Die CNC-Bearbeitung ist ein computergesteuertes Fertigungsverfahren, bei dem eine Maschine überschüssiges Material vom Werkstück nach einem Programm abträgt, das auf Basis einer technischen Zeichnung erstellt wurde. Meist handelt es sich um die spanende CNC-Bearbeitung: CNC-Drehen, CNC-Fräsen, Bohren und Schleifen, ergänzt durch Erodieren und Wärmebehandlung. Im Folgenden erklären wir, wie die spanende Bearbeitung funktioniert, welche Arten es gibt, welche CNC-Maschinen und Werkstoffe eingesetzt werden und wann es sich lohnt, sie an einen Auftragnehmer zu vergeben.
Inhaltsverzeichnis:
- Was bedeutet CNC?
- Wie funktioniert die spanende Bearbeitung?
- Arten der spanenden Bearbeitung
- Arten von CNC-Maschinen
- Werkstoffe für die CNC-Bearbeitung
- Vorteile und Grenzen der CNC-Bearbeitung
- Anwendungen der CNC-Bearbeitung in der Industrie
- Wann lohnt es sich, die CNC-Bearbeitung auszulagern?
- CNC-Bearbeitung – häufig gestellte Fragen
Was bedeutet CNC?
CNC steht für Computer Numerical Control, auf Deutsch computergestützte numerische Steuerung. Was bedeutet CNC in der Praxis? Ein Programm, nicht die Hände des Bedieners, steuert die Bewegung des Werkzeugs und des Werkstücks. Das Programm enthält alle Daten des Teils: Abmessungen, Formen, Bohrungspositionen und Arbeitsparameter. Dadurch liefern die Maschinen hohe Genauigkeit und Wiederholbarkeit von Stück zu Stück.
Heute ist diese Technologie der Standard in der Einzel- und Serienfertigung im Maschinenbau, in der Automobilindustrie, in der Luftfahrt und in der Medizin. Die CNC-Bearbeitung ist ein subtraktives Verfahren: Die Maschine trägt Material von einem Block ab, bis die geplante Form übrig bleibt. Das unterscheidet sie vom 3D-Druck, der ein Teil Schicht für Schicht aufbaut. CNC-Maschinen können ununterbrochen arbeiten, sogar rund um die Uhr, was die Fertigungseffizienz erhöht.
Wie funktioniert die spanende Bearbeitung?
Die spanende Bearbeitung trägt überschüssiges Material mit einem Schneidwerkzeug vom Teil ab, bis die richtige Form entsteht. Das überschüssige Material verlässt das Werkstück als Späne. Im Vergleich zu anderen Verfahren wie Gießen oder Biegen liefert die Metallzerspanung genauere Maße und eine bessere Oberflächenqualität, weshalb die spanende Bearbeitung in der Automobilindustrie und der Luftfahrt eingesetzt wird. In der Praxis wird aus einem Stahl- oder Aluminiumblock ein fertiges Konstruktionselement wie Gehäuse, Welle oder Hülse. Die spanende CNC-Bearbeitung ermöglicht hohe Genauigkeit auch bei komplexer Geometrie.
Wie läuft die spanende CNC-Bearbeitung ab?
Der gesamte Prozess beginnt mit der Dokumentation: einer technischen Zeichnung oder einem 3D-Modell aus einem CAD-Programm. Auf dieser Grundlage erstellt ein Programmierer im CAM-System die Werkzeugbahnen und erzeugt den Steuerungscode. Der Bediener spannt das Werkstück ein, richtet das Schneidwerkzeug ein und startet das Programm. Die Maschine führt die einzelnen Bearbeitungsschritte aus, und das fertige Teil wird vor der Auslieferung an den Kunden durch Messung geprüft. Dieser Ablauf wiederholt sich bei jeder Serie.
Parameter der spanenden Bearbeitung
Die spanende Bearbeitung erfordert die genaue Wahl der Schnittparameter, und die richtigen Parameter hängen vom Werkstoff ab. Die wichtigsten sind Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe, also die Dicke der Schicht, die in einem Durchgang abgetragen wird. Beim Schruppen wird viel Material abgetragen, beim Schlichten wird die Oberfläche verbessert. Zu aggressive Parameter verkürzen die Standzeit des Werkzeugs und verschlechtern die Oberflächenqualität, zu vorsichtige verlängern die Durchlaufzeit. Die Wahl der Parameter hängt auch davon ab, welches Schneidwerkzeug verwendet wird und wie steif das System ist.
Genauigkeit und Qualitätskontrolle
Die Genauigkeitsanforderungen beeinflussen die Wahl des Verfahrens. Die Bearbeitungsgenauigkeit hängt von der Steifigkeit der Maschine, dem Zustand des Werkzeugs und der Temperaturstabilität ab. Die Kontrolle der Maße nach der Bearbeitung bestätigt die Präzision der Arbeit und die Übereinstimmung mit der technischen Zeichnung.
Arten der spanenden Bearbeitung
Die Arten der spanenden Bearbeitung unterscheiden sich darin, was sich bewegt: das Werkstück, das Werkzeug oder beides. Nachfolgend Beispiele für spanende Bearbeitung auf CNC-Maschinen.
CNC-Drehen
Beim Drehen rotiert das Material auf einer Spindel, während ein feststehender Drehmeißel Schichten von der Außen- oder Innenfläche abträgt. Das Drehen ist ein weit verbreitetes Zerspanungsverfahren für rotationssymmetrische Teile wie Wellen, Hülsen und Ringe sowie für zylindrische Teile. Der Drehmeißel wird nach Werkstoff und Art des Arbeitsgangs gewählt, und das CNC-Drehen liefert eine hohe Maßgenauigkeit. Mehr dazu finden Sie auf der Seite über CNC-Drehen.
CNC-Fräsen
Beim Fräsen trägt ein rotierendes Schneidwerkzeug, der Fräser, Material von einem feststehenden Werkstück ab. Das CNC-Fräsen ist eines der am häufigsten eingesetzten Zerspanungsverfahren: Es ermöglicht die Herstellung von Ebenen, Taschen, Nuten und Bohrungen sowie von Teilen mit komplexer Geometrie und verwickelten Formen. CNC-Fräsmaschinen nutzen die Drehbewegung des Werkzeugs und bearbeiten viele verschiedene Werkstoffe, von Aluminium bis Stahl. Das Fräsen erlaubt es, ein Teil von mehreren Seiten zu bearbeiten. Details auf der Seite über CNC-Fräsen.
Bohren und Gewindeschneiden
Das Bohren dient zur Herstellung von Löchern und das Gewindeschneiden zum Schneiden eines Gewindes darin. CNC-Maschinen führen beide Arbeitsgänge automatisch nach den im Programm gespeicherten Koordinaten aus. CNC-Bohrmaschinen arbeiten als eigenständige Maschinen oder als Teil von Bearbeitungszentren.
Schleifen und Polieren
Das Schleifen trägt dünne Materialschichten ab und verbessert die Maßgenauigkeit und die Oberflächenqualität nach der Grobbearbeitung, weshalb die Endbearbeitung oft mit diesem Verfahren erfolgt. Schleifmaschinen werden für enge Toleranzen eingesetzt, zum Beispiel an Wellen und Bohrungen, und das Polieren dient der Oberflächenveredelung. Mehr über diesen Prozess auf der Seite über CNC-Schleifen.
Erodieren und Wärmebehandlung
Das Erodieren trägt Material durch elektrische Entladungen ab, wodurch sich harte Werkstoffe bearbeiten und Formen herstellen lassen, die ein Schneidwerkzeug nicht erreicht. Die Wärmebehandlung, zum Beispiel das Härten, verändert die Eigenschaften von Stahl. Beide Verfahren ergänzen das Drehen und Fräsen; Einzelheiten finden Sie auf den Seiten über Funkenerosion und Wärmebehandlung.
Arten von CNC-Maschinen
Zu den CNC-Maschinen gehören Fräsmaschinen, Drehmaschinen, Schleifmaschinen, Bohrmaschinen und Schneidmaschinen, zum Beispiel Laser- oder Plasmaschneider. Plasmaschneider nutzen einen Plasmalichtbogen zum Schneiden von Metallen. CAD/CAM-Systeme dienen zum Konstruieren und zum Erzeugen des Codes. Die Wahl der Maschine hängt von der Form des Teils, vom Werkstoff und von der geforderten Genauigkeit ab, und es gibt viele Maschinen für die spanende Bearbeitung.
CNC-Drehmaschinen
CNC-Drehmaschinen sind für rotationssymmetrische Teile gedacht, also für die Herstellung zylindrischer Teile mit Rotationssymmetrie. Das Material rotiert in der Spindel, und das Schneidwerkzeug bewegt sich auf einer programmierten Bahn. Für einfache Teile genügen zweiachsige Drehmaschinen, und Modelle mit zusätzlichen Achsen und angetriebenen Werkzeugen fräsen und bohren auch in einer Aufspannung.
CNC-Fräsmaschinen – 3-achsig und 5-achsig
3-achsige CNC-Maschinen sind in der Fertigung am weitesten verbreitet und genügen für die meisten Teile. 5-achsige CNC-Maschinen bieten fortgeschrittenere Bearbeitungsmöglichkeiten: Sie bearbeiten ein Teil in einer Aufspannung von fünf Seiten, kommen daher mit komplexer Geometrie besser zurecht und verkürzen die Rüstzeit. Fünf Achsen bedeuten jedoch eine teurere Maschine und anspruchsvollere Programmierung.
Automatisierung
Bei der CNC-Bearbeitung werden automatische Werkzeugwechsler, Palettensysteme und prozessbegleitende Messungen eingesetzt, mit denen sich Maße prüfen lassen, ohne das Teil auszuspannen. Dadurch laufen die Maschinen länger ohne Eingriff des Bedieners.
Werkstoffe für die CNC-Bearbeitung
Die spanende CNC-Bearbeitung eignet sich für Metalle, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe. Die Wahl des Werkstoffs für die spanende Bearbeitung hängt von Belastungen, Einsatzumgebung, Genauigkeitsanforderungen und Budget ab, nicht nur vom Preis des Rohmaterials.
Metalle: Stahl, Edelstahl und Aluminium
Im Maschinenbau betrifft die Metallbearbeitung meist Stahl, weil er Festigkeit mit guter Zerspanbarkeit verbindet. Edelstahl erfordert Spezialwerkzeuge und passende Parameter, da er schnell kaltverfestigt und Wärme schlecht leitet, und die CNC-Bearbeitung von Edelstahl erfordert eine stabile Spannung. Aluminium lässt sich leicht bearbeiten, ist aber schmierend, sodass Späne am Werkzeug haften können. Die Bearbeitung von Aluminium erfordert scharfe Werkzeuge und gute Kühlung, und Edelstahl und Aluminium gehören zu den am häufigsten verwendeten Werkstoffen. Werkstoffe mit einer Härte über 45 HRC sind schwer zu zerspanen und erfordern oft Schleifen oder Erodieren. Zur Metallbearbeitung gehören auch Kupfer, Messing und Bronze.
Kunststoffe und Verbundwerkstoffe
Kunststoffe erfordern an den Werkzeugen schärfere Spanwinkel sowie Kühlung, damit sie sich nicht verformen.
Vorteile und Grenzen der CNC-Bearbeitung
Die Metallbearbeitung auf CNC-Maschinen liefert hohe Präzision und Wiederholbarkeit und ermöglicht die Herstellung verwickelter Formen aus verschiedenen Werkstoffen. Sie verringert den Abfall, weil das Programm die Werkzeugbahnen optimiert, und erlaubt es, Arbeitsparameter schnell zu ändern. CNC-Maschinen können ununterbrochen arbeiten, was die Fertigungseffizienz verbessert und hilft, eine gleichbleibende Qualität zu halten.
Das Verfahren hat auch Grenzen. Die hohe Anfangsinvestition ist ihr Nachteil, und die Wartungskosten der Maschinen können hoch sein. Die Komplexität der Programmierung erfordert qualifiziertes Personal, und manche Geometrien, zum Beispiel tiefe Kavitäten, schränken den Zugang des Werkzeugs ein. Deshalb vergeben viele Unternehmen die Bearbeitung an einen Auftragnehmer, statt einen eigenen Maschinenpark aufzubauen.
Anwendungen der CNC-Bearbeitung in der Industrie
Die spanende CNC-Bearbeitung wird in vielen Industriezweigen eingesetzt. Im Maschinenbau entstehen damit Industriekomponenten, Zahnräder, Wellen und Konstruktionselemente, und zu ihrer Herstellung dient die spanende Bearbeitung. In der Automobilindustrie werden Motor- und Fahrwerksteile bearbeitet, in der Luftfahrt leichte und feste Teile. In der Medizin entstehen chirurgische Instrumente, Prothesenelemente und elektronische Komponenten. Die Fertigung von Präzisionsteilen auf Bestellung, auch als Einzelfertigung, ist eine typische Anwendung. Siehe Präzisionsteile und CNC-Prototyping.
Wann lohnt es sich, die CNC-Bearbeitung auszulagern?
Die Vergabe der spanenden Bearbeitung an einen Auftragnehmer lohnt sich, wenn Sie mehrere Technologien gleichzeitig benötigen oder kleine und mittlere Serien fertigen. Ein Auftragnehmer mit vollständigem Maschinenpark, also Drehen, Fräsen, Schleifen, Erodieren, Wärmebehandlung und Qualitätskontrolle, wickelt den Auftrag vom Material bis zum fertigen Teil ab. Für ein Angebot genügt eine technische Zeichnung oder ein 3D-Modell mit Angabe von Werkstoff, Toleranzen und Stückzahl.
CNC-Bearbeitung – häufig gestellte Fragen
Wie funktioniert die spanende Bearbeitung?
Die spanende Bearbeitung trägt überschüssiges Material mit einem Schneidwerkzeug vom Werkstück ab. Das Material wird als Späne entfernt, bis das Teil die richtige Form und die richtigen Maße erhält.
Welche Arten der spanenden Bearbeitung gibt es?
Die Grundarten der spanenden Bearbeitung sind Drehen, Fräsen, Bohren, Schleifen und Gewindeschneiden. Ergänzt werden sie durch Erodieren und Wärmebehandlung.
Welche Beispiele für spanende Bearbeitung gibt es?
Ein Beispiel für spanende Bearbeitung ist das Drehen einer Welle und anderer rotationssymmetrischer Teile, das Fräsen einer Tasche in einer Platte, das Bohren von Löchern in einem Gehäuse und das Schleifen einer Bohrung auf Maß. Alle diese Arbeitsgänge führen CNC-Maschinen nach einem Programm aus.
Wie funktioniert die CNC-Bearbeitung?
Die CNC-Bearbeitung funktioniert so, dass die Maschine durch ein Programm gesteuert wird, das aus einer Zeichnung oder einem 3D-Modell erstellt wurde. Die Maschine trägt Material vom Block ab und erzeugt ein Teil der vorgegebenen Form mit hoher Genauigkeit.
Was bedeutet CNC?
CNC steht für Computer Numerical Control. Es bedeutet, dass ein Computer, nicht ein Bediener, die Bewegung des Werkzeugs steuert.
Wie viel kostet eine Stunde CNC-Arbeit?
Es gibt keinen einheitlichen Satz, denn der Preis einer Arbeitsstunde hängt von der Maschinenart, der Komplexität des Teils, dem Werkstoff, den Toleranzen und der Seriengröße ab. Die Bearbeitung auf einer 5-achsigen Fräsmaschine kostet mehr als auf einer 3-achsigen Maschine. Wir kalkulieren jeden Auftrag anhand einer technischen Zeichnung.
Ist CNC lernen schwierig?
Die Grundlagen der Bedienung von CNC-Maschinen lassen sich relativ schnell erlernen, doch Fertigkeit braucht Zeit. Schwieriger sind das Programmieren, die Wahl von Werkzeugen und Parametern sowie das Lesen technischer Zeichnungen.
Eignet sich die CNC-Bearbeitung für kleine Serien?
Die CNC-Bearbeitung eignet sich wie andere Zerspanungsverfahren für Einzelstücke und kleine Serien, weil sie keine teuren Werkzeugvorrichtungen erfordert. Die Kosten hängen vom Werkstoff, der Komplexität des Teils und den Toleranzen ab.