CNC-Fräsen – essenzielles Wissen für junge Fertigungsunternehmen

Was ist CNC-Fräsen?

Das CNC-Fräsen basiert auf der „Computerized Numerical Control“ (CNC), also der computergestützten Steuerung von Werkzeugmaschinen. Dabei übernimmt ein Mikrocomputer im Steuerteil der Maschine die Kontrolle des Fräsvorgangs. Dieses präzise Verfahren eignet sich hervorragend für die Produktion von Teilen in sowohl kleinen als auch großen Stückzahlen und wird in vielen Industriebereichen wie der Automobil-, Luftfahrt- und Maschinenbauindustrie geschätzt. Seit seiner Einführung in den 1970er Jahren hat sich das CNC-Fräsen stetig weiterentwickelt.

Im Unterschied zum CNC-Drehen, bei dem sich das Werkstück dreht, bewegt sich beim Fräsen das Werkzeug. Vor dem Fräsvorgang wird ein Programm basierend auf der geometrischen Beschreibung des Werkstücks erstellt und an die Maschine übermittelt, welche die programmierten Schritte genau umsetzt. Dabei wird berücksichtigt, welche Werkzeuge zu welchem Zeitpunkt verwendet werden.

Die Vorteile der computergesteuerten Frästechnik

Richtig kalibrierte CNC-Werkzeugmaschinen garantieren die Produktion von Teilen mit extrem präzisen Abmessungen und halten dabei sehr enge Toleranzen ein (weniger als 0,05 mm). Das ermöglicht einen problemlosen Austausch der Teile oder deren Zusammenbau zu größeren Einheiten, während der Ausschuss bei der Qualitätskontrolle signifikant reduziert wird, sofern die Maschinen adäquat justiert sind

Als voll automatisierter Prozess beschleunigt das CNC-Fräsen die Produktion von großen Stückzahlen erheblich. Obwohl die Einrichtung des CNC-Bearbeitungsprozesses mehr Zeit in Anspruch nimmt als die Erstellung von Schablonen für traditionelle Fräsmaschinen, lohnt sich die Technologie vor allem bei der Massenproduktion. Der automatisierte Betrieb erlaubt zudem eine durchgehende Produktion.

Durch die Automatisierung wird nicht nur die Arbeit vereinfacht, sondern auch die Sicherheit am Arbeitsplatz erhöht. CNC-Fräsmaschinen erfordern keine kontinuierliche Überwachung, sodass Fachkräfte mehrere Prozesse an verschiedenen Fräszentren gleichzeitig überwachen können.

Bearbeitungsschritte – der typische Ablauf

Beim CNC-Fräsen werden traditionelle Bearbeitungstechniken, bei denen das überschüssige Material abgefräst wird, mit modernen, computergesteuerten Verfahren kombiniert. Der Prozess des CNC-Fräsens lässt sich in mehrere Schritte unterteilen.

Zunächst muss das zu fertigende Teil als dreidimensionales Modell in einer CAD-Software (Computer Aided Design) entworfen werden. Dies kann entweder von Grund auf neu oder basierend auf einer herkömmlichen technischen Zeichnung geschehen. Dieser Schritt ist grundlegend für die gesamte Bearbeitung und spielt eine entscheidende Rolle im CNC-Bearbeitungsprozess.

Anschließend nutzt ein CNC-Bearbeitungsspezialist die CAD-Datei, um ein Bearbeitungsprogramm zu erstellen. Dies erfolgt in einem Format, das von der CNC-Fräsmaschine verstanden wird, typischerweise als CAM-Datei (Computer Aided Manufacturing). Hierbei wird spezielle Software verwendet, die den G-Code erzeugt und mit der Fräsmaschine kompatibel ist.

Sobald die CAM-Datei vorbereitet ist, wird sie in das Steuerungssystem der CNC-Maschine geladen. Nach umfassenden Tests, um sicherzustellen, dass das Programm den gesamten Prozess korrekt steuern kann, wird der Maschinenbetrieb aufgenommen und der Fertigungsauftrag ausgeführt.

Was bei den Werkstoffen zu beachten ist

Fräsmaschinen sind grundsätzlich dazu in der Lage, alle zerspanbaren Werkstoffe zu bearbeiten. Dazu zählen nicht nur klassische Metalle wie Stahl oder Aluminium, sondern auch eine breite Palette anderer Materialien. Mit einem CNC-Fräser lassen sich unter anderem Stahl und Stahlguss, Aluminium und Aluminiumguss, Titan sowie Edelmetalle wie Gold und Silber bearbeiten. Auch Bronze, Messing, verschiedene Kunststoffe und Holz können präzise und effizient gefräst werden.

Die Werkstoffbearbeitung erfolgt auf verschiedenen Ebenen, die als „Achsen“ bezeichnet werden. Typischerweise wird auf CNC-Fräsmaschinen in drei Achsen gearbeitet – horizontal, vertikal und in der Tiefe. Dies deckt viele Standardanforderungen ab. Allerdings benötigen spezialisierte Industrien, wie die Automobilindustrie, oft komplexere Bearbeitungsverfahren. In solchen Fällen kommen mehrachsige CNC-Fräsmaschinen zum Einsatz, beispielsweise 5-Achsen-Maschinen. Diese erlauben die Bearbeitung eines Werkstücks aus nahezu jeder Richtung und verbessern dadurch die Präzision und Effizienz der Fertigungsprozesse erheblich.

Welche Arten unterschieden werden

Es gibt verschiedene Arten des CNC-Fräsens. Zylindrisches Fräsen ermöglicht die gleichzeitige Bearbeitung von zwei Ebenen. Beim frontalen Fräsen steht die Werkzeugachse senkrecht zur bearbeiteten Fläche, was sich ideal für präzise Oberflächenarbeiten eignet. Schrägfräsen bietet dank der variablen Winkelstellung des Fräsers zwischen 0 und 90 Grad eine flexible Bearbeitung komplexer Konturen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Unterscheidung zwischen Gleichlauffräsen und gegenläufigem Fräsen. Beim Gleichlauffräsen bewegen sich Schneide und Materialvorschub in dieselbe Richtung, während beim gegenläufigen Fräsen die Schneide gegen den Vorschub arbeitet. Diese Unterschiede haben erheblichen Einfluss auf die Bearbeitungsqualität und sind entscheidend, um optimale Ergebnisse in der Zerspanungstechnik zu erzielen.

Qualitätskontrolle und Optimierung im CNC-Fräsen

Ein entscheidender Faktor für den Erfolg im CNC-Fräsen ist die kontinuierliche Qualitätskontrolle. Fehlerhafte Teile können hohe Kosten verursachen, insbesondere wenn sie erst spät im Produktionsprozess entdeckt werden. Deshalb ist es unerlässlich, die Qualität der hergestellten Teile regelmäßig zu überwachen. Dies beginnt bereits bei der Erstellung des CAD-Modells und der CAM-Programmierung. Eine präzise Definition aller Maße und Toleranzen ist dabei von zentraler Bedeutung.

Während des Fräsprozesses sollten moderne Messtechniken wie Koordinatenmessgeräte oder berührungslose Messsysteme zum Einsatz kommen. Diese erlauben eine genaue Überprüfung der gefertigten Teile und garantieren, dass diese den vorgegebenen Spezifikationen entsprechen. Darüber hinaus spielt die Materialprüfung eine wichtige Rolle. Unterschiedliche Werkstoffe können verschiedene Herausforderungen darstellen, sei es durch ihre Härte, Zähigkeit oder Wärmebehandlung. Regelmäßige Prüfungen stellen sicher, dass das verwendete Material den Anforderungen entspricht und die Qualität der Endprodukte gewährleistet bleibt.

Die ständige Optimierung des CNC-Prozesses trägt ebenfalls zur Qualitätssicherung bei. Durch die Analyse von Bearbeitungszeiten, Werkzeugverschleiß und Energieverbrauch können Produktionskosten gesenkt und die Effizienz gesteigert werden. Ein gut optimierter Fräsprozess minimiert zudem den Materialverbrauch und reduziert den Ausschuss, was zu einer nachhaltigen und kosteneffizienten Fertigung beiträgt.

Die Geschichte und Weiterentwicklung des CNC-Fräsens

Die Technologie des CNC-Fräsens und der numerischen Steuerung entstand in den 1950er Jahren. Sie wurde vornehmlich durch die Anforderungen der US-Militärluftfahrt getrieben, die zur Entwicklung von Düsenflugzeugen führte. Man benötigte eine Möglichkeit, Halbfertigprodukte massenhaft, schnell und präzise ohne menschliches Eingreifen herzustellen. So sollte das Fehlerpotenzial minimiert werden. Das Massachusetts Institute of Technology (MIT), eine führende technische Universität in den USA, entwickelte die erste numerisch gesteuerte Maschine. Diese frühen NC-Fräsmaschinen (numerisch gesteuert) arbeiteten mit Programmen, die über Lochkarten eingespeist wurden.

Mit der fortschreitenden Entwicklung der Mikrocomputer-Technologie wurden diese auch zunehmend in CNC-Fräsmaschinen integriert. Heutzutage sind CNC-Fräsmaschinen ein zentraler Bestandteil der Fertigungsprozesse in nahezu allen Industriebereichen. Sie ermöglichen eine effiziente und präzise Produktion.