Was Du schon immer über das CNC Fräsen wissen wolltest

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Was ist CNC Fräsen und wie funktioniert es?

Neulich wurde ich von einem Freund gefragt, was denn dieses CNC Fräsen genau sei. Und wofür man das überhaupt braucht. Und welche Materialien kann man damit überhaupt bearbeiten? Nun, da ich mich recht viel mit CNC Fräsen beschäftigt habe, konnte ich Ihm etwas darüber erzählen. Und dann dachte ich mir, ich schreibe einfach einen Blogartikel über wichtige Fakten, die fast keiner über das CNC Fräsen weiß.

Fräsen ist wie 3D Drucken – nur umgekehrt!

Mit einer CNC Fräse sind die Möglichkeiten fast unbegrenzt. Fräsen ist auch ohne numerische Steuerung bereits ein sehr vielseitiges Fertigungsverfahren, mit wenig Einschränkungen bezüglich der erzeugbaren Werkstückgeometrien. In dieser Hinsicht ist es dem 3D-Druck ähnlich, nur dass beim Fräsen die Form durch Abtragen von Material entsteht während sie im 3D-Drucker sukzessive aufgebaut wird. Die koordinatengestützte Computersteuerung beim Fräsen erweitert nicht nur die Flexibilität des Verfahrens, sondern erhöht auch dessen Fertigungsgenauigkeit. Durch computergestütztes CNC Fräsen können wesentlich komplexere Teile hergestellt werden als dies bei konventionellem Fräsen möglich ist.

Fräsen ist wie Bohren – aber in 2 zusätzlichen Raumrichtungen!

CNC Fräsen

3D CNC Fräsen
DeckelMaho-DMU50e-MachiningCenter“. Lizenziert unter CC BY-SA 2.0 über Wikimedia Commons.

Aus der Sicht der Fertigungstechnik ist das Fräsen sehr eng verwandt mit dem Bohren. Bei beiden Verfahren führt das Werkzeug die Hauptbewegung aus, und zwar in Form einer Rotation. Beim Bohren erfolgt die Vorschubbewegung allerdings ausschließlich in Richtung der Drehachse, beim Fräsen dagegen vorwiegend senkrecht dazu. Wegen der großen Ähnlichkeit der Bearbeitungsverfahren kannst du mit Fräsmaschinen aber auch Bohren. Natürlich vorausgesetzt dass Du das richtige Werkzeug verwendest. Fräsen mit der Bohrmaschine sollte man übrigens nicht machen, da die Bohrspindel nur auf Kräfte in achsrichtung ausgelegt ist: Zum einen ist die Bohrspindel nicht steif genug für Querkräfte, zum andern wird der Antrieb wesentlich schneller verschleißen. Also lieber eine CNC Fräse hernehmen. Aber warum ist das CNC Fräsen so universell einsetzbar?

CNC Fräsen – Wie Du den richtigen Werkstoff einsetzt und genau fräst

Diese Werkstückkonturen lassen sich CNC fräsen

Durch die hohen Freiheitsgrade bei mehrachsigen CNC Fräsmaschinen können fast beliebige Werkstückgeometrien hergestellt werden:

  • Fräsen von rotationssymmetrischen Werkstücken
  • Zerspanen von quaderförmigen Werkstücken mit planparallelen Flächen
  • 3D Freiformflächen (wie z.B. bei Turbinenschaufeln oder Flugzeugtragflächen)
  • Fräsen von Zahnrädern
  • Fräsen von Nocken- und Kurbelwellen

Die Werkstückkontur bestimmst Du beim Fräsen nicht nur über die Vorschubbewegung, sondern auch durch die Form des Fräswerkzeugs:

  • Walzen- und Stirnfräser dienen vor allem zum Herstellen planer Flächen.
  • Formfräser erlauben die Fertigung von Nuten mit vorgegebenem Querschnitt, wie zum Beispiel einer Schwalbenschwanzform.
  • Der Fingerfräser eignet sich für das Fräsen hinterschneidungsfreier, aber sonst weitestgehend beliebiger dreidimensionaler Formen.

Alles weitere was Du schon immer über Fräser wissen wolltest, findest Du in folgendem Blogbeitrag: Grundlagen und Bauarten von Fräsern

Positionierung der Achsen bei einer CNC Fräsmaschine

Die Positionierung und der Vorschub der Hauptspindel erfolgt bei Fräsmaschinen grundsätzlich über Koordinaten, in einem rechtwinkligen, kartesischen Koordinatensystem. Das Bohren mit der Fräsmaschine ist daher mit der Bearbeitung auf einem Lehrenbohrwerk vergleichbar.
Beim CNC Fräsen ermittelt ein Computer die exakten Bewegungen der Hauptspindel im Koordinatensystem anhand der vom NC-Programmierer vorgegebenen Bearbeitungsschritte. Dies lässt eine genauere Steuerung der Vorschubbewegung zu, als das bei einer manuellen Steuerung möglich wäre. Der Computereinsatz erlaubt beispielsweise auch die Berücksichtigung komplexer Zusammenhänge zwischen der Werkzeuggeometrie und der zu fertigenden Kontur oder sogar die Korrektur der elastischen Deformationen von Werkstück und Werkzeug während der Bearbeitung sowie eine Werkzeugverschleißkompensation.

Welche Werkstoffe werden üblicherweise spanend bearbeitet?

Folgende Werkstoffe lassen sich üblicherweise ohne Einschränkung auf einer Fräse zerspanen:

  • Stahl, Stahlguss
  • Aluminium, Aluminiumguss
  • Kunststoffe
  • Titan
  • Holz
  • Edelmetalle (Gold, Silber)
  • Bronze
  • Messing

Diese Genauigkeit wird beim CNC Fräsen erreicht

Die Genauigkeit beim Fräsen ist abhängig von der Qualität der Maschine, von den eingestellten Zerspanungsparametern und vom eingesetzten Material. Unter idealen Bedingungen ist der Toleranzgrad IT6 und eine Oberflächenrauheit von Rz1,6 bei Metallen erreichbar. Hinweis: IT6 entspricht z.B. bei Durchmesser 6 einem Toleranzband von 8 µm. Hobbymaschinen sind normalerweise nicht so steif und bewgen sicht deshalb in einem Toleranzbereich von +/- 0,1 mm. Diese Genauigkeit ist jedoch häufig für Aufgaben im Modellbau ausreichend. Feinmechanische Baugruppen benötigen aber höhere Genauigkeiten (z.B. +/- 0,02 mm).

So funktioniert die Bahnregelung beim CNC Fräsen

Um die geringen Fertigungstoleranzen beim CNC Fräsen zu gewährleisten, ist eine genaue Berechnung der anzusteuernden Bahnpunkte, also der Sollwerte notwendig. Zusätzlich muss die vom Werkzeug tatsächlich erreichte Position stetig kontrolliert werden. Diese Istwerte lassen sich auf direktem und auf indirektem Weg ermitteln.

Die indirekte Messmethode wandelt die Vorschubbewegung des Werkzeugschlittens in eine Drehbewegung um, die relativ einfach zu erfassen ist. Es ist nur ein kompakter Drehgeber als Messwertaufnehmer erforderlich, der zum Beispiel direkt mit der Antriebsspindel des Werkzeugschlittens gekoppelt sein kann.

Für eine direkte Messung ist dagegen ein hinreichend genauer Maßstab längs der gesamten Bahn des Werkzeugschlittens und ein entsprechender Aufnehmer am Schlitten selbst notwendig. Ein wesentlicher Vorteil der direkten Messmethode ist allerdings die höhere Genauigkeit, da bei einer indirekten Messung durch die Umwandlung der Drehbewegung in die Längsbewegung des Schlittens zusätzliche Messungenauigkeiten ins Spiel kommen, zum Beispiel durch Verschleiß, durch elastische Verformungen der Spindel aufgrund der übertragenen Kräfte oder wenn die Spindel nicht völlig spielfrei arbeitet.

Fazit

Verschwende nicht Deine wertvolle Zeit und lasse komplexe Bauteile lieber gleich CNC fräsen.

Solltest Du keine hohen Anforderungen an die Genauigkeit haben, kannst Du Dir eine CNC Fräse auch selber kaufen. Hier gibt es ein paar Beispiele für gute Bausätze.

Mit einer eigenen CNC Fräse sind Deine Möglichkeiten fast unbegrenzt.

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