Im Kontext der Kleinserienfertigung ist es schwer, eine besser geeignete Technologie als die CNC-Bearbeitung zu finden. Sie bietet einen umfassenden Mix an Vorteilen, wie hohes Durchsatzpotenzial, Präzision und Wiederholgenauigkeit, eine breite Auswahl an Materialien und einfache Handhabung. Während fast jede Werkzeugmaschine numerisch gesteuert werden kann, bezieht sich die computergestützte numerische Bearbeitung typischerweise auf das mehrachsige Fräsen und Drehen.
Um mehr darüber zu erfahren, wie die CNC-Bearbeitung in der Einzelfertigung, der Kleinserienfertigung und dem Prototyping eingesetzt wird, sprach engineering.com mit Wayken Rapid Manufacturing, einem in Shenzhen ansässigen Produktionsservice zur Spezialanfertigung von Prototypen, über die Materialien, Technologien, Anwendungen und den Betrieb von CNC-Werkzeugmaschinen.
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Bild mit freundlicher Genehmigung von WayKen.
Materialien
Im Hinblick auf Materialien, ob in Blech-, Platten- oder Stangenform, stehen die Chancen gut, dass Sie diese maschinell bearbeiten können. Unter den Hunderten von Metalllegierungen und Kunststoffpolymeren, die maschinell bearbeitet werden können, werden Aluminium und technische Kunststoffe am häufigsten für die Prototypenbearbeitung verwendet. Kunststoffteile, die für die Serienproduktion entwickelt wurden, werden oft in der Prototypenphase bearbeitet, um die hohen Kosten und die Vorlaufzeiten des Formenbaus zu vermeiden.
Besonders wichtig beim Prototyping ist der Zugang zu einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien. Da verschiedene Materialien unterschiedliche Kosten und unterschiedliche mechanische und chemische Eigenschaften haben, kann es empfehlenswert sein, einen Prototyp aus einem billigeren Material zu schneiden als für das Endprodukt geplant. Oder ein alternatives Material kann dabei helfen, die Festigkeit, Steifigkeit oder das Gewicht eines Teils in Bezug auf sein Design zu optimieren. In einigen Fällen kann ein alternatives Material für einen Prototyp einen bestimmten Veredelungsprozess ermöglichen oder die Strapazierfähigkeit im Vergleich zu einem Serienteil erhöhen, um Prüfungsprozesse zu erleichtern.
Auch der umgekehrte Fall ist möglich, in dem kostengünstige Standardwerkstoffe technische Harze und Hochleistungs-Metalllegierungen ersetzen, wenn der Prototyp für einfache funktionale Anwendungen wie Passgenauigkeitstests oder Modellkonstruktionen verwendet wird.
CNC Metall und Kunststoff
Obwohl für die Metallbearbeitung entwickelt, können Kunststoffe mit dem richtigen Know-how und der entsprechenden Ausrüstung erfolgreich bearbeitet werden. Sowohl Thermoplaste als auch Duroplaste sind maschinell bearbeitbar und sehr kostengünstig im Vergleich zu Kleinserien-Spritzgussformen für Prototypenteile.
Kunststoffe
Im Vergleich zu Metallen schmelzen oder brennen die meisten Thermoplaste wie PE, PP oder PS, wenn sie mit den in der Metallbearbeitung üblichen Vorschüben und Geschwindigkeiten bearbeitet werden. Höhere Fräserdrehzahlen und niedrigere Vorschübe sind die Regel, und Schneidwerkzeug-Parameter wie der Spanwinkel sind entscheidend. Die Kontrolle der Wärme beim Schnitt ist unerlässlich, aber im Gegensatz zur Vorgehensweise bei Metallen werden typischerweise keine Kühlmittel zur Kühlung in den Schnitt gesprüht. Zur Reinigung der Späne kann Druckluft verwendet werden.
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Thermoplaste, insbesondere ungefüllte Varianten der Gebrauchsgutklasse, verformen sich beim Aufbringen der Schnittkraft elastisch, was es schwierig macht, eine hohe Genauigkeit zu erreichen und enge Toleranzen einzuhalten, insbesondere bei feinen Merkmalen und Details. Automobilbeleuchtung und Linsen sind besonders schwierige Bereiche.
Mit mehr als 20 Jahren Erfahrung in der CNC-Kunststoffbearbeitung ist Wayken auf optische Prototypen wie Linsen, Lichtleiter und Reflektoren im Bereich der Automobilanwendungen spezialisiert. Bei der Bearbeitung von transparenten Kunststoffen wie Polycarbonat und Acryl kann das Erreichen einer hohen Oberflächengüte während der Bearbeitung Bearbeitungsvorgänge wie Schleifen und Polieren reduzieren oder eliminieren. Die Mikrofeinbearbeitung mit der Einpunkt-Diamantbearbeitung (SPDM, Single Point Diamond Machining) kann eine Genauigkeit von weniger als 200 nm und eine Verbesserung der Oberflächenrauheit von weniger als 10 nm erreichen.
Metalle
Während Hartmetall-Schneidwerkzeuge häufig für härtere Materialien wie Stähle verwendet werden, kann es schwierig sein, die richtige Werkzeuggeometrie für das Schneiden von Aluminium in Hartmetallwerkzeugen zu finden. Aus diesem Grund werden häufig Schneidwerkzeuge aus Hochgeschwindigkeitsstahl (HSS, High Speed Steel) verwendet.
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Die CNC-Aluminiumbearbeitung ist eine der gängigsten Materialoptionen. Im Vergleich zu Kunststoffen wird Aluminium mit hohen Vorschüben und Geschwindigkeiten geschnitten und kann trocken oder mit Kühlmittel geschnitten werden. Es ist wichtig, die Aluminiumlegierung beim Schneide-Setup zu beachten. Beispielsweise sind 6000er-Serien sehr verbreitet und enthalten Magnesium und Silizium. Diese Legierungen bieten eine bessere Verarbeitbarkeit im Vergleich zu beispielsweise 7000er-Serien, die Zink als primären Legierungsbestandteil enthalten und eine höhere Festigkeit und Härte aufweisen.
Es ist auch wichtig, die Zustandsbezeichnung eines Aluminiumwerkstoffs zu beachten. Diese Bezeichnungen spezifizieren z. B. die Wärmebehandlung oder Kaltverfestigung, denen das Material unterzogen wurde, was die Leistung während der Bearbeitung und bei der Endnutzung beeinträchtigen kann.
CNC-Bearbeitungstechnologie
Die fünfachsige CNC-Bearbeitung ist teurer und komplexer als die dreiachsige Bearbeitung, aber sie gewinnt in der Fertigungsindustrie aufgrund mehrerer technologischer Vorteile an Bedeutung. So kann beispielsweise das Schneiden eines Teils mit doppelseitigen Merkmalen mit einer 5-Achsen-Maschine viel schneller gehen, da das Teil so fixiert werden kann, dass die Spindel im gleichen Arbeitsgang beide Seiten erreichen kann, während bei einer 3-Achsen-Maschine das Teil zwei oder mehr Aufspannungen erfordern würde. 5-Achsen-Maschinen können auch komplexe Geometrien und feine Oberflächengüten für die Feinbearbeitung herstellen, da der Winkel des Werkzeugs an die Form des Werkstücks angepasst werden kann.
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Neben Fräsen, Drehmaschinen und Drehzentren können auch Erodiermaschinen und andere Werkzeuge CNC-gesteuert werden. So sind beispielsweise CNC-Fräs- und Drehzentren sowie Draht- und Senkerodieren gängige Anwendungen. Für einen Fertigungsdienstleister können flexible Werkzeugmaschinenkonfiguration und Bearbeitungspraktiken die Effizienz steigern und die Bearbeitungskosten senken. Flexibilität ist einer der Hauptvorteile eines 5-achsigen Bearbeitungszentrums, und angesichts der hohen Anschaffungskosten der Maschinen ist die Motivation für Produktionsstätten hoch, sie möglichst rund um die Uhr am Laufen zu halten.
Präzisionsbearbeitung & Mikrofeinbearbeitung
Die Präzisionsbearbeitung umfasst Bearbeitungsvorgänge, die Toleranzen innerhalb von ±0,05 mm liefern, was besonders in der Automobil-, Medizinprodukte- und Flugzeugteilefertigung von Bedeutung ist.
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Die typische Anwendung der Mikrofeinbearbeitung ist die Einpunkt-Diamant-Bearbeitung (SPDM oder SPDT). Der Hauptvorteil der Diamantbearbeitung liegt bei Einzelfertigungsteilen mit hohen Bearbeitungsanforderungen, wie Formgenauigkeiten unter 200 nm sowie optimierte Oberflächenrauheiten unter 10 nm. Bei der Herstellung von optischen Prototypen wie z. B. transparenten Kunststoff- oder reflektierenden Metallteilen ist die Oberflächenbeschaffenheit von Formen ein wichtiger Faktor. Die Diamantbearbeitung ist eine Möglichkeit, mittels maschineller Bearbeitung eine hochpräzise und hochwertige Oberflächen zu erzeugen, insbesondere für PMMA, PC und Aluminiumlegierungen. Anbieter, die sich auf die Bearbeitung optischer Komponenten aus Kunststoffen spezialisiert haben, sind hochspezialisiert, bieten aber einen Service, der die Kosten im Vergleich zu Kleinserien- oder Prototypenformen drastisch senken kann.
Anwendungen
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Natürlich ist die CNC-Bearbeitung in allen Fertigungsindustrien zur Herstellung von Metall- und Kunststoff-Endprodukten und Werkzeugen weit verbreitet. Nach der Amortisation von Anschaffungskosten für Formen und Werkzeuge über eine große Anzahl von Teilen hinweg, sind im Bereich der Massenproduktion jedoch andere Verfahren wie Form-, Guss- oder Stanztechniken oft schneller und kostengünstiger als die spanende Bearbeitung.
Das ist ein Grund, warum CNC-Bearbeitungsservices ideal geeignet sind für Prototyping-Anwendungen.
CNC-Bearbeitung vs. 3D-Druck
Die CNC-Bearbeitung ist ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung von Prototypen aus Metallen und Kunststoffen, da sie im Vergleich zu einem Verfahren wie dem 3D-Drucken, Gießen, Formen oder anderen Fertigungstechniken, bei denen Gussformen, Pressformen und andere zusätzliche Schritte erforderlich sind, eine schnellere Durchlaufzeit aufweist.
Die Fähigkeit, eine digitale CAD-Datei auf Knopfdruck in ein reales Objekt zu verwandeln, wird von Anhängern des 3D-Drucks oft als ein wesentlicher Vorteil desselben bezeichnet. In vielen Fällen ist jedoch die CNC-Bearbeitung sogar dem 3D-Druck vorzuziehen.
Es kann mehrere Stunden dauern, bis jeder Bauabschnitt mit 3D-Druckteilen fertig gestellt ist, während die CNC-Bearbeitung nur Minuten dauert.
Beim 3D-Druck werden Teile in einzelnen Schichten hergestellt, was zu einer anisotropen Konsistenz des Bauteils führen kann, verglichen mit einem bearbeiteten Teil aus einem einzigen Materialstück.
Eine engere Auswahl an Materialien, die für den 3D-Druck zur Verfügung stehen, kann die Funktionalität eines gedruckten Prototyps einschränken, während ein bearbeiteter Prototyp aus dem gleichen Material wie das Endteil hergestellt werden kann. CNC-gefräste Prototypen können mit Endverbrauchs-Designmaterialien hergestellt werden, um die Funktionsprüfung und die technische Prüfung von Prototypen zu ermöglichen.
3D-gedruckte Merkmale wie Bohrungen, Gewindebohrungen, Gegenflächen und Oberflächenveredelung erfordern eine Nachbearbeitung, typischerweise mittels maschineller Bearbeitung.
Während der 3D-Druck als Fertigungstechnologie Vorteile bietet, bieten die heutigen CNC-Werkzeugmaschinen viele der gleichen Vorteile ohne die diversen Nachteile.
CNC-Maschinen mit schnellen Durchlaufzeiten können durchgehend, 24 Stunden am Tag, betrieben werden. Dies macht die CNC-Bearbeitung insbesondere wirtschaftlich für Kleinserien von Produktionsteilen, die eine Vielzahl von Bearbeitungsgängen erfordern.
Betrieb
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Da der Fertigungsmarkt in Richtung Individualisierung und Diversifizierung tendiert und das alte Paradigma der Einheitsgrößen-Massenproduktion hinter sich lässt, erweist sich die CNC-Bearbeitung als vielseitige Lösung, um Einzelfertigungsteile schnell und flexibel herzustellen. Es reicht jedoch nicht aus, nur CNC-Werkzeugmaschinen einzusetzen. Der Einsatz der Lean-Production-Methodik sowie Prozessoptimierung und die Kontrolle von Produktionskosten und Lieferketten werden einen ebenso wichtigen Einfluss auf die Produktivität haben. In der Kleinserienfertigung von Sonderteilen und Prototypen verstärken sich diese Effekte noch, da Setup-Änderungen häufiger auftreten und die Wahrscheinlichkeit der Abfallproduktion höher ist.
Um mehr über die CNC-Bearbeitung von Prototypen und Kleinserien zu erfahren, wenden Sie sich bitte an Wayken oder fordern Sie ein Angebot über deren Webseite an.
WayKen Rapid Manufacturing hat diesen Beitrag gesponsert. Sämtliche geäußerten Meinungen stammen von mir. — James Anderton
