwerfen Sie ein 3D-Bild des gewünschten Teils und konvertieren es anschließend mithilfe einer CAM-Software in ein lesbares Format.
2. Wählen Sie geeignete Schneidwerkzeuge
3. Fixieren Sie das Werkstück fest im Werkstückhalter
4. Spindeldrehzahl, Schnittgeschwindigkeit, Achsen usw. in der Software eingeben
5. Schalten Sie die Maschine ein und Sie können den Vorgang starten.

Während der Bearbeitung sollten Sie außerdem ein Kühlmittel verwenden, da beim Abtrennen von Material Hitze innerhalb der Probe entsteht, die Ihr Werkstück beschädigen kann.

CNC-Frässoftware

Mithilfe von CNC-Frässoftware werden die vorgegebenen 3D-Designs des Werkstücks in lesbare Anweisungen für die Maschine umgewandelt. Anschließend werden durch Programmierung die Geschwindigkeit der Werkzeuge, die Optimierung der Werkzeugwege usw. in der Software gespeichert, die die Werkzeuge dann während der Arbeit automatisch gemäß den Anweisungen steuert.

Arten von CNC-Fräsmaschinen

Das Hauptunterscheidungsmerkmal von CNC-Maschinen ist die Anzahl der Achsen. Folgende Typen sind üblich:

Vertikale Fräsmaschinen

Sie werden sehen, dass bei Verwendung einer vertikalen Fräsmaschine die Präzision hoch ist. Der Hauptgrund für die hohe Präzision ist die einfache Bearbeitung des Werkstücks, da die Richtung der Spindel senkrecht zum Werkstück verläuft.

Horizontale Fräsmaschinen

Wenn Ihr Werkstück länger oder schwerer ist, ist diese Version der Fräsmaschine sehr nützlich. Obwohl es sich um eine etwas ältere Version handelt, eignet sie sich am besten zum Bearbeiten längerer oder schwerer Teile. Sie werden keinen großen Unterschied im Arbeitsablauf feststellen. Sie können die horizontale Fräsmaschine im folgenden Bild sehen.

5-Achsen CNC-Fräsmaschinen

Diese Maschine ist für die Herstellung komplexer Teile mit hoher Präzision ausgelegt. Mit dieser Maschinenversion werden Teile wie Flugzeugteile hergestellt, die sehr hohen Sicherheitsstandards unterliegen. Die Schneidwerkzeuge können die Teile auf 5 Achsen bearbeiten, sodass auch die Produktionsrate hoch ist.

Universal- und Revolverfräsmaschinen

• Universalfräsmaschine: Das bewegte Schneidwerkzeug ermöglicht eine komplexe Konstruktion des ruhenden Werkstücks.
• Die Werkstückvorbereitung erfolgt durch ein feststehendes Schneidwerkzeug.

Schlüsselkomponenten einer CNC-Fräsmaschine

Zu den Kernkomponenten einer CNC Fräsmaschine zählen folgende Komponenten:

CNC-Bedienfeld

Wie Sie auf dem Bild sehen können, sind an diesem Teil Tasten angebracht. Mit diesen Tasten wird die Maschine gesteuert. Der rote Knopf beispielsweise dient dazu, die Maschine im Notfall anzuhalten.

Spindel

In der Spindel befinden sich jene Schneidwerkzeuge, die das Material aus dem Werkstück schneiden.

Werkzeughalter und automatische Werkzeugwechsler (ATC)

Werkzeughalter dienen – wie der Name schon sagt – zur Aufnahme unterschiedlicher Arten von Schneidwerkzeugen.

Dies sind zwei verschiedene Komponenten einer CNC-Fräsmaschine mit unterschiedlichen Funktionen. Werkzeughalter halten die Schneidwerkzeuge und der automatische Werkzeugwechsler (ATC) hilft beim automatischen Wechseln der Schneidwerkzeuge.

Werkstückhaltesysteme

Diese Systeme dienen dazu, das Werkstück festzuhalten und die Genauigkeit aufrechtzuerhalten.

Bedienung einer CNC-Fräsmaschine

Hier erfahren Sie mehr über einige wichtige Fräsoperationen:

Planfräsen

Dieses Verfahren wird für die Bearbeitung von flachen Werkstücken, Taschen usw. verwendet. Sie erhalten eine feine Oberflächenbeschaffenheit und enge Toleranzen. Die Funktionsweise ist die gleiche wie beim vertikalen CNC-Fräsen.

Normalfräsen

Der allgemeine Arbeitsablauf ist der gleiche wie beim Planfräsen. Der einzige Unterschied besteht in der Bewegung des Schneidwerkzeugs, die parallel zum Werkstück erfolgt. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, sollten Ihre Werkstücke ebene Flächen aufweisen.

Winkelfräsen

Bei diesem Vorgang steht die Spindel senkrecht zum Werkstück, aber ein Schneidwerkzeug wird schräg zum Werkstück platziert. Wenn Sie komplexe Formen, abgewinkelte Flächen, Rillen usw. herstellen möchten, müssen Sie einen Winkelfräsvorgang durchführen.

Formfräsen

Es hat jedoch eine Einschränkung: Es ist keine gute Wahl für die Produktion von Kleinserien. Es handelt sich um eine spezielle Art von CNC-Fräsverfahren, mit dem mithilfe rotierender Werkzeuge anspruchsvolle und konturierte Formen auf den Werkstücken erzeugt werden.

Schaftfräsen

Es handelt sich um ein vielseitiges Fräsverfahren zum Bearbeiten von Schlitzen, Schultern, Matrizenhohlräumen usw. Die Haupteinschränkung besteht darin, dass Schaftfräser sehr teuer sind.

Vorteile des CNC-Fräsens

Einige der wichtigsten Vorteile sind nachstehend aufgeführt:

1. Es handelt sich um ein kostengünstiges Herstellungsverfahren, da für die Bedienung der CNC-Fräsmaschine nicht viele Mitarbeiter eingestellt werden müssen.
2. CNC-Fräsen ist ein zuverlässiges Werkzeug zur Herstellung komplexer Teile ohne Fehlerrisiko aufgrund der Automatisierungsfunktion. Präzises CNC-Fräsen und kundenspezifische Werkzeugwegoptimierung sind die wichtigen Merkmale zur Herstellung kritischer Teile, z. B. Turbinenschaufeln
3. Da Sie bei der Bearbeitung des Werkstücks nicht körperlich in Kontakt sind, ist die Wahrscheinlichkeit einer Verletzung sehr gering.
4. Eine CNC-Fräsmaschine kann dank des CNC-Programms rund um die Uhr im Dauerbetrieb laufen. Der automatische Werkzeugwechsel (ATC) ist ein weiteres Merkmal, das diesen Vorteil mit sich bringt.
5. Um die CNC-Fräsmaschine funktionsfähig zu halten, genügt eine tägliche Reinigung und Kontrolle. Viel Wartung ist nicht nötig.
6. Die 5-Achsen-CNC-Fräsmaschine ist die fortschrittlichste Version der Fräsmaschine und wird für komplizierte, komplexe Teile verwendet.

Materialien der CNC-Fräsbearbeitung

Eine CNC-Maschine hat die Freiheit, mit jedem Material zu arbeiten; sie kann Verbundwerkstoffe, Metalle, Kunststoffe usw. mit höchster Genauigkeit bearbeiten.

CNC-Fräsen von Metallen

Harte und bearbeitbare Metalle wie Aluminium, kohlenstoffarmer Stahl, Edelstahl, Kupfer, Titan usw. lassen sich auf einer CNC-Maschine sehr leicht bearbeiten. Da die CNC-Maschine während der Bearbeitung Kraft auf die Werkstücke ausübt, können harte und spröde Metalle wie kohlenstoffreicher Stahl und martensitischer Stahl brechen. Aus diesem Grund sollten für bessere Ergebnisse nur harte und dehnbare Materialien gewählt werden.

CNC-Fräsen von Kunststoffen

Diese Kunststoffe sind für CNC-Fräsvorgänge geeignet und weisen eine geeignete Festigkeit für die Bearbeitung auf. Kunststoffe wie Polyvinylchlorid, Polyetheretherketon usw. sind duroplastische Kunststoffe und weisen eine geeignete Festigkeit für die Bearbeitung auf. Sie werden in der Industrie häufig zur Herstellung von Lagern und Kolbenteilen verwendet.

CNC-Fräsen vs. CNC-Drehen

Der Hauptunterschied zwischen Fräsen und Drehen liegt in der Form des Werkstücks. Weitere Unterschiede sind in der Tabelle aufgeführt:

Hauptunterschiede zwischen Fräsen und Drehen

Welches Verfahren ist für bestimmte Anwendungen besser?

Kundenspezifische Teile, Zahnräder und Spiralformen, flache Oberflächen, Taschen und Kanten, Schlitze und Passfedernuten usw. werden üblicherweise durch CNC-Fräsvorgänge hergestellt.

Bei zylindrischen Bauteilen müssen kegelförmige Flächen, Nutteile, Flanschteile usw. durch Drehbearbeitung bearbeitet werden.

Anwendungen von kundenspezifischen CNC-Fräsdiensten

Sie wissen, dass die CNC-Fräsmaschine sehr vielseitig ist und automatisch arbeitet. Deshalb wird sie in vielen wichtigen Branchen eingesetzt, in denen die Präzision der Produkte im Vordergrund steht.

Luft-und Raumfahrtindustrie

Wir wissen, dass in der Luft- und Raumfahrtindustrie sehr hohe Sicherheitsstandards gelten, da hier enorme Investitionen in Geld und Menschen direkt beteiligt sind. Für den maximalen Schutz von Leben und Geld sind höchste Präzision und enge Toleranzen erforderlich. Um die Standards der Luft- und Raumfahrt zu erfüllen, werden Teile wie Fahrwerke, Schotten, Flugzeugrahmen usw. auf einer CNC-Fräsmaschine hergestellt.

Automobilindustrie

In der Automobilindustrie geht es auch um die Sicherheit von Menschenleben. Deshalb werden hier sehr sorgfältig gefertigte Komponenten benötigt. Die Teile, die durch CNC-Fräsen hergestellt werden, sind Karosserieteile, Rahmenteile, Motorblöcke usw.

Medizinische und Gesundheitsanwendungen

Die Zuverlässigkeit der im medizinischen oder Gesundheitsbereich verwendeten Gegenstände ist sehr wichtig. Aus diesem Grund werden Zangen und Retraktoren, die in der Chirurgie, Orthopädie usw. verwendet werden, im CNC-Fräsverfahren hergestellt.

Konsumgüterherstellung

Heutzutage ist es aufgrund der Weiterentwicklung, z. B. 5-Achsen-CNC-Fräsmaschinen, üblich, in der Elektronikindustrie und in der Schmuckherstellung usw. eine CNC-Fräsmaschine zu verwenden.

Wie viel kostet das CNC-Fräsen?

Der Preis liegt zwischen 20 und 60 US-Dollar, hängt aber letztendlich natürlich von der Komplexität des Designs und dem Material ab.

Faktoren, die die CNC-Fräskosten beeinflussen

Wenn Sie CNC-Frästeile kaufen möchten, sollten Sie diese kostenbeeinflussenden Faktoren kennen.

Material- und Teilekomplexität

Wenn Sie sprödes Material haben, wird der Fräspreis hoch sein, da sprödes Material sehr schwer zu bearbeiten ist. Sprödes Material bricht katastrophal, daher müssen die Bediener sehr vorsichtig arbeiten, um die Integrität der Struktur zu bewahren.

Gleiches gilt für die Komplexität der Konstruktion. Der höhere Sorgfalts-, Zeit- und Energieaufwand führt zu höheren Kosten.

Produktionsvolumen und Vorlaufzeit

Wenn Sie eine Maschine auswählen, die in kürzerer Zeit ein höheres Volumen liefert als andere Versionen, ist Ihre Maschine perfekt. Um dieses Verhältnis zu verbessern, ist eine CNC-Maschine eine gute Option.

So schätzen Sie die Kosten für CNC-Fräsen

Wie bereits erwähnt, sind die Komplexität des Designs und das Material des Werkstücks die Hauptfaktoren, die den Preis bestimmen. Sie sollten diese Faktoren also ausreichend kennen, bevor Sie ein Budget usw. erstellen.

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Häufig gestellte Fragen (FAQs)

Ist CNC-Fräsen für die Produktion kleiner Stückzahlen geeignet?

Ja, aufgrund der Varianten- und Preisvielfalt von Fräsmaschinen ist sie für die Produktion von Kleinserien geeignet.

Wie genau ist CNC-Fräsen?

Es wird durch ein CNC-Programm gesteuert, was es zu einem sehr zuverlässigen und genauen Werkzeug für die Herstellung von Teilen mit engen Toleranzen macht, z. B. Motorblöcke, Turbinenschaufeln usw.

Was sind die Einschränkungen beim CNC-Fräsen?

Eine der Einschränkungen beim CNC-Fräsen besteht darin, dass für den Kauf dieser fortschrittlichen Maschinen hohe Investitionen erforderlich sind.