Die CNC-Bearbeitung (Computer Numerical Control) ist ein subtraktiver Fertigungsprozess, der es den Herstellern ermöglicht, hochpräzise Teile präzise und wirtschaftlich herzustellen. Bei der CNC-Bearbeitung werden die Werkstücke mit Hilfe von Schneidwerkzeugen von überschüssigem Rohmaterial befreit, um präzise Endprodukte aus Materialien wie Kunststoffen, Metallen und Verbundwerkstoffen herzustellen. Heutzutage gibt es für Produktbaugruppen zahlreiche Mehrachsen-Bearbeitungsoptionen, von 3-Achsen über 5-Achsen bis hin zu 9-Achsen. In diesem Artikel werden wir uns jedoch darauf konzentrieren, was die 5-Achs-Bearbeitung ist und ob sie für große Teile geeignet ist. Führt dies zu höheren Schnittgeschwindigkeiten? Diese und viele weitere Fragen werden im Folgenden beantwortet!
5-Achsen-Bearbeitung – wie sie funktioniert
Die 5-Achsen-Maschine basiert auf einem Werkzeug, das sich in fünf verschiedene Richtungen bewegt: X, Y und Z sowie A und B, um die sich das Werkzeug dreht (dies sind die Drehachsen). Der Einsatz einer 5-Achsen-CNC-Maschine ermöglicht es dem Bediener, das Werkstück in einem einzigen Arbeitsgang aus allen Richtungen anzufahren, wodurch die Notwendigkeit entfällt, das Werkstück zwischen den Arbeitsgängen manuell neu zu positionieren. Die 5-Achsen-CNC-Bearbeitung spart Zeit und ist ideal für die Herstellung komplexer Präzisionsteile, wie sie beispielsweise in der Medizintechnik, der Öl- und Gasindustrie sowie der Luft- und Raumfahrt zu finden sind.
5-Achsen-Maschinen
Es gibt verschiedene Arten von 5-Achsen-Maschinen, mit denen die Produktteams vertraut sein sollten, darunter CNC-Maschinen mit indexierbaren 5-Achsen, kontinuierliche 5-Achsen-Maschinen und CNC-Drehzentren. Ähnlich wie beim 3-Achsen-CNC-Fräsen bewegt sich das Werkzeug nur in drei Achsen und ist nicht in ständigem Kontakt mit dem Werkstück, wie bei der indexierten 5-Achsen-CNC-Bearbeitung. Allerdings können sich der Bearbeitungstisch und der Werkzeugkopf zwischen den Arbeitsgängen automatisch in beide Richtungen drehen. Die indexierte 5-Achs-Bearbeitung ist ideal für die Herstellung von Gehäusen, Montagevorrichtungen und Vorrichtungen. Sie liegt zwischen dem 3-Achsen-CNC-Fräsen und der kontinuierlichen 5-Achsen-CNC-Bearbeitung in Bezug auf Geschwindigkeit, Genauigkeit und die Fähigkeit, komplexe Geometrien zu bearbeiten.
Bei der kontinuierlichen 5-Achsen-CNC-Bearbeitung können sich Werkzeug und Werkstück während des Vorgangs gleichzeitig drehen und bewegen, was Zeit spart und es dem Bediener ermöglicht, komplexe Geometrien mit organischen Oberflächen herzustellen. Die kontinuierliche 5-Achsen-CNC-Bearbeitung bietet eine verbesserte Oberflächengüte, Geschwindigkeit und Maßhaltigkeit, allerdings zu den höchsten Stückkosten. CNC-Drehzentren sind praktisch die gleichen wie CNC-Drehmaschinen, mit einer Ausnahme: Sie sind mit CNC-Fräswerkzeugen ausgestattet. Das Werkstück ist an einer Spindel befestigt, die sich drehen oder stillstehen kann, während das Schneidwerkzeug Material vom Werkstück abträgt. Durch die Kombination von CNC-Drehmaschinen mit Fräsmaschinen bieten CNC-Fräs- und Drehzentren ein hohes Maß an Präzision und geometrischer Vielseitigkeit, was sie ideal für die Herstellung von losen rotationssymmetrischen Teilen wie Nockenwellen und Zentrifugalkompressoren macht. Diese Arten von 5-Achsen-CNC-Fräsmaschinen bieten nicht nur eine höhere Präzision bei der Bearbeitung tieferer Teile und gehärteter Materialien, sondern auch eine höhere Produktivität und höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten. Die 5-Achsen-Bearbeitung ist jedoch teurer, da spezielle Geräte und Fachkräfte benötigt werden.
3-Achsen- vs. 5-Achsen-Bearbeitung
Der Hauptunterschied zwischen dreiachsigen und fünfachsigen Fräsmaschinen besteht darin, dass das Werkstück von drei Achsen der ersten und fünf Achsen der zweiten Achse bearbeitet werden kann. Beides sind äußerst vielseitige, automatisierte und wiederholbare Fertigungsverfahren, die eine schnelle und kostengünstige Produktion von Präzisionskomponenten ermöglichen. Sie können sich jedoch aus verschiedenen Gründen für die eine statt für die andere Lösung entscheiden.
Wenn Sie nur über ein begrenztes Budget verfügen oder einfach nur einen Hobel benötigen, ist eine 3-Achsen-Maschine vielleicht die beste Wahl für Sie. 3-Achs-Maschinen sind nicht nur preiswerter als 5-Achs-Maschinen, sondern auch einfacher zu programmieren, so dass Sie sich die Arbeit mit teuren Programmierern und Bedienern sparen können. Außerdem ist die Rüstzeit bei der 3-Achsen-Bearbeitung kürzer. Wenn Sie tiefere Teile oder Teile mit komplexen Geometrien herstellen müssen, ist es sinnvoll, die 5-Achsen-Bearbeitung einzusetzen. Mit einer 5-Achsen-Maschine können Teile aus allen Richtungen bearbeitet werden – ohne manuelles Drehen. Mit der 5-Achsen-Bearbeitung erhalten Sie eine höhere Produktivität, größere Präzision, mehr Bewegungsfreiheit und die Möglichkeit, größere Teile schneller zu fertigen.
Wie funktioniert eine 5-Achsen-CNC-Maschine?
Wie jede andere CNC-Maschine stützt sich auch eine 5-Achsen-CNC-Maschine auf Computeranweisungen zur Steuerung der Bewegung des Schneidwerkzeugs (und des Werkstücks), um das gewünschte Teil herzustellen. Die 5-Achsen-CNC-Bearbeitung beginnt damit, dass der Konstrukteur mit Hilfe von CAD-Werkzeugen ein 3D-Modell (computergestütztes Design) des gewünschten Teils erstellt. Die Maschinenführer exportieren dieses CAD-Modell dann in eine CAM-Software (computergestützte Fertigung), die die Zeichnung in ein Computerprogramm (auch G-Code genannt) umwandelt, das eine Reihe von Anweisungen enthält, die die Bewegung des Werkzeugs entlang der linearen Achsen (X, Y und Z) und des Tisches entlang der Drehachsen (A und C) steuern, um das gewünschte Teil herzustellen.
Das 5-Achsen-System – woher es kommt
Zu verdanken ist dies dem französischen Philosophen und Mathematiker Rene Descartes. Die Geschichte ist dem Newtonschen Apfel sehr ähnlich. Eines Tages lag Descartes im Bett und bemerkte eine Fliege. Dabei stellte er fest, dass er seine Position im Raum mit drei Zahlen beschreiben konnte, die durch die Variablen X, Y und Z dargestellt wurden – das, was wir heute das kartesische Koordinatensystem nennen. Jetzt fragen Sie sich vielleicht, woher die beiden anderen kommen. Sie können nicht nur die Position der Fliege im Raum beschreiben, sondern auch ihre Ausrichtung. Eine um die X-Achse rotierende Fliege ist also die vierte Achse und die fünfte Achse ist eine um die Y-Achse rotierende Fliege. Es wird auch gesagt, dass es eine sechste Achse gibt, die sich um die Z-Achse dreht.
5-Achsen – mögliche Konfigurationen
Die für eine 5-Achsen-CNC-Fräsmaschine gewählte Konfiguration bestimmt, welche der drei Drehachsen verwendet wird. Es gibt zwei Hauptkonfigurationen – Schwenkmaschinen und Rotationsmaschinen.
Eine 5-Achsen-Zapfen-CNC-Fräsmaschine verwendet die A-Achse, die sich um die X-Achse dreht, und die C-Achse, die sich um die Z-Achse dreht, während eine 5-Achsen-Kipp-Dreh-CNC-Fräsmaschine die B-Achse verwendet, die sich um die Y-Achse dreht, und die C-Achse, die sich um die Z-Achse dreht.
Der Hauptunterschied zwischen den beiden besteht darin, wie die Rotationsachse dargestellt wird – bei der Pivot-Bauweise geschieht dies durch das Bewegen des Tisches, während bei der Rotationsbauweise der 5-Achsen-CNC-Fräsmaschine dies durch das Drehen der Spindel geschieht. Beide Lösungen haben ihre Vorteile, so dass es von Ihrem Vorhaben abhängt, welche Lösung Sie wählen. Mehr als die Hälfte der mit CNC gefertigten Teile erfordern eine 5-Achsen-Bearbeitung, so dass sich immer mehr Hersteller dafür entscheiden, sie in ihre Dienstleistungen einzubeziehen. Darüber hinaus hat die 5-Achsen-CNC-Bearbeitung viele Vorteile gegenüber der 3-Achsen-Bearbeitung usw., wie z.B.:
Einzelne Konfiguration
5-Achsen-CNC-Maschinen ermöglichen eine einmalige Einrichtung des Werkstücks; die Maschine führt dann jeden Bearbeitungsvorgang aus, der zur Herstellung des gewünschten Teils erforderlich ist. Dies ist ein großer Unterschied zu herkömmlichen 3-Achsen-Maschinen, die mehrere Maschinenaufstellungen benötigen, um komplexe Geometrien zu fertigen. Die 5-Achsen-CNC-Maschine mit nur einer Station ermöglicht die schnelle Bearbeitung komplexer Teile und reduziert gleichzeitig die Kosten und Fehler, die bei herkömmlichen Verfahren auftreten.
Kürzere Schneidwerkzeuge und verbesserte Oberflächengüte
Die vierte und fünfte Achse der 5-Achsen-CNC-Maschine bringen das Werkstück näher an das Werkzeug. Dies bedeutet, dass kürzere Schneidewerkzeuge verwendet werden können, die weniger zu Vibrationen neigen und eine bessere Oberflächengüte aufweisen.
Höhere Präzision
5-Achsen-CNC-Maschinen sind aufgrund der Flexibilität der Bewegungen viel präziser als 3-Achsen-Maschinen und können nicht nur glattere Teile herstellen, sondern auch Teile, die für 3-Achsen-Maschinen zu komplex sind. Mit der 5-Achsen-CNC-Bearbeitung können viele Teile hergestellt werden, für die eine 3-Achsen-Bearbeitung einfach nicht geeignet ist.
5-Achsen-CNC-Bearbeitung – Anwendungen
Aufgrund der Effizienz der 5-Achsen-CNC-Bearbeitung und ihrer Fähigkeit, komplexe Formen zu erzeugen, kann sie zur Herstellung von Teilen verwendet werden, die in einer Vielzahl von Branchen zum Einsatz kommen. Hier sind einige Beispiele von Branchen, die von dieser Technologie profitieren:
- Luft- und Raumfahrt – Dieser Industriezweig erfordert sehr fortschrittliche Maschinen, da die Formen äußerst komplex und einzigartig sind.
- Medizinische – Die 5-Achsen-CNC-Bearbeitung kann Herstellern medizinischer Geräte bei der Produktion von Geräten, Implantaten und anderen Lösungen helfen, die mit äußerster Präzision gefertigt werden müssen, um strengen Anforderungen zu genügen.
- Militär – Ein weiterer Industriezweig, der die 5-Achsen-CNC-Bearbeitung zur Herstellung der benötigten Teile einsetzt. Zu den möglichen Anwendungen gehören U-Boot-Komponenten, Komponenten von Hochleistungsmotoren, Turbinen- und Kompressorschaufeln, intelligente Waffen, Sensoren, Tarnkappenanwendungen und in einigen Fällen auch Atomwaffen.
- Energieanlagen – Die Herstellung von Teilen für Energieanlagen erfordert oft schwer zu bearbeitende Materialien. Mit der 5-Achsen-CNC-Bearbeitung können Sie den gesamten Prozess einfacher und effizienter gestalten, und das CNC-Fräsen komplexer Teile wird professionell durchgeführt.