CNC-Maschinen sind das Herzstück aller modernen Fertigungsprozesse. Sie finden überall Anwendung, von der Präzisionsfertigung von Prototypenteilen bis hin zur Serienproduktion. Deshalb haben sich diese Maschinen in vielen verschiedenen Ausführungen weiterentwickelt, um den jeweiligen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden.
Mehrachsige CNC-Maschinen haben sich unter den vielen verschiedenen Maschinentypen als bevorzugte Option etabliert. Sie können Teile fertigen, die eine hohe Komplexität aufweisen oder einem ultrapräzisen Standard entsprechen müssen.
Aufgrund der fortschrittlichen Technologie fragen sich viele Fachleute oft nach den Grundlagen von Mehrachsen-CNC-Maschinen und deren Eignung für bestimmte Anwendungen. Dieser Artikel beleuchtet diese Fragen und gibt Tipps zur Optimierung des Fertigungsprozesses mit Mehrachsen-CNC-Maschinen.
Was ist mehrachsige CNC-Bearbeitung?
Mehrachsige CNC-Bearbeitung ist eine Art des CNC-Bearbeitungsprozesses Dabei kann sich das Schneidwerkzeug in vier oder mehr als vier Richtungen bewegen. Das Schneidwerkzeug wird gesteuert durch Computer-Numerische Steuerung (CNC).
Die Mehrachsenbearbeitung ist im Vergleich zur Zwei- oder Dreiachsenbearbeitung deutlich komplexer. Zusätzliche Achsen erfordern zusätzliche Technologie und eine komplexere Programmierung.
Bei der Mehrachsenbearbeitung werden beliebig viele Achsen einer 3-Achs-CNC-Maschine gezählt, z. B. 4, 5, 6, 10, 12.
In der Praxis wurden CNC-Maschinen mit bis zu 12 Achsen entwickelt. Maschinen mit mehr Achsen können in der Regel bessere Teile herstellen, treiben aber die Kosten erheblich in die Höhe.
Wie funktioniert die mehrachsige CNC-Bearbeitung?
Standardmäßige CNC-Bearbeitungsprozesse, wie die 3-Achs-CNC-Bearbeitung, nutzen drei Bewegungsrichtungen – die X-, Y- und Z-Achse. Die Mehrachsenbearbeitung geht noch einen Schritt weiter und erweitert die Bewegung des Schneidwerkzeugs um eine oder mehrere Achsen. Häufig werden die zusätzlichen Achsenbewegungen zwischen Schneidwerkzeug und Werkstück aufgeteilt.
Hauptkomponenten einer mehrachsigen CNC-Maschine
Die Hauptkomponenten einer mehrachsigen CNC-Maschine sind im Wesentlichen gleich. Zu diesen Komponenten gehören:
- Schneidewerkzeug: Das Schneidwerkzeug ist der Hauptakteur einer CNC-Maschine. Es berührt das Werkstück und trägt Material ab. Diese Werkzeuge gibt es in verschiedenen Formen, abhängig vom CNC-Bearbeitungsprozess und der gewünschten Form des Endprodukts.
- Hauptspindel: Die Hauptspindel wird oft als CNC-Spindel oder einfach Spindel bezeichnet. Vereinfacht gesagt, ist die Spindel das Bauteil, das das Schneidwerkzeug aufnimmt und dreht. Sie bestimmt die Bearbeitungsgeschwindigkeit und die erreichbare Präzision. Die Spindel bewegt sich in der Z-Achse, der Spindelkopf rotiert in der C-Achse.
- Abziehspindel: Die Aufnahmespindel, auch Gegenspindel genannt, dient dazu, das Werkstück während der Bearbeitung zu fixieren. Sie kann sich um die C-Achse drehen, während der Spindelkopf sich entlang der Z-Achse bewegt. Die Werkstückaufnahme wird als Spannzange bezeichnet.
- CNC-Bedienfeld: Das CNC-Bedienfeld ist der Bereich, in dem der Bediener das Programm einstellt und ausführt. Über das Bedienfeld lassen sich die verschiedenen Einstellungen der CNC-Maschine ändern. Häufig bietet das CNC-Bedienfeld auch die Möglichkeit, das Schneidwerkzeug manuell zu führen.
Welche verschiedenen Achsen gibt es bei CNC-Maschinen?
Mehrachsmaschinen können vier bis sieben Achsen in separaten Ebenen aufweisen. Die X-, Y- und Z-Achse, die bei der 3-Achs-CNC-Bearbeitung zum Einsatz kommen, sind auch bei allen Mehrachsmaschinen Standard. Aktuell reichen die Konfigurationen dieser Maschinen bis zu 12 Achsen. Im Folgenden werden die verschiedenen Achsentypen genauer betrachtet, um ihren jeweiligen Bewegungsspielraum zu verstehen.
3-Achsen-CNC-Bearbeitung
Die 3-Achs-Bearbeitung ist die einfachste Form der Mehrachsenbearbeitung und aufgrund ihrer geringeren Kosten auch die beliebteste Wahl. Technisch gesehen erfüllen diese Maschinen jedoch nicht die Anforderungen an eine mehrachsige CNC-Bearbeitung. Das Werkstück ist in diesen Maschinen stationär. Wichtig ist, dass sich eine 3-Achs-Maschine gleichzeitig in alle drei Richtungen bewegen kann, ohne dass Werkstück oder Schneidwerkzeug nachjustiert werden müssen. Die drei Achsen dieser Maschinen sind:
- X-Achse: Die X-Achse bewegt das Schneidwerkzeug von rechts nach links. Die X-Achse verläuft parallel zum Arbeitstisch.
- Y-Achse: Die Y-Achse bewegt das Schneidwerkzeug hin und her über den Arbeitstisch. Die Y-Achse verläuft parallel zum Arbeitstisch.
- Z-Achse: Die Z-Achse ist die Achse, entlang derer sich die Spindel auf und ab bewegt und das Werkstück berührt. Die Z-Achse verläuft parallel zum Spindelkopf und senkrecht zum Arbeitstisch.
Vorteile der 3-Achsen-CNC-Bearbeitung
- Es weist im Vergleich zu anderen Fertigungsverfahren eine hohe Präzision auf.
- Niedrige Anfangskosten führen zu einer wirtschaftlicheren Lösung für kleine Unternehmen.
- Einfache Werkzeuge
Nachteile der 3-Achsen-CNC-Bearbeitung
- Diese Maschinen können keine komplexen Teile bearbeiten.
- Sie können nicht an mehreren Seiten eines Werkstücks arbeiten.
- Die Fertigungsgeschwindigkeit ist im Vergleich zur mehrachsigen CNC-Bearbeitung geringer.
Anwendungen der 3-Achsen-CNC-Bearbeitung
Die 3-Achs-CNC-Bearbeitung eignet sich gut für die Fertigung von Werkstücken in zwei (2D) oder zweieinhalb Dimensionen (2.5D). Mit einer 3-Achs-Maschine lassen sich zwar alle Seiten eines Werkstücks bearbeiten, dies erfordert jedoch mehrere Aufspannungen pro Fläche. Daher ist der Einsatz einer 3-Achs-Maschine eher für Einzelanfertigungen komplexer Teile geeignet.
4-Achsen-CNC-Bearbeitung
Die 4-Achs-Bearbeitung erweitert die 3-Achs-Bearbeitung um eine weitere Achse. Die Komplexität der Werkstücke erhöht sich dadurch jedoch nicht wesentlich, und das Werkstück bleibt weiterhin stationär. Diese Maschinen verfügen neben den drei Standardachsen über eine vierte Drehachse. Das Schneidwerkzeug kann sich ohne Nachjustierung gleichzeitig in diesen vier Achsen bewegen. Die Achsenstruktur ist wie folgt:
- X-Achse: Bewegung von rechts nach links auf dem Arbeitstisch
- Y-Achse: Bewegung von oben nach unten auf dem Arbeitstisch
- Z-Achse: Die Spindel wird senkrecht zum Arbeitstisch auf und ab bewegt.
- A-Achse: Eine Drehachse, die das Schneidwerkzeug entlang der X-Achse dreht.
Vorteile der 4-Achsen-CNC-Bearbeitung
- Fähigkeit, abgewinkelte Elemente auf einer zweidimensionalen Basis zu erstellen.
Nachteile
- Der Preisanstieg führt gegenüber der 3-Achsen-Variante zu keinem großen Vorteil.
Anwendungen der 4-Achsen-CNC-Bearbeitung
4-Achs-CNC-Maschinen eignen sich gut, wenn das Projekt 2D-Anwendungen des 3-Achs-Schneidens sowie eine besondere Zusatzanforderung wie beispielsweise das Gravieren erfordert.
5-Achsen-CNC-Bearbeitung
Die 5-Achs-CNC-Bearbeitung ist die beliebteste Option für die Mehrachsenbearbeitung. Sie bietet eine deutlich höhere Leistung als 3-Achs-Maschinen, was für viele Projekte erforderlich ist. Neben der linearen X-, Y- und Z-Achse gibt es zwei weitere Achsen. Die Achsenstruktur dieser Maschinen ist wie folgt:
- X-Achse
- Y-Achse
- Z-Achse
- A-Achse: Drehachse entlang der X-Achse
- B-Achse: Drehachse entlang der Y-Achse
In einigen Fällen bewegt sich die Maschine nicht in Richtung der B-Achse, sondern in Richtung der C-Achse.
- C-Achse: Drehachse entlang der Z-Achse (Ersatz für die B-Achse)
3+2 Bearbeitung
Die 3+2-Bearbeitung wird oft mit der 5-Achs-Bearbeitung verwechselt, ist aber grundlegend anders. Sie ist eine Weiterentwicklung der 3-Achs-Bearbeitung mit einem Drehtisch. Der Tisch fixiert das Werkstück, und erst dann erfolgt die 3-Achs-Bearbeitung. Im Gegensatz dazu erfordert die 5-Achs-Bearbeitung die gleichzeitige Bewegung mehrerer Achsen.
Vorteile der 5-Achsen-CNC-Bearbeitung
- Mehrere Facetten eines Werkstücks können gleichzeitig bearbeitet werden.
- Durch die bessere Werkzeugreichweite kann ein kürzeres Schneidwerkzeug verwendet werden.
- Kann man Teile in drei Dimensionen bearbeiten?
- hoher Durchsatz
- Kurze Zykluszeit
Nachteile der 5-Achsen-CNC-Bearbeitung
- Die CNC-Maschine ist sehr teuer.
- Häufigere und teurere Wartungsarbeiten
- Erfordert komplexe Programmierung
- Erfordert einen sehr erfahrenen Bediener
Anwendungen der 5-Achsen-CNC-Bearbeitung
Die 5-Achs-CNC-Bearbeitung eignet sich hervorragend zur Herstellung von 3D-Teilen ohne komplexe interne Geometrie. Diese Maschinen werden unter anderem zur Fertigung von chirurgischen Instrumenten, Verteidigungsteilen, Flugzeugzellen und Motorkomponenten eingesetzt.
6-Achsen-CNC-Bearbeitung
Die 6-Achs-CNC-Bearbeitung baut auf der 5-Achs-Bearbeitung auf und umfasst alle drei Drehachsen. In der Praxis bietet die 6-Achs-Bearbeitung jedoch keinen wesentlichen Vorteil gegenüber der 5-Achs-Variante. Daher verzichten die meisten Hersteller auf diese Technologie und entwickeln stattdessen 7-Achs-CNC-Maschinen. Der Achsenaufbau dieser Maschinen ist wie folgt:
- X-Achse: Lineare Achse 1
- Y-Achse: Lineare Achse 2
- Z-Achse: Lineare Achse 3
- A-Achse: Lineare Achse 4
- B-Achse: Lineare Achse 5
- C-Achse: Lineare Achse 6
Vorteile einer 6-Achs-CNC-Maschine
- Höhere Geschwindigkeit gegenüber einer 5-Achs-CNC-Maschine
- Höhere Präzision
Nachteile der 6-Achs-CNC-Maschine
- Deutlicher Preisanstieg
Anwendungsbereiche von 6-Achs-CNC-Maschinen
5-Achs-CNC-Maschinen erfüllen die meisten Anforderungen. 6-Achs-Bearbeitung wird zur Herstellung von Teilen mit speziellen Anforderungen wie Motorblöcken und Turbinenschaufeln eingesetzt.
7-Achsen-CNC-Bearbeitung
Die 7-Achs-Maschine umfasst alle Linearachsen und die Drehachsen. Zusätzlich kann sie den Werkzeugarm drehen. Üblicherweise ist eine der Drehachsen auf den Arbeitstisch übertragen. Dadurch kann sich das Werkstück dank des Drehtisches in eine oder mehrere Richtungen drehen. Der Achsenaufbau dieser Maschinen ist wie folgt:
- X-Achse
- Y-Achse
- Z-Achse
- A-Achse
- B-Achse
- C-Achse
- E-Achse: Drehung des Arms / Armdrehbewegung
Vorteile der 7-Achsen-CNC-Bearbeitung
- Schnellere Vorlaufzeit
- Höchste Präzision
Nachteile der 7-Achs-CNC-Maschine
- Hohe Kosten
- Für kleine Unternehmen nicht bezahlbar
Anwendungen der 7-Achsen-CNC-Bearbeitung
Eine 7-Achs-Maschine wird für Nischenanwendungen eingesetzt, die komplexe Geometrien erfordern. Dies umfasst im Allgemeinen die Fertigung für den Militär- und Luftfahrtsektor.
8-Achsen-CNC-Bearbeitung
Die 8-Achs-CNC-Bearbeitung erfolgt durch den gleichzeitigen Einsatz zweier 4-Achs-Maschinen. Diese Zwei-Maschinen-Technologie erzielt herausragende Ergebnisse bei der Bearbeitung gekrümmter Oberflächen. Die Maschinen nutzen üblicherweise Hydraulik für die Bewegungsabläufe. Es gibt drei Konfigurationssysteme: Drehmaschinen, Fräsmaschinen und Bearbeitungszentren.
Vorteile einer 8-Achs-CNC-Maschine
- Das gesamte Bauteil kann in einer einzigen Aufspannung bearbeitet werden.
- Hohe Präzision
- Hochgeschwindigkeitsoperationen
- Hochwertiges Ergebnis bei der Bearbeitung gekrümmter Oberflächen
Nachteile der 8-Achs-CNC-Maschine
- Hohe Kosten
- Erfordert außergewöhnlich gute Programmier- und Bedienerkenntnisse.
Anwendungen
Für die Bearbeitung gekrümmter Oberflächen wird die 8-Achs-Bearbeitung bevorzugt. Die Luftfahrtindustrie ist ein wichtiger Markt für solche Maschinen. Zu den üblicherweise mit diesen Maschinen gefertigten Bauteilen gehören Kettenräder, Nockenwellen und Getriebe.
9-Achsen-CNC-Bearbeitung
Eine 9-Achs-CNC-Maschine entsteht durch die Kombination einer 5-Achs-Fräsmaschine und einer 4-Achs-Drehmaschine. Fräsmaschine und Drehmaschine führen in dieser Mehrachsen-Bearbeitungsanordnung jeweils ihre eigenen Arbeitsgänge aus. Die Fräsmaschine fertigt den äußeren Rahmen des Werkstücks. Die Drehmaschine bearbeitet die innere Schnittstelle der Teile.
Vorteile einer 9-Achsen-Einrichtung
- Es ist keine Montage von Sekundärteilen erforderlich.
- Schnellere Fertigung
- Keine Vorrichtungen
- Manuelles Laden nicht erforderlich.
Nachteile der 9-Achsen-Konfiguration
- Sehr komplexe Programmierung
Anwendungen
Dieses Mehrachsen-Bearbeitungsverfahren findet vor allem im medizinischen Bereich Anwendung. Implantierbare medizinische Geräte und Bauteile werden mit dieser Technologie hergestellt. Auch Zahnimplantate werden mittels 9-Achs-Bearbeitung gefertigt.
12-Achsen-CNC-Bearbeitung
Die 12-Achs-CNC-Bearbeitung ist der Inbegriff fortschrittlicher Fertigungstechnik. Diese Mehrachsen-Bearbeitungsanlage verwendet zwei Bearbeitungsköpfe. Jeder Bearbeitungskopf ist selbst ein 6-Achs-CNC-Werkzeug. Daher existieren zwei Sätze von A-, B-, C-, X-, Y- und Z-Achsen. Beide Bearbeitungsköpfe werden von einer einzigen CNC-Steuerung und einem gemeinsamen Programm gesteuert.
Vorteile der 12-Achs-Bearbeitung
- Doppelte Produktionsleistung
- Halbe Bearbeitungszeit
- Extreme Genauigkeit
Nachteile der 12-Achs-Bearbeitung
- Komplexe Programmierung
- Teuerstes Setup
- Kostspielige Arbeitsmittel
Anwendungsbereiche von 12-Achs-CNC-Maschinen
12-Achs-Maschinen sind in Fertigungsbetrieben aufgrund ihrer hohen Kosten und Komplexität nicht weit verbreitet. Die aufwendige Programmierung dieser Maschinen macht andere Optionen vorzuziehen. Dennoch können sie dort eingesetzt werden, wo die Produktionsrate oberste Priorität hat.
Welche Vorteile bietet die Mehrachsenbearbeitung?
Die Mehrachsenbearbeitung bietet gegenüber anderen Bearbeitungsarten mit linearen Achsen mehrere Vorteile. Diese Vorteile sind:
- Die Bearbeitungszeit wird deutlich reduziert.
- Die Mehrachsenbearbeitung ermöglicht die Herstellung sehr komplexer Bauteile.
- Der Produktionsdurchsatz wird erhöht.
- Dank des hohen Produktionsdurchsatzes werden die Überkosten reduziert.
- Die Präzision wird exponentiell verbessert.
- Hohe Präzision bedeutet weniger Ausschuss.
- Es trägt zur Reduzierung des Gesamtabfalls bei.
- Es können kürzere Werkzeuge verwendet werden, was zu weniger Werkzeugbrüchen führt.
- Die Arbeitskosten werden reduziert.
- Die Mehrachsenbearbeitung kann den Anforderungen der Massenproduktion gerecht werden.
- Die Oberflächenbeschaffenheit ist hervorragend.
- Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer Nachbearbeitung.
- Die Mehrachsenbearbeitung ermöglicht die Erzeugung interner Bauteilgeometrien.
Branchen, die die Mehrachsenbearbeitung nutzen
Die Mehrachsenbearbeitung ist zu einem integralen Bestandteil des Maschinenbaus geworden. Viele Branchen setzen diese Maschinen in ihren Montagelinien ein. Beispiele hierfür sind:
Luft- und Raumfahrtindustrie
Die Luft- und Raumfahrtindustrie nutzt alle Arten von Mehrachsen-Bearbeitungstechnologien, von 3-Achs- bis 9-Achs-Systemen. Sie ist auf Innovation und komplexe Bauteile angewiesen. Die Mehrachsenbearbeitung erfüllt die Anforderungen der Luft- und Raumfahrtindustrie problemlos.
Medizintechnik
Präzision ist in der Medizintechnik von höchster Wichtigkeit, da selbst kleinste Fehler für Patienten fatale Folgen haben können. Daher werden chirurgische Instrumente und medizinische Implantate mithilfe von Mehrachsen-Bearbeitungstechnologie hergestellt. Auch Prothesen werden mittels CNC-Mehrachsenbearbeitung gefertigt.
Automobilindustrie
Rahmen und interne Bauteile von Automobilen erfordern die Mehrachsenbearbeitung. Motorblöcke und Getriebe werden fast immer mit diesem Verfahren hergestellt. Die Mehrachsenbearbeitung ermöglicht eine hohe Präzision und gewährleistet so die für die Automobilindustrie notwendige hohe Fertigungsgenauigkeit.
Schmuckindustrie
Die Schmuckindustrie nutzt die Mehrachsenbearbeitung aufgrund ihrer Vorteile wie individueller Anpassungsmöglichkeiten und höchster Präzision in großem Umfang. Mit Mehrachsenmaschinen lassen sich selbst komplexeste Kundenwünsche erfüllen.
Möbelindustrie
Die Möbelindustrie benötigt häufig Schnitzereien und Zierleisten aus ästhetischen Gründen. Diese werden mit Mehrachsenmaschinen hergestellt. Auch andere Möbelstücke, wie beispielsweise Tisch- und Stuhlbeine, lassen sich mit einer solchen Maschine schneller fertigen.
Rüstungsindustrie
Die Verteidigungsindustrie ist aufgrund der hohen Komplexität von Verteidigungsbauteilen auf Mehrachsenmaschinen angewiesen. Ein weiterer Vorteil von Mehrachsenmaschinen besteht darin, dass sie auch schwer zerspanbare Werkstoffe bearbeiten können.
Wie wählt man eine mehrachsige CNC-Maschine aus?
Nicht alle Mehrachsenmaschinen sind gleich. Mit einigen Tipps können Sie Ihre Arbeit mit diesen Maschinen verbessern. Zu diesen Faktoren gehören:
- Legen Sie ein Budget fest, das Sie für die Bearbeitung aufbringen können. Die Bearbeitungskosten hängen vom Preis der Maschine, der Werkzeuge, des Materials und vielen weiteren Faktoren ab. Sollte Ihnen der Prozess zu teuer sein, ziehen Sie die Auslagerung der Bearbeitung in Betracht.
- Ermitteln Sie anhand Ihres Projekts die benötigte Achsenanzahl. Mehrachsenmaschinen sind in Konfigurationen von 4 bis 12 Achsen erhältlich.
- Die Leistungsfähigkeit von CAM-Software (Computer-Aided Manufacturing) ist ein wichtiger Parameter bei der Auswahl von CNC-Maschinen (Computer Numerical Control). CAM-Software bestimmt die Werkzeugwege, die Werkzeugkopfdrehung, den Kühlmittelfluss und viele weitere Funktionen.
- Ermitteln Sie, welche Programmier- und Bedienerkenntnisse für die Bedienung der Mehrachsenmaschine erforderlich sind.
Mehrachsen-Bearbeitungsdienstleister
3ERP, ein führender Zerspanungsbetrieb und Hersteller, ist die beste Wahl, wenn Sie Ihre Zerspanungsarbeiten auslagern möchten. 3ERP verfügt über eine Reihe modernster Mehrachsenmaschinen, die alle Ihre Projektanforderungen erfüllen können.
Darüber hinaus steht Ihnen ein internes Expertenteam zur Seite. Dank ihrer Expertise lassen sich Probleme in der Programmierung, Produktion und Nachbearbeitung vermeiden. Die Produktionszeiten für alle CNC-Bearbeitungsdienstleistungen sind außergewöhnlich kurz, um den Anforderungen der Lieferkette gerecht zu werden.
Fazit
Die Mehrachsenbearbeitung hat die Arbeitsweise moderner Fertigungsprozesse grundlegend verändert. Mit ihr lassen sich selbst komplexeste Teile in einer einzigen Aufspannung herstellen.
Die herausragende Qualität, der geringere Arbeitsaufwand und die längere Werkzeugstandzeit sind nur einige der Gründe, warum Hersteller diese Technologie bevorzugen. Wenn Sie für Ihr nächstes Projekt ein geeignetes Fertigungsverfahren suchen, könnte diese Technologie genau das Richtige für Sie sein.
