Materialbeschaffung für CNC: Tipps für Ihr CNC-Material
Die Materialbeschaffung für CNC ist eine der wichtigsten Entscheidungen im Fertigungsprozess eines gefrästen oder gedrehten Bauteils. Das gewählte CNC-Material bestimmt die Funktionalität und Leistungsfähigkeit. Es definiert auch, wie effizient, wirtschaftlich und prozesssicher ein Bauteil hergestellt werden kann.
Ein gut geplantes Teil im CAD-Modell kann in der Praxis teuer oder unmöglich herzustellen sein. Das passiert, wenn der gewählte CNC-Werkstoff nicht zu den Bearbeitungsparametern, Toleranzen oder Zerspanungsanforderungen passt. Dieser Leitfaden soll Sie bei der strukturierten Materialauswahl und Materialbeschaffung für CNC-Projekte unterstützen
Einleitung
Mit diesem Leitfaden zur Materialbeschaffung für CNC erhalten Ingenieure und Einkäufer eine wertvolle Orientierungshilfe. Damit sollen sie problemlos die richtigen CNC-Werkstoffe wählen können. Er erklärt die wichtigsten Materialgruppen und beleuchtet ihre spezifischen Eigenschaften.
Außerdem analysiert er deren Auswirkungen auf die Kosten und die Fertigbarkeit. So wird eine solide Grundlage für die Optimierung des CNC-Teils geschaffen, vom ersten Entwurf bis zur Serienproduktion.
Um die beste Entscheidung für CNC-Materialien in Ihrem Projekt zu treffen, helfen Ihnen die Experten von FACTUREE. Wir prüfen gemeinsam die entscheidenden Kriterien, um sicherzustellen, dass Ihr Bauteil von Anfang an perfekt konzipiert ist.
Die wichtigsten CNC-Materialien im Detail
Die gängigen CNC-Materialien lassen sich in fünf Hauptkategorien unterteilen: Aluminiumlegierungen, Stähle, Edelstähle, Weichmetalle und Kunststoffe. Ergänzend dazu gewinnen auch CNC-Verbundwerkstoffe und Keramiken an Bedeutung. Jede dieser Gruppen bringt ein einzigartiges Set an Eigenschaften und Herausforderungen mit sich.
CNC-Stahl und Metallbearbeitung
Metalle werden bei der CNC-Bearbeitung am häufigsten verwendet. Aufgrund ihrer Stärke, Härte und Vielseitigkeit sind sie das beliebteste Material im Maschinenbau und in der Luftfahrt.
Aluminium
Aluminium ist das wohl am häufigsten bearbeitete CNC-Metall. Es zeichnet sich durch ein hohes Festigkeit-zu-Gewicht-Verhältnis, eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und eine hervorragende Bearbeitbarkeit aus.
- Aluminium 6061 (Al-Mg1SiCu) ist ein vielseitiges Material. Es hat eine mittlere Festigkeit, lässt sich gut schweißen und rostet nicht schnell. Deshalb wird es oft für Bauteile in der Technik, im Fahrzeugbau oder bei Fahrrädern verwendet. Die Zugfestigkeit liegt bei bis zu 290 MPa, die Dichte bei 2,70 g/cm³. Es ist eine günstige Wahl, wenn keine extrem hohe Festigkeit nötig ist.
- Aluminium 7075 (Al-Zn6MgCu) ist viel fester und widerstandsfähiger als 6061. Es ist leicht (2,81 g/cm³) und hat eine sehr hohe Zugfestigkeit von bis zu 572 MPa. Daher wird es oft in der Luft- und Raumfahrt verwendet – zum Beispiel für Flugzeugteile. Die Bearbeitung ist schwieriger als bei 6061, aber durch seine Härte entstehen dabei kaum Grate oder raue Kanten.
Stahl
Stahl ist in der CNC-Bearbeitung ein Allrounder. Er bieten eine hervorragende Zugfestigkeit, Härte und Haltbarkeit und sind zudem sehr kostengünstig. Sie finden in Bereichen Anwendung, in denen hohe mechanische Belastungen im Vordergrund stehen.
- Kohlenstoffstähle (z.B. C45 AISI 1045): Als „weiche“ Stahlsorte gilt C45 als sehr kostengünstig, leicht zu bearbeiten und gut zu schweißen. Er wird häufig in der Automobil- und Bauindustrie für Karosserien, Rahmen und andere Komponenten verwendet. Die typische Schnittgeschwindigkeit liegt bei 70–90 m/min.
- Werkzeugstähle (z.B. 1.2842): Diese Legierungen sind speziell für ihre extreme Härte und Verschleißfestigkeit konzipiert. Sie sind die beste Wahl für die Herstellung von Werkzeugen, Maschinenteilen und Kunststoffformen. Diese müssen hohe mechanische Festigkeiten aufweisen. Die Bearbeitung von Werkzeugstählen ist aufgrund ihrer Härte und des Gehalts an Legierungselementen anspruchsvoll. Es erfordert spezielle Hartmetallwerkzeuge und eine kontrollierte Kühlung, um Überhitzung zu vermeiden.
Edelstahl
Edelstahl ist in der CNC-Bearbeitung unverzichtbar. Sie zeichnen sich durch ihre inhärente Korrosionsbeständigkeit aus, die durch einen Chromgehalt von mindestens 10 % erreicht wird.
Dies macht sie zu einer wichtigen Materialklasse. Sie wird in der Lebensmittel-, Chemie- und Medizintechnik genutzt. Auch in der Schifffahrt findet sie Anwendung.
Die Bearbeitung von austenitischen Edelstählen (z.B. 304, 316) ist aufgrund ihrer Tendenz zur Kaltverfestigung anspruchsvoll. Denn die Oberfläche wird während des Zerspanens verhärtet und der Werkzeugverschleiß drastisch erhöht. Die empfohlenen Schnittgeschwindigkeiten liegen bei lediglich 40–60 m/min, was zu längeren Bearbeitungszeiten führt.
- Edelstahl 303 (1.4305) ist sehr gut zerspanbar. Das heißt, er lässt sich leicht CNC-fräsen oder drehen. Deshalb ist er gut für die Herstellung großer Stückzahlen geeignet. Er rostet jedoch etwas schneller als andere Edelstähle.
- Edelstahl 304 (1.4301) ist der am häufigsten verwendete Edelstahl. Er rostet kaum, ist stabil und lässt sich gut schweißen. Man findet ihn oft in Küchen, bei Rohren oder Spülbecken.
- Edelstahl 316L (1.4404) ist noch beständiger gegen Rost – besonders bei Salzwasser oder Chemikalien. Deshalb wird er oft im Schiffbau oder in der Medizintechnik eingesetzt. Er ist aber teurer und schwerer zu bearbeiten als 304.
Buntmetalle: Messing & Kupfer
Buntmetalle wie Messing und Kupfer sind gut für die CNC-Bearbeitung. Sie haben eine gute Bearbeitbarkeit und spezielle Eigenschaften.
- Messing: Messing (z.B. MS58) ist ein sehr weicher Werkstoff mit hervorragender Zerspanbarkeit. Daher ist er ideal für die Produktion komplexer CNC-Teile. Dieser Werkstoff ist gut verformbar bei normaler Temperatur und lässt sich gut weich- und hartlöten. Deshalb wird er oft im Auto- und Schiffbau sowie für Armaturen und Steckverbindungen verwendet.
- Kupfer: Kupfer (z.B. C101) zeichnet sich durch seine hervorragende thermische und elektrische Leitfähigkeit aus. Diese Eigenschaft macht es zu einem unverzichtbaren Material für elektronische Bauteile und Kühlkörper in der Elektrotechnik. Mit einer typischen Schnittgeschwindigkeit von 150–200 m/min ist es sehr gut zerspanbar. Trotzdem kann seine Duktilität die Bildung von Aufbauschneiden fördern.
Titan
Titan (z.B. Gütegrad 5 / Ti-6Al-4V): Dieses Leichtmetall zeichnet sich durch ein außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aus. Seine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität machen es zum Schlüsselmaterial für anspruchsvolle Anwendungen. Es wird gerne in der Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik und im Hochleistungsautomobilbau eingesetzt.
Die Bearbeitung von Titan stellt allerdings hohe Anforderungen an den Fertigungsprozess. Aufgrund der extrem geringen Wärmeleitfähigkeit des Materials konzentriert sich die entstehende Hitze an der Schneidkante des Werkzeugs.
Das führt zu extrem schnellem Verschleiß. Um dies auszugleichen, sind sehr niedrige Schnittgeschwindigkeiten von 20 bis 30 m/min nötig. Außerdem benötigt man spezielle hitzebeständige Werkzeuge und Kühlmittel mit hohem Druck. Diese Faktoren machen Titan zu einem der teuersten Materialien in der CNC-Bearbeitung.
Kunststoffe: Leicht, vielseitig und kosteneffizient
Kunststoffe haben sich als etablierte Alternative zu Metallen in der CNC-Bearbeitung durchgesetzt. Ihre Vorteile liegen in ihrem geringen Gewicht, ihrer elektrischen Isolierfähigkeit, ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihrer oft ausgezeichneten Zerspanbarkeit.
- ABS: Dieser weit verbreitete Thermoplast bietet eine gute Festigkeit, Hitzebeständigkeit und Bearbeitbarkeit. ABS wird häufig für Prototypen vor dem Spritzguss verwendet.
- POM (Delrin): Dieser Kunststoff ist bekannt für seine hervorragende Zerspanbarkeit. POM ist sehr steif und formstabil. Es weist eine geringe Reibung und Wasseraufnahme auf. Daher ist es ideal für Präzisionsteile wie Zahnräder und Lager.
- Polycarbonat (PC): Ein extrem haltbarer Thermoplast, der sich durch eine höhere Schlagzähigkeit als ABS auszeichnet. Aufgrund seiner Transparenz und Bruchsicherheit wird er oft als Glasersatz verwendet.
- PEEK: Dieser Hochleistungskunststoff (Polyetheretherketon) bietet eine erstaunliche thermische Stabilität und chemische Beständigkeit. Mit seinen hervorragenden mechanischen Eigenschaften kann PEEK in einigen Anwendungen Metallmaterialien ersetzen.
Ein entscheidender Vorteil in der Medizintechnik sind seine Biokompatibilität und die Fähigkeit, mehrere Sterilisationszyklen zu überstehen. Die Bearbeitung erfordert jedoch spezielle Vorkehrungen, um innere Spannungen und Risse zu vermeiden. Für medizinische Geräte ist oft eine Trockenbearbeitung notwendig, um die Biokompatibilität nicht zu beeinträchtigen
CNC-Verbundwerkstoffe
CNC-Verbundwerkstoffe wie CFK und GFK sind bekannt für ihr gutes Verhältnis von Festigkeit und Gewicht. Sie haben auch eine hohe Steifigkeit. Ihre Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und bei Sportgeräten ist weit verbreitet.
Die Zerspanung dieser Materialien stellt jedoch eine besondere Herausforderung dar. Der entstehende leitfähige Feinstaub kann nicht nur die Gesundheit schädigen, sondern auch empfindliche Elektronik beschädigen. Deshalb sind spezielle, geschlossene CNC-Maschinen wichtig. Sie brauchen gute Absaugkonzepte und strenge Richtlinien (TRGS 900).
Vergleich der typischen CNC-Werkstoffe
Die nachfolgende Tabelle dient als strategische Orientierungshilfe, um die initiale Materialauswahl für die CNC-Bearbeitung zu erleichtern.
| Materialgruppe | Bearbeitbarkeit | Relative Kosten (€/kg) | Hauptvorteil | Herausforderung |
|---|---|---|---|---|
| Metalle | ||||
| Aluminium | Ausgezeichnet | Niedrig | Hohes Festigkeit-Gewicht-Verhältnis | Hitzeausdehnung, Gratbildung |
| Stähle | Gut bis Mäßig | Sehr niedrig | Hohe Festigkeit, kostengünstig | Rost (Kohlenstoffstahl) |
| Edelstähle | Mäßig | Mittel | Hohe Korrosionsbeständigkeit | Spanabfuhr, Aushärtung |
| Weichmetalle | Ausgezeichnet | Mittel | Leitfähigkeit, Ästhetik | Geringere Festigkeit |
| Titan | Mäßig bis Gering | Hoch | Hohe Festigkeit, Biokompatibilität | Werkzeugverschleiß, Wärmeableitung |
| Kunststoffe | ||||
| Standard-Thermoplaste | Ausgezeichnet | Sehr niedrig | Kosteneffizienz, Leichtigkeit | Geringere Festigkeit, Formstabilität |
| Hochleistungskunststoffe | Gut | Hoch | Extrem hohe Performance | Kosten, spezielle Prozessparameter |
| Verbundwerkstoffe | ||||
| CFK/GFK | Mäßig | Hoch | Extreme Steifigkeit, Leichtigkeit | Gefährlicher Feinstaub, abrasiv |
Mögliche Oberflächengüten und Nachbearbeitungsmethoden*
| Materialgruppe | Nachbearbeitungsverfahren | Hauptvorteil |
|---|---|---|
| Aluminium | ||
| Eloxieren | Korrosionsschutz, Ästhetik | |
| Polieren | Ästhetik, reflektierende Oberfläche | |
| Pulverbeschichtung | Robustheit, Ästhetik | |
| Stahl / Edelstahl | ||
| Passivieren | Hohe Korrosionsbeständigkeit | |
| Schwarzoxidbeschichtung | Ästhetik, leichter Korrosionsschutz | |
| Polieren | Ästhetik, Funktion (Lager) | |
| Pulverbeschichtung | Robustheit, Ästhetik | |
| Kunststoffe | ||
| Polieren | Ästhetik, Transparenz (z.B. Acryl) | |
| Allgemein | ||
| Glasperlstrahlen, Sandstrahlen | Kosmetische Oberfläche, diffuse Textur | |
*Hier ist nur eine Auswahl möglicher Oberflächen- und Nachbearbeitungsmethoden, die FACTUREE anbietet. Hier finden Sie alle Oberflächenbehandlungen des Online-Fertigers.
Eine Checkliste zur Materialbeschaffung für CNC
Sie sind sich unsicher, welches CNC-Material für Ihr Bauteil das Richtige ist?
Nutzen Sie unseren einfachen Leitfaden, um die entscheidenden Faktoren zu klären und die optimale Wahl zu treffen.
Was ist die Hauptanforderung an Ihr Bauteil?
[Hohe Festigkeit / Härte / Verschleißfestigkeit]
[Geringes Gewicht (Leichtbau)]
[Maximale Korrosions- / Chemikalienbeständigkeit]
[Spezifische elektrische / thermische Eigenschaften]
[Möglichst geringe Gesamtkosten (Material + Bearbeitung)]
In welcher Umgebung wird das Bauteil eingesetzt?
[Innenraum, trocken, normale Temperatur]
[Außenbereich, Witterung / Feuchtigkeit]
[Kontakt mit Salzwasser / aggressiven Chemikalien]
[Hohe oder sehr niedrige Temperaturen]
Welche weiteren Faktoren sind entscheidend?
[Schnelle & kostengünstige Bearbeitung (hohe Zerspanbarkeit)]
[Komplexe Geometrie mit dünnen Wänden oder tiefen Taschen]
[Besonders hohe Oberflächengüte / dekorative Optik]
[Ein ausgewogenes Verhältnis aller Eigenschaften]
Ihre Antworten helfen uns, die besten Werkstoffe auszuwählen. So können wir Sie gut zu Ihrer optimalen Lösung beraten.
Praxisbeispiele des CNC-Materials aus Branchen
Um die strategische Materialauswahl zu veranschaulichen, werden die folgenden Fallstudien aus der Praxis vorgestellt.
Fallstudie 1: Luft- und Raumfahrt
Die Luft- und Raumfahrtindustrie stellt höchste Anforderungen an die Leistung des Materials. Hier sind geringes Gewicht, extreme Festigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Zuverlässigkeit unter extremen Bedingungen (Temperatur, Druck) von größter Bedeutung. Aluminiumlegierungen, insbesondere die Hochleistungssorte:
- 7075, sind aufgrund ihres hohen Festigkeit-zu-Gewicht-Verhältnisses das primäre Material für Flugzeugzellen, Flügel und Rumpfschotte.
- Titan wird für kritische Triebwerkskomponenten und Fahrwerke verwendet.
- Hochleistungskunststoffe wie PEEK werden zunehmend als Metallersatz für leichtere, hitzebeständige Teile eingesetzt.
Fallstudie 2: Automobilindustrie
In der Automobilindustrie ist die Materialauswahl ein direkter Zielkonflikt zwischen Kosten, Funktionalität und Produktionsvolumen.
- Für Karosserien und viele Strukturteile wird oft günstiger Kohlenstoffstahl verwendet. Er bietet eine gute Balance aus Zähigkeit, Festigkeit und Wirtschaftlichkeit in der Massenproduktion.
- Aluminiumlegierungen finden in gewichtssensiblen Bereichen wie Motor- und Fahrwerkskomponenten Verwendung.
- Messing wird oft im Auto- und Schiffbau verwendet, weil es sich gut bearbeiten lässt und lange hält. Es ist zudem sehr gut recyclebar, ohne dass es dabei an Qualität verliert.
Fallstudie 3: Medizintechnik
In der Medizintechnik werden verschiedene Materialien benötigt, die höchste Ansprüche an Präzision, Langlebigkeit, Biokompatibilität und Sterilisierbarkeit erfüllen. Aus diesem Grund werden neben Metallen wie Titan auch Hochleistungskunststoffe eingesetzt.
Der Hochleistungskunststoff PEEK hat sich als erfolgreicher Titan-Ersatz bei der Herstellung von Implantaten wie Wirbelsäulenfusionsgeräten etabliert. Ein entscheidender Vorteil ist die Biokompatibilität des Materials.
Diese ermöglicht den begrenzten Kontakt mit Haut und Gewebe. Und sie erlaubt seinen Einsatz in Zahnimplantaten und Prothesen. Zusätzlich übersteht PEEK in medizinischer Qualität ohne Qualitätsverlust multiple Sterilisationszyklen, was für medizinische Instrumente von zentraler Bedeutung ist.
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