EUMetall-CNC-Bearbeitung: Werkstoffauswahl, Überlegungen & Anwendungen
- Geschrieben von: Gavin Leo
- Aktualisiert von: CoCo
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Die Wahl des geeigneten Metallwerkstoffs ist bei CNC-Bearbeitungsvorgängen von entscheidender Bedeutung. Diese wichtige Entscheidung beeinflusst direkt fünf zentrale Leistungsfaktoren: Bearbeitbarkeit, Kosteneffizienz, mechanische Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und letztendlich die Funktionalität Ihres Endprodukts.
Bei Aria Precision Manufacturing haben wir bereits Tausende von Metallkomponenten in unterschiedlichsten Branchen erfolgreich verarbeitet und dabei umfangreiche Expertise in der Materialoptimierung aufgebaut.
Wenn Sie mit dem CNC-Bearbeitungsprozess von Metall noch nicht vertraut sind und nicht wissen, welche Materialien Sie für Ihr Projekt wählen sollen, nehmen Sie sich bitte ein paar Minuten Zeit, um diesen Artikel zu lesen, der Ihnen helfen soll, eine kluge Entscheidung zu treffen.
Was ist CNC-Metallbearbeitung?
Die CNC-Metallbearbeitung (Computer Numerical Control) ist das Verfahren zum Abtragen von Material von Metallrohlingen mithilfe von Präzisionsschneidwerkzeugen an einer automatisierten Maschine wie einer Dreh- oder Fräsmaschine. Eine CNC-Maschine ermöglicht die Herstellung präziser Teile mit engen Toleranzen, gleichbleibend und effizient.
Wie funktioniert die CNC-Metallbearbeitung?
Zeichnungsentwurf
Der erste Schritt im Bearbeitungsprozess. Er kann von einer groben Handskizze bis zu einer vollständigen technischen Zeichnung reichen. Er sollte alle erforderlichen Maße und Toleranzen für das Bauteil enthalten. Alternativ kann er auch mit CAD-Software (Computer-Aided Design) modelliert werden.
DFM
Bei der fertigungsgerechten Konstruktion wird die Konstruktion daraufhin überprüft, ob sie maschinell bearbeitbar ist, und gegebenenfalls Anpassungen vorgenommen, um die Effizienz des Fertigungsprozesses zu steigern, z. B. durch Reduzierung der erforderlichen Werkzeugwechsel.
Materialauswahl
Die Materialauswahl hängt von den Anforderungen an Gewicht, Kosten, Korrosionsbeständigkeit, Zugfestigkeit und dem Anwendungsbereich des Bauteils ab. Das gewählte Material ist ein Schlüsselfaktor für den Fertigungsprozess und die Wirtschaftlichkeit des Bauteils. Am häufigsten werden unlegierte und gehärtete Stähle, Messing, Aluminium und Edelstahl verwendet.
Maschinenauswahl
Die Maschinenauswahl hängt maßgeblich von der Komplexität des jeweiligen Werkstücks ab. Für runde und weniger komplexe Teile wird üblicherweise eine CNC-Drehmaschine eingesetzt. Für komplexere Teile kommt hingegen eine CNC-Fräsmaschine zum Einsatz, wobei für die Bearbeitung noch komplexerer Geometrien auch 4- oder 5-Achs-Maschinen erhältlich sind.
Programmierung
Die CNC-Programmierung erfolgt am häufigsten mithilfe von CAD/CAM (Computer-Aided Design/Computer-Aided Manufacturing). Die Werkzeugwege werden anhand einer CAD-Datei des 3D-Modells programmiert, wobei der Bediener die Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe der CNC-Maschine einstellt. Anschließend werden die Daten im G-Code-Format gespeichert, damit die Maschine sie verarbeiten kann.
Maschineneinrichtung
Die Maschineneinrichtung umfasst das Spannen des Metallrohlings, das Einrichten der Werkzeuge und die Werkstücknullpunkte. Simulationen können in der CAD/CAM-Software und auf der CNC-Maschine (abhängig von Marke und Alter der Maschine) durchgeführt werden, um einen sicheren und effizienten CNC-Bearbeitungsprozess zu gewährleisten.
Maschinenbearbeitung
Sobald die CNC-Maschine eingerichtet ist, beginnt der Bearbeitungsprozess. Die CNC-Maschine führt die programmierten Werkzeugwege aus und entfernt das Material durch Drehen, Fräsen, Bohren oder Gewindeschneiden. Während des gesamten Bearbeitungsprozesses können Messungen durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass das Werkstück innerhalb der Toleranzen bleibt.
Oberflächen- und Toleranzprüfung
Dies ist die letzte Phase des CNC-Bearbeitungsprozesses. Die Teile werden mit Präzisionsmessgeräten wie Messschiebern, Mikrometern, Koordinatenmessgeräten und Oberflächenrauheitsmessgeräten geprüft, um sicherzustellen, dass das Teil alle Fertigungsanforderungen erfüllt.
Zu den Arten CNC-Bearbeitungsprozess für Metalle
Fräsen
CNC-Fräsen ist das Verfahren zur Materialabtragung mittels eines rotierenden Schneidwerkzeugs. Zum Werkzeugmaterial gehören beispielsweise Schaftfräser, Planfräser, Gewindefräser und Bohrer. Eine CNC-Fräsmaschine kann komplexe Geometrien bearbeiten und sich entlang mehrerer Achsen bewegen. Üblicherweise verfügen CNC-Fräsmaschinen über drei bis fünf Achsen, wobei Fünf-Achs-Maschinen deutlich komplexere Teile in weniger Arbeitsgängen fertigen können als Drei-Achs-Maschinen.
Drehung
Drehen ist ein CNC-Bearbeitungsverfahren, bei dem sich das Werkstück dreht, während das Werkzeug stationär bleibt. Dies geschieht auf einer CNC-Drehmaschine und eignet sich ideal für runde Teile wie Wellen, Lagerschalen, Buchsen und Kegel. Der Prozess wird mit sehr hoher Präzision durchgeführt, wobei Werkzeuge wie Außendrehwerkzeuge mit Wendeschneidplatten (z. B. TNMG oder WNMG), Innendrehwerkzeuge wie Ausdrehstangen sowie Gewindeschneid- und Einstichwerkzeuge für Innen- und Außendrehung zum Einsatz kommen.
Bohren
Bohren ist das Verfahren zur Herstellung runder Löcher durch Einführen eines Bohrers in ein Werkstück. Es wird sowohl auf CNC-Fräsmaschinen als auch auf CNC-Drehmaschinen eingesetzt. Auf der Fräsmaschine rotiert der Bohrer, während er auf der Drehmaschine stillsteht. Für CNC-Maschinen gibt es viele verschiedene Bohrertypen, wie z. B. U-Bohrer für größere Löcher, Wendeschneidplattenbohrer für mittlere Löcher, Vollhartmetallbohrer für kleinere Löcher und HSS-Bohrer (Hochgeschwindigkeitsstahl) als langsamere, aber kostengünstigere Lösung für die Bearbeitung kleiner bis mittlerer Löcher.
Schleifen
Beim Schleifen werden mit einer Schleifscheibe sehr feine und präzise Metalloberflächen erzielt. Das Schleifen ermöglicht extrem enge Toleranzen bei minimalem Materialabtrag. Es eignet sich hervorragend für Fertigteile wie Parallelblöcke und Messgeräte wie Endmaße.
EDM-Bearbeitung
Die Funkenerosion (EDM) nutzt kontrollierte elektrische Funken zwischen einer Elektrode und dem Werkstück, um Material abzutragen. Sie eignet sich ideal für harte Werkstoffe und sehr komplexe Formen, die mit herkömmlichen Schneidwerkzeugen und Maschinen nicht realisierbar sind. EDM-Maschinen ermöglichen die Herstellung extrem glatter Oberflächen mit hochpräzisen Bauteilen.
Welche Metallwerkstoffe werden üblicherweise bei der CNC-Bearbeitung verwendet?
Metallische Werkstoffe werden am häufigsten in der Fertigungsindustrie eingesetzt, wobei Stahl, Aluminium, Edelstahl und Messing die am häufigsten für die CNC-Bearbeitung verwendeten Metalle sind.
Die Wahl des Metalls hat einen großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Bauteils, die Oberflächenbeschaffenheit, die Gesamtkosten und den Werkzeugverschleiß und kann je nach den für das Bauteil erforderlichen spezifischen Eigenschaften variieren.
Aluminium
Aluminium ist aufgrund seiner guten mechanischen Eigenschaften eines der am häufigsten verwendeten Metalle in der CNC-Bearbeitung. Es ist leicht, korrosionsbeständig und weist eine hohe Dimensionsstabilität auf. Zudem lässt es sich angenehm bearbeiten, da sich Teile mit hoher Geschwindigkeit, minimalem Werkzeugverschleiß und leicht zu entfernenden Spänen bearbeiten lassen.
Messing
Messing findet breite Anwendung bei Armaturen, Buchsen, Ventilen und elektrischen Bauteilen. Es lässt sich sehr gut bearbeiten und ermöglicht die Serienfertigung mit minimalem Werkzeugverschleiß und hoher Maßstabilität der bearbeiteten Teile.
Stahl
Stahl ist aufgrund seiner hohen Festigkeit und Vielseitigkeit weit verbreitet und geschätzt. Er eignet sich für eine breite Palette industrieller Präzisionsteile. Baustähle wie 1020 und 1045 sind ideal für Standardbauteile wie Wellen und Halterungen. Metalllegierte Stähle wie 4140 und 4340 bieten eine bessere Verschleißfestigkeit und höhere Zähigkeit und sind daher eine ausgezeichnete Wahl für Werkzeuge, den Bergbau und tragende Bauteile.
Edelstahl
Edelstahl ist eine ausgezeichnete Wahl, wenn Langlebigkeit und Korrosionsbeständigkeit gefragt sind. Stahlsorten wie 304 und 316 werden häufig in der Schifffahrt, der Lebensmittelindustrie und der Medizintechnik eingesetzt. 17-4 PH hingegen bietet eine hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit und eignet sich daher für Branchen wie die Luft- und Raumfahrt sowie die Verteidigungsindustrie.
Baustahl
Aufgrund seiner Festigkeit und seines günstigen Preises eignet es sich hervorragend für allgemeine Bauteile und wird wegen seiner Dimensionsstabilität und Bearbeitungsbeständigkeit weltweit in der CNC-Metallbearbeitung eingesetzt. Seine geringe Korrosionsbeständigkeit macht es zudem zu einem guten Metall für Schweiß- und Fertigungsarbeiten.
Kupfer
Kupfer ist aufgrund seiner elektrischen und thermischen Leitfähigkeit ein geschätztes Material für die CNC-Bearbeitung. Es wird häufig für Bauteile wie Wärmetauscher, elektrische Anschlüsse und spezielle Industrieteile verwendet. Aufgrund seiner Weichheit und der mitunter schlechten Spanabfuhr kann die Bearbeitung von Kupfer jedoch recht schwierig sein.
Titan
Titan wird aufgrund seiner beeindruckenden Härte, seines geringen Gewichts und seiner Korrosionsbeständigkeit bevorzugt. Dank seines hervorragenden Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses eignet es sich ideal für Branchen wie die Luft- und Raumfahrt, die Medizintechnik und die Automobilindustrie. Aufgrund seiner Härte und des damit verbundenen Werkzeugverschleißes zählt es zu den am schwierigsten zu bearbeitenden Metallen. Zudem ist es relativ teuer.
Leitfaden für die CNC-Metallbearbeitung
Die Unterschiede Zwischen Metallbearbeitung und Fertigung?
| Prozess | Metallbearbeitung | Metallverarbeitung |
| Kosten | Teuer | Günstiges |
| Werkzeugbau | CNC-Drehmaschinen, Fräsmaschinen und Bohrmaschinen | Biegemaschinen, Pressen, Säge- und Schweißmaschinen |
| Präzision und Genauigkeit | Hoch | Niedrig |
| Produktionsgeschwindigkeit | langsam | Schnell |
| Projektkomplexität | Hoch | Niedrig |
FQAs
F: Was ist der Vorteil der CNC-Bearbeitung?
A: Die Fähigkeit, komplexe und präzise Teile mit kurzer Bearbeitungszeit herzustellen und komplexe Geometrien zu bearbeiten.
F: Wie genau ist die CNC-Bearbeitung?
A: CNC-Maschinen können typischerweise Toleranzen von ±0.01 mm bis ±0.05 mm einhalten, wobei High-End-Maschinen sogar noch engere Toleranzen ermöglichen.
F: Ist CNC-Bearbeitung teuer?
A: Die Kosten hängen vom verwendeten Material, der Maschinenlaufzeit, den Toleranzen, der Komplexität des Auftrags und den zur Fertigung des Teils benötigten Maschinen ab. Ein einfacheres Teil kann bei der CNC-Bearbeitung teuer sein, während ein komplexeres Teil, das höhere Präzision erfordert, kostengünstiger sein kann.
Q.Wie lasse ich ein Teil per CNC-Fräse bearbeiten?
A: Ein Teil kann entweder einer Werkstatt zur Bearbeitung übergeben werden, eine Zeichnung kann bereitgestellt werden oder es kann sich um eine CAD-Datei in Form von STEP-, IGES- oder STL-Dateien handeln.