Bei der CNC Zerspanung (CNC steht für Computer Numerical Control) handelt es sich um eine sogenannte subtraktive Fertigungstechnologie. Es wird also Material von einem Rohling entfernt, um das gewünschte Endergebnis zu erhalten.
Im Gegensatz dazu gibt es seit einigen Jahren die Möglichkeit der additiven Fertigung durch 3D-Druck. Sehr verbreitet ist auch die klassische formgebende Technologie, wie sie beim Spritzguss zur Anwendung kommt. Die CNC-Zerspanung ist (wie auch der 3D-Druck) eine digitale Fertigungstechnik, mit der sich Werkstücke extrem präzise anfertigen lassen.
Die Materialeigenschaften sind je nach Ausgangsstoff hervorragend, weswegen das Verfahren auch für sehr anspruchsvolle Produkte aus der Luft- und Raumfahrtindustrie geeignet ist. CNC-Maschinen arbeiten weitgehend automatisiert, wodurch sowohl Einzelanfertigungen als auch größere Stückzahlen rentabel realisiert werden können.
Ein großer Vorteil dabei ist die perfekte Reproduktion der Vorgaben, die in der für die Herstellung benötigten CAD-Datei definiert sind. Sie enthält alle Informationen zum zwei- oder dreidimensionalen Werkstück.
Vom Entwurf bis zur CNC-Zerspanung
Zunächst wird mit einem CAD-Programm eine Datei erstellt, die ein 2D- oder 3D-Modell des Produkts enthält, das mit der CNC-Zerspanung hergestellt werden soll. Diese Daten werden anschließend in ein mit der CNC-Maschine kompatibles Format exportiert und ins Fertigungsprogramm integriert. Die Bearbeitung wird nach Einrichtung des Programms weitgehend automatisch durchgeführt und erfordert lediglich einen geringen Überwachungsaufwand.
Die CNC-Fräse entfernt mithilfe diverser Schneid- und Fräswerkzeuge das überschüssige Material, ähnlich wie ein Bildhauer den Marmorblock bearbeitet. Fast alle Ausgangsmaterialien eignen sich für die CNC-Zerspanung. In der Regel dienen Metalle wie Aluminium, Edelstahl oder Messing als Grundlage für das Werkstück; doch auch Kunststoffe, Holz und Verbundwerkstoffe wie Carbon lassen sich mit dieser Technologie bearbeiten. Theoretisch gibt es keine Materialbeschränkung, sofern das zu bearbeitende Teil weicher ist als das eingesetzte Zerspanungs-Werkzeug.
Der Rohling wird mit einem Schraubstock oder ähnlichen Befestigungsmechanismen auf dem Maschinentisch fixiert. Der CNC-Schneidkopf bewegt sich automatisch in mehreren Achsen um den Rohling herum und trägt das Material ab. Je nach Objekt kann eine CNC-Maschine bohren, drehen, schneiden, fräsen oder auch schleifen.
Die meisten CNC-Maschinen verfügen über drei bewegliche Achsen, doch für spezielle Anwendungen gibt es auch Multiachsen-Maschinen sowie Anlagen, bei denen der Rohling selbst ebenfalls bewegt und verdreht werden kann. Zu den CNC-Maschinen zählen übrigens nicht nur Geräte mit mechanischen Schneidwerkzeugen, sondern auch Laserschneider, Plasmaschneider und ähnliche Maschinen.
Das Verfahren zur Zerspanung ist älter als man glaubt
Da die CNC-Zerspanung die manuelle Zerspanung immer weiter verdrängt, wird häufig übersehen, dass das Zerspanen von Werkstücken bereits in der Antike bekannt war. Drehmaschinen für die Bearbeitung von Metall und Holz gab es damals schon, wobei diese natürlich manuell betrieben wurden.
Die ersten rein mechanischen Zerspanungsapparate kamen mit der Erfindung der Dampfmaschine im 18. Jahrhundert auf. Programmieren lassen sich Zerspanungsmaschinen seit Ende der 1940er Jahre. Damals mussten die Bewegungen noch mühsam mit Lochkarten programmiert werden, was den Einsatz des Verfahrens sehr umständlich und teuer machte.
Die CNC-Bearbeitung, wie wir sie heute kennen, wurde mit den Fortschritten in der Computertechnik und der Robotik in den 50er bis 70er Jahren perfektioniert. Heute liefert die CNC-Zerspanung schnelle, präzise und zuverlässige Ergebnisse, die auch von der Kostenkalkulation her attraktiv sind. Besonders bei der Schilderherstellung ist die CNC-Fräse bei der Bearbeitung von Metallen, Kunststoffen und Verbundwerkstoffen sehr effizient.
Vorteile der CNC-Fertigung:
- Bewährtes Herstellungsverfahren
- Gut geeignet für die Serienfertigung
- Je nach Ausgangsmaterial sehr langlebige Produkte
- Sehr effizient und präzise bei Einhaltung enger Toleranzen
- hervorragende Materialeigenschaften
- kurze Bearbeitungszeiten
- Eignung für Einzelstücke oder Prototypen
- Ideales Verfahren für kleine und mittlere Auflagen von Produkten
Technisch bedingte Einschränkungen von CNC-Konstruktionen
Dreiachsen-CNC-Fräsen sind am häufigsten zu finden. Sie eignen sich für eine Vielzahl geometrischer Anfertigungen, lassen sich vergleichsweise einfach programmieren und erzeugen keine allzu hohen Anlaufkosten für den Kunden. Allerdings kann es bei der Verwendung von 3-Achsen-CNC-Fräsmaschinen zu Einschränkungen kommen.
Je nach Konstruktion lasen sich manche Bereiche mit einer dreiachsigen Maschine nicht immer erreichen, da sich die Spindel nur linear entlang der drei Hauptachsen bewegen kann. Eventuell muss ein Werkstück also gedreht werden, um es vollständig bearbeiten zu können. Je öfter eine manuelle Neupositionierung des Rohlings erfolgt, desto höher sind die Bearbeitungskosten.
Indexierte 5-Achsen-CNC-Maschinen können im Vergleich dazu wesentlich mehr Geometrien bearbeiten, kommen aber bei sehr komplexen Formen ebenfalls an ihre Grenzen. Die größeren Fähigkeiten der Multiachsen-Maschinen steigern ebenfalls die Kosten, weil hierfür spezielle Maschinen und qualifiziertes Fachpersonal erforderlich sind.
Sogenannte kontinuierliche 5-Achsen CNC-Fräsen stellen eine weitere Entwicklungsstufe dar. Sie können während der Bearbeitung alle Achsen sowie das Werkstück gleichzeitig bewegen und sind somit auch für organische Formen, elegante Schwünge und komplexe Formgebung geeignet.
Nachteile und Beschränkungen der CNC-Zerspanung:
- Vergleichsweise hohe Anlaufkosten durch komplexe Prozessplanung. Im Vergleich zu formgebenden Verfahren aber günstiger, weil keine speziellen Werkzeuge (wie z. B. beim Spritzguss) notwendig sind.
- Komplexe geometrische Formen lassen sich nur mit höheren Kosten realisieren. Die Grenzen für die Bearbeitung setzt die Mechanik der CNC-Maschine.
- Die Notwendigkeit, das Werkstück fest einzuspannen, begrenzt häufig die Zugänglichkeit aller Bereiche für die Maschine. Da die CNC Zerspanung Material aus einem Vollblock abträgt, sind Innengeometrien und andere nicht erreichbare Schnitte nicht möglich.
Welche Maschine für CNC-Zerspanung eignet sich für mein Produkt?
- Wenn es um Teile mit einfachen Geometrien geht, sind 3-Achsen-Fräsmaschinen eine kostengünstige Wahl, die extrem präzise Ergebnisse liefert. Für die Herstellung von Schildern ist diese Art der CNC-Zerspanung hervorragend geeignet.
- Für die Anfertigung von Teilen mit Rotationssymmetrie (also z. B. Zylinder, Schrauben etc.) eignen sich CNC-Drehmaschinen besser als CNC-Fräsen, da ihre Stückkosten geringer und die Bearbeitungszeiten kürzer sind.
- Um Teile zu fertigen, deren Herstellungsmerkmale nicht mit einer 3-Achsen-CNC-Zerspanung erfüllt werden können, bietet sich der Einsatz von indexierten 5-Achsen-CNC-Fräsen an. Sie können Werkstücke drehen und die Bearbeitungszeit verkürzen, weil kein manueller Eingriff notwendig ist.
- Sehr komplexe Teile mit organischer Geometrie lassen sich nur mit kontinuierlichen 5-Achsen-CNC-Fräsen herstellen. Sie liefern perfekte Konturen und eine extrem hohe Genauigkeit, steigern jedoch die Produktionskosten erheblich. Für Stückzahlen, die eine manuelle Herstellung überfordern würden, ist das Verfahren jedoch ebenso geeignet wie für Bereiche, in denen es auf eine perfekte Genauigkeit ankommt.
Ist der 3D-Druck eine Bedrohung für die CNC-Zerspanung?
Beide Verfahren bieten Ingenieuren eine Vielzahl an Optionen für die Herstellung. Obwohl häufig darüber gesprochen wird, dass der 3D-Druck irgendwann andere Herstellungsverfahren wie die CNC-Zerspanung verdrängen wird, hat jedes der Verfahren seine eigenen Vorzüge und Beschränkungen. Bei Produkten mit einer einfachen Geometrie, die sich mit wenig Aufwand bearbeiten lassen, ist die CNC-Zerspanung immer noch das effizientere und kostengünstigere Verfahren.
Das gilt umso mehr, wenn es um die Bearbeitung von Metallteilen geht, denn hier ist der 3D-Druck noch sehr teuer und aufwändig. Bei exotischen Materialien, sehr komplexer Formgebung und wenig Zeitdruck kann hingegen das Druckverfahren sinnvoller sein. Besonders bei der Herstellung von Prototypen aus Kunststoff kann der 3D-Drucker punkten.
Die CNC Zerspanung liefert jedoch eine deutlich höhere Maßgenauigkeit. Die fertigen Teile weisen außerdem bessere mechanische Eigenschaften auf, weil sie aus einem Vollblock gefräst werden. Bei der Herstellung von Schildern für Industrie, Gewerbe, den Einzelhandel oder auch private Zwecke ist CNC-Zerspanung mit einer Fräse bzw. das Gravieren von Metallschildern ein erprobtes, präzises, kostengünstiges und schnelles Verfahren.
Die Gebr. Wenzelmann GmbH fertigt seit 1969 individuelle Schilder für alle Anwendungsbereiche an und kann neben der CNC Zerspanung weitere klassische und innovative Fertigungsverfahren anbieten. Die langjährige Erfahrung in der Metallbearbeitung ermöglicht eine individuelle Kundenberatung, die zielgerichtet auf alle Anforderungen des Projekts eingeht und gemeinsam mit den Auftraggebern die optimale Lösung entwickelt.
