CNC-Fräsen von A bis Z
CNC-Fräsen zählt zu den wichtigsten spanenden Fertigungsverfahren der modernen Industrie. FACTUREE erklärt in diesem Beitrag alle wichtigen Aspekte. Dazu zählen technische Grundlagen, Maschinenkomponenten und Werkzeuge. Auch Materialien, Branchen und Kosten werden behandelt.
Was ist CNC-Fräsen?
CNC steht für Computerized Numerical Control, also computergestützte numerische Steuerung.
FACTUREE setzt beim CNC-Fräsen ein rotierendes Werkzeug ein, das Material von einem Werkstück abträgt. Bewegungen der Maschine werden vollständig von einem Steuerungsprogramm vorgegeben. FACTUREE ordnet CNC-Fräsen als subtraktives Fertigungsverfahren ein. Dabei wird Material gezielt entfernt, bis gewünschte Geometrien entstehen.
Die technologischen Ursprünge der CNC Steuerung liegen in den 1970er Jahren. Seither hat sich das Verfahren zu einem der präzisesten und zuverlässigsten Fertigungsprozess entwickelt.
Der zentrale Unterschied zum konventionellen Fräsen liegt in der Steuerung. Beim konventionellen Fräsen führt ein Bediener das Werkzeug manuell, was Erfahrung und ständige Aufmerksamkeit erfordert. Beim CNC-Fräsen übernimmt ein Programm die vollständige Steuerung von Werkzeugweg, Drehzahl und Vorschub. So steigen Wiederholgenauigkeit und Präzision erheblich.
Der CNC-Fräsprozess: Schritt für Schritt
Der CNC-Fräsprozess ist ein präzise strukturierter Ablauf, der von der digitalen Konstruktion bis hin zur abschließenden Qualitätskontrolle reicht. Dabei durchläuft man mehrere wesentliche Phasen.
Die Schritte im CNC-Fräsprozess lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Konstruktion
Am Anfang jedes CNC-Fräsprojekts steht die Konstruktion in einer CAD-Software. In diesem CAD-CAM-Prozess entstehen der digitale Entwurf und die geometrischen Eigenschaften des späteren Bauteils, inklusive aller Maße, Toleranzen und Funktionsflächen.
Programmierung
Im nächsten Schritt wandelt eine CAM-Software die CAD-Daten in maschinenlesbare CNC-Programme im G-Code-Format um. Dieser Code definiert Werkzeugwege, Schnitttiefe, Drehzahl und Vorschub und bildet die exakte Arbeitsanweisung für die CNC Maschine.
Einrichtung und Bearbeitung
Vor der eigentlichen Zerspanung wählt der Bediener passende Werkzeuge aus und spannt das Werkstück sicher ein. Anschließend führt die Maschine die programmierten Bewegungen aus und trägt Material ab, bis die Zielgeometrie erreicht ist.
Qualitätskontrolle und Nachbearbeitung
Nach der Bearbeitung prüft FACTUREE die Maßtoleranzen jedes Bauteils. Je nach Anforderung folgen anschließend Veredelungsverfahren wie Schleifen, Eloxieren oder Pulverbeschichtung, um Oberflächeneigenschaften und Optik zu verbessern.
CNC-Fräsmaschine: Aufbau, Achsen, Spezialmaschinen
Die CNC-Fräsmaschine bildet das Herzstück der modernen Fertigung und besteht aus verschiedenen Komponenten, Achsenkonfigurationen und speziellen Tischen, die zusammen eine präzise Bearbeitung ermöglichen.
Die acht Schlüsselkomponenten
Eine CNC-Fräsmaschine besteht aus mehreren zentralen Bauteilen, die im Zusammenspiel die präzise Bearbeitung ermöglichen.
Komponente |
Funktion |
| Spannfutter | Hält das Fräswerkzeug sicher in Position |
| Werkzeugspindel | Erzeugt die Rotationsbewegung des Werkzeugs |
| Werkstückspannung | Fixiert das Werkstück während der Bearbeitung |
| Werkzeugwechselvorrichtung | Wechselt automatisch zwischen verschiedenen Werkzeugen |
| Kühlschmiermittel | Reduziert Reibung und Wärmeentwicklung |
| Steuerungseinheit | Verarbeitet den G Code und steuert alle Bewegungen |
| Fräswerkzeug | Trägt das Material vom Werkstück ab |
| Bedienfeld | Ermöglicht die manuelle Steuerung und Überwachung |
Warum ist Requalifizierung beim Lieferantenwechsel ein Risiko?
Die Anzahl der Achsen bestimmt, welche Geometrien eine CNC-Fräsmaschine bearbeiten kann.
- 3-Achs-Maschinen eignen sich für einfache Geometrien mit Bewegungen entlang der X, Y und Z Achse.
- 4-Achs-Maschinen ergänzen eine Rotationsachse für zusätzliche Bearbeitungswinkel.
- 5-Achs-Maschinen ermöglicht die Bearbeitung komplexer Bauteile und komplexen Formen bei der Bearbeitung komplexerer Geometrien in einem einzigen Arbeitsgang, wie etwa bei Turbinenschaufeln, da Werkzeug und Werkstück gleichzeitig in fünf Richtungen bewegt werden können.
- Portalfräsmaschinen wiederum sind auf großformatige Werkstücke ausgelegt, bei denen das Werkzeug über ein feststehendes Portal geführt wird.
Spezial-Maschinentische
Konsolentische lassen sich in der Höhe verstellen und eignen sich für flexible Aufspannsituationen. Raster oder Matrixtische bieten ein Gitter aus Bohrungen zur schnellen Werkstückfixierung. Glatttische bieten eine ebene, durchgehende Fläche und eignen sich besonders für großflächige oder unregelmäßig geformte Werkstücke.
Verfahren, Werkzeuge und Kinematik
Der Erfolg des CNC-Fräsens basiert auf der präzisen Abstimmung von Fräsverfahren, der maschinellen Kinematik und der Auswahl der passenden Werkzeuge für die jeweilige Geometrie.
CNC-Fräsverfahren im Überblick
FACTUREE setzt je nach Bauteilanforderung unterschiedliche Fräsverfahren ein:
- Planfräsen erzeugt ebene Flächen
- Profilfräsen folgt komplexen Konturen
- Tauchfräsen wird für Nuten eingesetzt
- Schlichtfräsen dient der hochwertigen Endbearbeitung
- Schruppfräsen ermöglicht einen schnellen Materialabtrag in der Vorbearbeitung
- Wälzfräsen kommt vor allem bei Zahnrädern zum Einsatz
- Rundfräsen erzeugt zylindrische Geometrien
- 3D Konturfräsen realisiert komplexe dreidimensionale Freiformflächen
- Gewindefräsen erzeugt Innen oder Außengewinde mit einem rotierenden Werkzeug
- Fasenfräsen bearbeitet Kanten und Fasen an Bauteilen
- Trochoidfräsen nutzt eine kreisförmige Werkzeugbahn für materialschonende Hochleistungsbearbeitung
- HSC Fräsen arbeitet mit hoher Schnittgeschwindigkeit bei geringer Schnitttiefe
- Hartfräsen bearbeitet gehärtete Stähle direkt mit dem Fräser als Alternative zum Schleifen.
3-Achs, 4-Achs und 5-Achs-Fräsen im Vergleich
| Kriterium | 3 Achs Fräsen | 4 Achs Fräsen | 5 Achs Fräsen |
| Geometrie | Einfache, planare Geometrien mit Bearbeitung aus einer Richtung | Zusätzliche Rotationsachse ermöglicht Bearbeitung an mehreren Seiten ohne Umspannen | Komplexe Freiformflächen und Konturen aus allen Raumrichtungen |
| Hinterschnitte | Nicht möglich ohne Umspannen des Werkstücks | Eingeschränkt möglich durch Rotationsachse | Möglich durch simultane Bewegung von Werkzeug und Werkstück |
| Toleranzen | Gut für Standardtoleranzen | Höhere Genauigkeit durch weniger Umspannvorgänge | Sehr enge Toleranzen auch bei komplexen Geometrien |
| Kosten | Niedrigste Kosten pro Bauteil | Mittleres Kostenniveau | Höchste Kosten aufgrund komplexerer Maschinentechnik |
| Lieferzeit | Kürzeste Bearbeitungszeit bei einfachen Teilen | Mittlere Bearbeitungszeit | Längere Programmierzeit, aber weniger Umspannvorgänge in der Fertigung |
Fräsertypen
Die Wahl des richtigen Fräsers hängt von Material und Geometrie ab.
Zu den gängigen Typen zählen Schaftfräser, Torusfräser, Radiusfräser, Planfräser, Walzenstirnfräser, Kugelfräser, Eckradiusfräser, Scheibenfräser sowie Gewindefräser.
Hartmetall und Diamantfräser kommen bei besonders abrasiven oder harten Materialien zum Einsatz.
Materialvielfalt beim CNC-Fräsen
Die Auswahl des geeigneten Werkstoffs ist ein kritischer Faktor beim CNC-Fräsen, da die vielfältigen Materialgruppen jeweils spezifische Anforderungen an den Fräsprozess und die Werkzeugwahl stellen.
Metalle
Aluminium überzeugt durch geringes Gewicht und wird häufig im Leichtbau eingesetzt. Stahl bietet hohe Festigkeit für stark beanspruchte Bauteile. Titan kommt aufgrund seiner Biokompatibilität und Festigkeit in der Medizintechnik und Luftfahrt zum Einsatz. Messing wird häufig für dekorative Anwendungen und in der Elektronik verwendet.
Kunststoffe
Acryl eignet sich für optisch anspruchsvolle Anwendungen, Polycarbonat besticht durch hohe Schlagfestigkeit und POM zeichnet sich durch geringen Verschleiß aus, weshalb es sich besonders für Isolatoren oder Prototypen eignet.
Holz und Holzwerkstoffe
Beim Fräsen von Hartholz und Weichholz sind unterschiedliche Vorschubgeschwindigkeiten und Werkzeuggeometrien erforderlich. Plattenmaterialien wie MDF, Sperrholz, Multiplex und Spanplatten stellen jeweils eigene Anforderungen an Werkzeug und Absaugung.
Faserverbundwerkstoffe
GFK und CFK verhalten sich stark abrasiv, weshalb der Einsatz von Diamantwerkzeugen und einer Spezialabsaugung erforderlich ist, um Werkzeugverschleiß und Staubbelastung zu reduzieren.
Vor- und Nachteile sowie alternative Fertigungsverfahren
Obwohl das CNC-Fräsen hohe Standards in Präzision und Flexibilität setzt, ist eine ganzheitliche Betrachtung der Vor- und Nachteile sowie der Vergleich mit anderen Fertigungsverfahren entscheidend für die optimale Prozesswahl.
Vorteile des CNC-Fräsens
Das Verfahren bietet hohen Genauigkeiten, hohen Wiederholgenauigkeiten, gleichbleibender Qualität, reduziert das Risiko menschlicher Fehler und erlaubt die Herstellung komplexer Teile aus einer breite Palette verschiedener Materialien. Da jedes Bauteil innerhalb einer Serie identische Spezifikationen erreicht, steigt die Effizienz erheblich.
FACTUREE setzt CNC-Fräsen zudem für ein breites Spektrum an Materialien und Geometrien ein. Da Programme nach einmaliger Erstellung beliebig oft wiederholt werden können, eignet sich das Verfahren sowohl für Einzelanfertigungen als auch für größere Serien.
Nachteile des CNC-Fräsens
Ein Nachteil des CNC-Fräsens liegt im höheren Materialabtrag, da überschüssiges Material als Verschnitt entsteht, was sich bei teuren Werkstoffen wie Titan unmittelbar auf die Kosten auswirkt. Zudem erfordert die Anschaffung einer CNC-Fräsmaschine eine hohe Anfangsinvestition sowie qualifiziertes Fachpersonal für Programmierung und Einrichtung.
Bei sehr komplexen inneren Hohlräumen stößt CNC-Fräsen an physikalische Grenzen, da das Werkzeug jede Fläche direkt erreichen muss. In solchen Fällen bietet additive Fertigung häufig die praktikablere Lösung.
Alternativen im Vergleich
Additive Fertigung eignet sich besser für Bauteile mit komplexen inneren Hohlräumen und erzeugt weniger Verschnitt. Spritzguss ist bei Kunststoffbauteilen in Millionenstückzahlen kostengünstiger, erfordert jedoch hohe Anfangsinvestitionen für das Spritzgusswerkzeug.
Kosten, Optimierung und Beschaffung
Preisfaktoren
Der Preis eines CNC-gefrästen Bauteils hängt von mehreren Faktoren ab. Material, komplexe Geometrien, Qualität der CAD-Datei, Stückzahl und geforderte enge Toleranzen bestimmen gemeinsam den Endpreis.
Prozessoptimierung im Alltag
Spezialisierte Lösungen wie ein zusätzlicher Frästisch für schnelle manuelle Nacharbeiten parallel zur eigentlichen CNC-Bearbeitung tragen zur Effizienzsteigerung im Fertigungsalltag bei.
CNC-Frästeile bei FACTUREE
FACTUREE ist eine digitale Beschaffungsplattform für Zeichnungsteile mit einem Netzwerk von über 2.000 qualifizierten Fertigungspartnern in Europa. Wir bieten eine breite Palette an Fertigungsmöglichkeiten, wobei das Netzwerk zertifizierte CNC-Fräszentren mit 3-, 4- und 5-Achs-Technologie sowie CNC-Drehen für Metalle, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe umfasst. Über FACTUREE können Sie Einzelteile, Prototypen sowie Klein- bis Großserien mit enge Toleranzen CNC-fräsen lassen.
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CNC-Fräsen ist bei FACTUREE nahtlos kombinierbar mit Oberflächenveredelung wie Eloxieren und Pulverbeschichtung, mit CNC-Drehen für Rotationsteile und mit Wärmebehandlung aus einer Hand.
Ihre Vorteile bei der Beschaffung über FACTUREE: Qualifiziertes Netzwerk zertifizierter CNC-Fräsbetriebe (DIN EN ISO 9001, AS9100, NADCAP) | Schnelle Angebote für Einzelteile, Prototypen und Serienfertigung, von 3-Achs- bis 5-Achs-Bearbeitung | Direkte Anfrage mit Werkstoff, Zeichnung, Toleranzangabe und Stückzahl | Technische Unterstützung bei Materialwahl, Fräsverfahren und Konstruktionsoptimierung durch Fach-Team | CNC-Fräsen kombinierbar mit Drehen, Oberflächenveredelung und Wärmebehandlung aus einer Hand.
Editorial Note: Dieser Leitfaden wurde in Zusammenarbeit mit FACTUREEs Fachexperten für Fertigungstechnologie erstellt, die auf jahrelange Erfahrung in der Koordination zertifizierter Produktionsprozesse zurückgreifen. Alle Angaben sind Orientierungswerte; verbindlich sind nur die projektbezogene Prüfung und Vereinbarung.
Häufig gestellte Fragen zum CNC-Fräsen
Was ist der Unterschied zwischen CNC-Fräsen und CNC-Drehen?
FACTUREE unterscheidet beide Verfahren anhand der Werkstückbewegung. Beim CNC-Fräsen rotiert das Werkzeug, während das Werkstück meist feststeht. Beim CNC-Drehen rotiert dagegen das Werkstück, während ein feststehendes Werkzeug Material abträgt.
Welche Materialien kann FACTUREE beim CNC-Fräsen verarbeiten?
FACTUREE bearbeitet ein breites Spektrum an Materialien, darunter Metalle wie Aluminium, Stahl, Titan und Messing, Kunststoffe wie Acryl, Polycarbonat und POM sowie Holzwerkstoffe und Faserverbundwerkstoffe wie GFK und CFK.
Wie lange dauert die Fertigung eines CNC gefrästen Bauteils bei FACTUREE?
FACTUREE richtet die Lieferzeit nach Komplexität, Material und Stückzahl des Bauteils aus. Über die Online Plattform erhalten Kunden bereits bei der Kalkulation eine verbindliche Aussage zur voraussichtlichen Lieferzeit.
Welche Achsensysteme setzt FACTUREE beim CNC-Fräsen ein?
FACTUREE arbeitet je nach Bauteilanforderung mit 3-, 4- und 5-Achs-Maschinen. Komplexe Freiformgeometrien werden dabei über das zertifizierte Partnernetzwerk auf 5-Achs-Maschinen realisiert.
Ist CNC-Fräsen für Einzelteile und Prototypen geeignet?
FACTUREE fertigt sowohl Einzelteile und Prototypen als auch Serienbauteile. Der digitale Bestellprozess ist dabei skalierbar und deckt beide Anwendungsfälle über denselben Ablauf ab.
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