Was ist eine CNC-Maschine?
Eine CNC-Maschine (Computer Numerical Control) ist eine Fertigungsmaschine, die anhand programmierter Befehle gesteuert wird, um präzise Schneid-, Bohr-, Dreh- oder andere Bearbeitungsvorgänge auszuführen. Anstatt auf manuelle Bewegungen zurückzugreifen, folgt die Maschine digitalen Werkzeugwegen, um die Position und Bewegung des Schneidwerkzeugs und des Werkstücks zu steuern.
CNC-Maschinen gibt es in verschiedenen Ausführungen, je nach Bearbeitungsverfahren, Anzahl der Achsen und Werkstückgeometrie. Zu den gängigsten Typen zählen CNC-Fräsmaschinen, CNC-Drehmaschinen und CNC-Bearbeitungszentren, wobei je nach Komplexitätsgrad 3-Achsen-, 4-Achsen- und 5-Achsen-Konfigurationen zum Einsatz kommen.
Die Wahl der richtigen CNC-Maschine hängt in erster Linie von der Teilegeometrie, erforderliche Merkmale, Werkstoff, Toleranz und Anzahl der Rüstvorgänge und nicht nur die Anzahl der Maschinenachsen.
CNC-Fräsen vs. CNC-Drehen
CNC-Fräsen und CNC-Drehen sind zwei der am häufigsten verwendeten CNC-Bearbeitungsverfahren, bei denen Material jedoch auf unterschiedliche Weise abgetragen wird.
CNC-Fräsen
Beim CNC-Fräsen dreht sich das Schneidwerkzeug, während das Werkstück auf dem Maschinentisch oder in einer Spannvorrichtung befestigt ist. Das Werkzeug bewegt sich entlang programmierter Achsen, um Material abzutragen und Strukturen wie Taschen, Nuten, Bohrungen, Stufen, Konturen und komplexe Oberflächen zu erzeugen.
Das CNC-Fräsen eignet sich besonders gut für:
- Prismatische und unregelmäßig geformte Teile
- Gehäuse und Halterungen
- Platten und Bauteile
- Teile mit mehreren Flächen oder sich überschneidenden Elementen
- Komplexe 3D-Geometrien
Je nach Maschinenkonfiguration kann das Fräsen mit 3, 4, 5 oder mehr Achsen durchgeführt werden.
CNC-Drehen
Beim CNC-Drehen dreht sich das Werkstück um seine Mittelachse, während sich ein Schneidwerkzeug gegen das Werkstück bewegt. Dadurch eignet sich das Drehen besonders gut zur Herstellung von rotationssymmetrischen Bauteilen mit gleichbleibenden Durchmessern.
CNC-Drehen wird üblicherweise für folgende Zwecke eingesetzt:
- Schächte
- Stifte
- Buchsen
- Abstandshalter
- Zylindrische Gehäuse
- Gewindebauteile
- Teile mit konzentrischen Merkmalen
Das Drehen ist in der Regel die effizientere Wahl, wenn die Hauptgeometrie rund, zylindrisch oder rotationssymmetrisch.
Wann sollte man fräsen und wann drehen?
Die Wahl hängt in erster Linie von der Geometrie des Bauteils ab.
| Anforderung | CNC-Fräsen | CNC-Drehen |
|---|---|---|
| Ebene Flächen | Ausgezeichnet | Begrenzt |
| Taschen und Fächer | Ausgezeichnet | Begrenzt |
| Komplexe Konturen | Ausgezeichnet | Begrenzt |
| Zylindrische Merkmale | Geeignet | Ausgezeichnet |
| Konzentrische Durchmesser | Geeignet | Ausgezeichnet |
| Themen | Möglich | Ausgezeichnet |
| Unregelmäßige Formen | Ausgezeichnet | Begrenzt |
Bei einigen Komponenten, Fräsen und Drehen werden kombiniert eingesetzt. Fräs-Dreh-Kombinationsmaschinen können beide Bearbeitungsvorgänge kombinieren, wenn ein Werkstück sowohl gedrehte als auch gefräste Merkmale aufweist, wodurch sich die Anzahl der Umrüstungen verringert.
Was ist ein CNC-Bearbeitungszentrum?
Ein CNC-Bearbeitungszentrum ist eine CNC-Maschine, die dafür ausgelegt ist, mehrere Bearbeitungsvorgänge in einer einzigen Aufspannung durchzuführen. Neben der gesteuerten Achsbewegung verfügen Bearbeitungszentren in der Regel über einen automatischen Werkzeugwechsel, wodurch verschiedene Schneidwerkzeuge für Bearbeitungsvorgänge wie Fräsen, Bohren und Gewindeschneiden eingesetzt werden können.
Die beiden gängigen Konfigurationen sind Vertikalbearbeitungszentren (VMCs) und Horizontalbearbeitungszentren (HMCs).
Vertikale Bearbeitungszentren
Ein vertikales Bearbeitungszentrum verfügt über eine vertikal ausgerichtete Spindel, wobei sich das Schneidwerkzeug dem Werkstück von oben nähert.
VMCs sind weit verbreitet, da sie folgende Vorteile bieten:
- Flexibler Zugang zum Werkstück
- Effiziente Einrichtung für viele verschiedene Teilearten
- Gute Sicht während der Bearbeitung
- Besonders gut geeignet für Prototypen und die Produktion in kleinen bis mittleren Stückzahlen
Sie werden häufig für Halterungen, Gehäuse, Platten, Befestigungsvorrichtungen und andere universell einsetzbare, maschinell bearbeitete Bauteile verwendet.
Horizontale Bearbeitungszentren
Bei einem horizontalen Bearbeitungszentrum ist die Spindel horizontal angeordnet, sodass das Schneidwerkzeug von der Seite auf das Werkstück zufahren kann.
Diese Konfiguration kann folgende Vorteile bieten:
- Teile, die an mehreren Seiten bearbeitet werden müssen
- Tiefe Taschen und Hohlräume
- Größere Produktionsmengen
- Anwendungen, bei denen der Spanabtransport eine wichtige Rolle spielt
Durch die Ausrichtung der Maschine können mehrere Oberflächen mit weniger Umrüstvorgängen bearbeitet werden, was bei geeigneten Teilen zu einer höheren Konsistenz und einer besseren Produktionseffizienz führt.
Was ist die 3-Achsen-CNC-Bearbeitung?
Die 3-Achsen-CNC-Bearbeitung ist die grundlegendste und am weitesten verbreitete Konfiguration der CNC-Bearbeitung. Das Schneidwerkzeug bewegt sich entlang dreier linearer Achsen – X, Y und Z –, um das Werkstück zu bearbeiten.
Die drei Achsen stehen typischerweise für:
- X-Achse: Bewegung von links nach rechts
- Y-Achse: Bewegung von vorne nach hinten
- Z-Achse: Auf- und Abbewegung
Eine 3-Achsen-Maschine kann eine Vielzahl von Bauteilen fertigen, sofern die erforderlichen Merkmale aus der verfügbaren Werkzeugrichtung zugänglich sind.
So funktioniert eine 3-Achsen-CNC-Steuerung
Bei der 3-Achsen-Bearbeitung bleibt das Werkstück feststehend, während sich das Schneidwerkzeug entsprechend der programmierten Werkzeugbahn entlang der X-, Y- und Z-Achse bewegt.
Bei Teilen mit Merkmalen auf mehreren Seiten muss das Werkstück möglicherweise zwischen den einzelnen Arbeitsschritten neu positioniert oder neu eingespannt werden. Daher ist die Rüstplanung bei komplexeren Bauteilen ein wichtiger Aspekt.
Die 3-Achs-Bearbeitung wird häufig bevorzugt, wenn die Werkstückgeometrie aus einer oder wenigen Werkzeugausrichtungen heraus effizient bearbeitet werden kann.
Typische Anwendungsbereiche
Die 3-Achsen-CNC-Bearbeitung wird üblicherweise eingesetzt für:
- Klammern
- Teller
- Einbände
- Gehäuse
- Spielplan
- Einfache Bauteile
- Teile mit zugänglichen Vertiefungen, Löchern und Konturen
Es ist besonders wirksam bei einfache Geometrien und kostenorientierte Fertigung, während komplexere, mehrseitige Teile von einer 4-Achs- oder 5-Achs-Bearbeitung profitieren können.
Was ist 4-Achsen-CNC-Bearbeitung?
Bei der 4-Achsen-CNC-Bearbeitung wird den drei linearen Achsen X, Y und Z eine Drehachse hinzugefügt. Die zusätzliche Achse ermöglicht die Drehung des Werkstücks oder des Schneidwerkzeugs, sodass die Maschine auf mehrere Seiten eines Bauteils zugreifen kann, ohne dass dieses vollständig aus der Spannvorrichtung entfernt werden muss.
So funktioniert eine 4-Achsen-CNC-Steuerung
Eine 4-Achsen-Maschine vereint in der Regel Linearbewegung in den Achsen X, Y und Z mit einer Drehbewegung der A-Achse um die X-Achse. Die Drehachse kann das Werkstück während der Bearbeitung neu positionieren, sodass Merkmale auf verschiedenen Seiten gefertigt werden können.
Im Vergleich zur 3-Achsen-Bearbeitung lässt sich bei der 4-Achsen-Bearbeitung die Anzahl der manuellen Umpositionierungsschritte für geeignete Werkstücke reduzieren. Dies ist besonders nützlich, wenn mehrere Merkmale rund um ein Bauteil bearbeitet werden müssen.
Wann sich die 4-Achsen-Bearbeitung lohnt
Die 4-Achsen-Bearbeitung kann sich gut für Bauteile eignen, die folgende Anforderungen erfüllen:
- Mehrseitige Bearbeitung
- Radiale Bohrungen oder Merkmale
- Elemente, die um eine zentrale Achse angeordnet sind
- Sich wiederholende Elemente um ein Bauteil herum
- Weniger manuelle Neupositionierungen
Sie bietet einen praktischen Mittelweg, wenn ein Werkstück komplexer ist als ein typischer 3-Achsen-Auftrag, jedoch keine gleichzeitigen, multidirektionalen Werkzeugbewegungen wie bei der 5-Achsen-Bearbeitung erfordert.
Was ist 5-Achsen-CNC-Bearbeitung?
Bei der 5-Achsen-CNC-Bearbeitung können sich das Schneidwerkzeug und das Werkstück entlang fünf Achsen bewegen, wobei drei Linearachsen mit zwei Drehachsen kombiniert werden. Dadurch kann das Werkzeug während eines Bearbeitungsvorgangs aus mehreren Richtungen an das Werkstück herangeführt werden.
Die genaue Konfiguration der Drehachsen variiert je nach Maschine, doch der grundlegende Vorteil ist derselbe: Es lassen sich weitere Werkzeugausrichtungen erzielen, ohne das Werkstück wiederholt neu positionieren zu müssen.
So funktioniert eine 5-Achsen-CNC-Steuerung
Eine 5-Achsen-Maschine vereint Linearbewegungen in den Achsen X, Y und Z sowie zwei zusätzliche Drehbewegungen. Durch diese aufeinander abgestimmten Bewegungen kann das Schneidwerkzeug eine geeignete Ausrichtung relativ zu komplexen Oberflächen beibehalten.
Im Gegensatz zur einfachen 3-Achs-Bearbeitung kann bei der 5-Achs-Bearbeitung der Werkzeugwinkel kontinuierlich verändert werden, während ein komplexer Werkzeugweg abgefahren wird. Dadurch lassen sich Strukturen bearbeiten, für die andernfalls mehrere Rüstvorgänge oder spezielle Spannvorrichtungen erforderlich wären.
Vorteile der 5-Achsen-Bearbeitung
Komplexe Geometrien
Die 5-Achs-Bearbeitung eignet sich besonders gut für Bauteile mit tiefe Hohlräume, schräge Flächen, zusammengesetzte Kurven und Merkmale, die aus einer einzigen Richtung nur schwer zu erreichen sind.
Durch die zusätzliche Drehbewegung kann das Schneidwerkzeug diese Merkmale aus geeigneten Winkeln anfahren.
Weniger Einrichtungsschritte
Ein komplexes Bauteil erfordert unter Umständen mehrere Ausrichtungen auf einer 3-Achsen-Maschine. Bei der 5-Achsen-Bearbeitung lassen sich viele dieser Ausrichtungen innerhalb derselben Aufspannung bearbeiten.
Weniger Rüstvorgänge können Folgendes reduzieren:
- Einrichtungszeit
- Änderungen an der Werkstückspannung
- Ausrichtungsfehler
- Manueller Eingriff
Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn mehrere Elemente enge Positionsbeziehungen zueinander einhalten müssen.
Verbesserte Barrierefreiheit
Durch die zusätzlichen Achsen kann sich das Schneidwerkzeug den Werkstückmerkmalen aus verschiedenen Richtungen nähern, wodurch der Zugang zu Bereichen verbessert wird, die bei einer herkömmlichen 3-Achsen-Maschine möglicherweise nicht erreichbar sind.
Dadurch können in manchen Anwendungsfällen auch kürzere Werkzeuge eingesetzt werden, was zu einer höheren Bearbeitungsstabilität bei der Bearbeitung tiefer oder komplexer Strukturen beiträgt.
Was ist die 7-Achsen-CNC-Bearbeitung?
Die 7-Achsen-CNC-Bearbeitung kombiniert mehrere Linear- und Drehbewegungen und bietet dadurch eine größere Bewegungsfreiheit als herkömmliche 3-, 4- oder 5-Achsen-Maschinen. Die genaue Konfiguration variiert je nach Maschine und kann eine mehrachsige Bearbeitungsspindel mit zusätzlichen Dreh- oder Gelenkbewegungen kombinieren.
7-Achsen-Systeme bieten nicht einfach nur "zwei zusätzliche Achsen", sondern sind darauf ausgelegt, mehrere Bewegungen zu koordinieren, um komplexe Merkmale zu bearbeiten und die Werkzeugausrichtung zu optimieren.
Wodurch sich 7-Achsen-Maschinen auszeichnen
Der Hauptunterschied liegt in der Maschine, die größerer Bewegungsumfang bei koordinierten Bewegungen.
Ein 7-Achsen-System bietet folgende Vorteile:
- Flexiblere Werkzeugpositionierung
- Besserer Zugang zu anspruchsvollen Elementen
- Weniger Repositionierungsvorgänge
- Mehr Freiheit bei der Bearbeitung komplexer Geometrien
Zusätzliche Achsen erhöhen jedoch auch die Komplexität der Maschine, den Programmieraufwand, die Anforderungen an die Einrichtung sowie die Gesamtkosten der Anlage.
Typische Anwendungsbereiche und Einschränkungen
Die 7-Achsen-Bearbeitung ist in der Regel speziellen Bauteilen vorbehalten, bei denen die erforderliche Zugänglichkeit oder Bewegungsfreiheit mit herkömmlicher mehrachsiger Bearbeitung nicht effizient gewährleistet werden kann.
Zu den typischen Anwendungsbereichen zählen unter anderem:
- Komplexe Bauteile für die Luft- und Raumfahrt
- Teile für Turbinen und Laufräder
- Komponenten mit ausgeprägten Konturen
- Spezialisierte Roboter- oder Gelenkkomponenten
- Teile, die eine umfangreiche Bearbeitung in mehrere Richtungen erfordern
Für viele herkömmliche CNC-Teile ist eine 7-Achsen-Fähigkeit nicht erforderlich. Das Ziel besteht nicht darin, die größtmögliche Anzahl an Achsen zu nutzen, sondern die einfachste Maschinenkonfiguration auszuwählen, mit der sich die gewünschte Geometrie und Qualität effizient herstellen lässt.
3-Achsen- vs. 4-Achsen- vs. 5-Achsen- vs. 7-Achsen-CNC
| Merkmal | 3-Achsen-CNC | 4-Achsen-CNC | 5-Achsen-CNC | 7-Achsen-CNC |
|---|---|---|---|---|
| Grundlegende Bewegung | X, Y, Z | X-, Y-, Z-Achse + 1 Drehachse | X, Y, Z + 2 Drehachsen | Mehrere lineare und rotierende Achsen |
| Teilzugriff | In der Regel jeweils nur eine Werkzeugausrichtung | Verbesserter Zugang von mehreren Seiten | Zugang aus mehreren Richtungen | Äußerst flexibler, in alle Richtungen möglicher Zugriff |
| Komplexität der Bauteile | Einfach bis mäßig komplex | Mäßig | Komplex bis sehr komplex | Hochspezialisiert und komplex |
| Typische Konfigurationen | Mehr für mehrseitige Teile | Weniger als 3 Achsen | Oft deutlich reduziert | Kann die Neuausrichtung geeigneter Teile minimieren |
| Werkzeugausrichtung | Begrenzt | Verbessert durch rotierende Positionierung | Werkzeugausrichtung aus mehreren Blickwinkeln | Äußerst flexibel |
| Am besten geeignet für | Platten, Halterungen, Gehäuse, Grundtaschen und Konturen | Teile mit Merkmalen an mehreren Seiten oder Achsen | Komplexe Oberflächen, tiefe Strukturen, vielseitige Bauteile | Spezielle komplexe Geometrien |
| Programmierkomplexität | Unter | Mäßig | Höher | Hoch |
| Komplexität der Maschine | Unter | Mäßig | Hoch | Sehr hoch |
| Flexibilität in der Produktion | Hoher Anteil an Standardteilen | Höher bei mehrseitigen Teilen | Hoch bei komplexen Bauteilen | Spezialisiert |
| Typisches Kostenniveau | Unter | Mäßig | Höher | Höchster |
| Wenn es sinnvoll ist | Die Geometrie ist mit Standard-Werkzeugausrichtungen zugänglich | Zusätzliche Drehzugänge steigern die Effizienz | Komplexe Geometrien oder mehrere Aufspannungen rechtfertigen eine mehrachsige Bearbeitung | Eine spezielle Geometrie erfordert umfangreiche, aufeinander abgestimmte Bewegungen |
Mehr Achsen bedeuten nicht automatisch eine bessere Bearbeitung. Die geeignete Konfiguration hängt von der Geometrie, der Zugänglichkeit, den Toleranzanforderungen, dem Produktionsvolumen und der wirtschaftlichen Gesamtrentabilität der Fertigung des Bauteils ab.
Wie wählt man die richtige CNC-Maschine für ein Bauteil aus?
Die Wahl der richtigen CNC-Maschine sollte sich nach den Fertigungsanforderungen des Werkstücks richten und nicht lediglich nach der maximalen Anzahl an Achsen, über die eine Maschine verfügt.
Berücksichtigen Sie die folgenden Faktoren:
Teilgeometrie
Einfache prismatische Bauteile erfordern möglicherweise nur eine 3-Achsen-Bearbeitung, während Teile mit mehreren schrägen Flächen, tiefen Aussparungen oder komplexen Konturen von einer 4- oder 5-Achsen-Bearbeitung profitieren können.
Barrierefreiheit der Funktionen
Überlegen Sie, aus wie vielen Richtungen das Schneidwerkzeug an das Werkstück herangeführt werden muss. Wenn wichtige Merkmale mit Standardwerkzeugausrichtungen nicht effizient erreicht werden können, können zusätzliche Drehachsen gerechtfertigt sein.
Anzahl der Aufbauten
Wenn ein Bauteil wiederholt neu positioniert werden muss, kann eine 4- oder 5-Achsen-Maschine den Rüstaufwand verringern und die Konsistenz verbessern.
Toleranzanforderungen
Bei Bauteilen mit streng kontrollierten Beziehungen zwischen mehreren Merkmalen kann sich eine geringere Anzahl von Rüstvorgängen als vorteilhaft erweisen, da durch die Reduzierung der Neupositionierung potenzielle Ausrichtungsabweichungen verringert werden können.
Produktionsvolumen
Bei höheren Produktionsmengen kann die Investition in eine leistungsfähigere Maschine sinnvoll sein, wenn dadurch die Rüstzeit und die Bearbeitungszykluszeit verkürzt werden. Bei einfacheren Bauteilen kann jedoch eine Maschine mit weniger Achsen die wirtschaftlichere Wahl bleiben.
Teileabmessungen und Werkstoff
Auch der Arbeitsbereich der Maschine, die Spindelleistung, die Werkstückspannung und die Zerspanbarkeit des Werkstoffs müssen auf das Bauteil abgestimmt sein. Eine leistungsstarke Mehrachsenmaschine nützt nichts, wenn das Werkstück ihren Arbeitsbereich überschreitet oder die Maschine für den Werkstoff ungeeignet ist.
Ein praktischer Leitfaden zur Auswahl
Der beste Ansatz für die CNC-Bearbeitung besteht in einem ausgewogenen Verhältnis zwischen Maschinenkapazität, Werkstückgeometrie, Präzision, Einrichtungsanforderungen, Produktionsvolumen und Kosten. Als erfahrener Partner für die CNC-Bearbeitung, Dakings Rapid prüft jedes Bauteil sowohl aus technischer als auch aus produktionstechnischer Sicht, um die effizienteste Fertigungslösung zu ermitteln. Von der 3- und 4-Achsen-Bearbeitung bis hin zur 5-Achsen-Bearbeitung und speziellen CNC-Verfahren wählen wir den richtigen Ansatz, um die geforderte Qualität und Präzision zu erreichen und gleichzeitig die Produktionseffizienz, die Durchlaufzeit und die Kosten zu optimieren.
