Die computergesteuerte numerische Steuerung (CNC) hat die Fertigung revolutioniert. Die Technologie wird seit über 70 Jahren weiterentwickelt und ist zur Grundlage der modernen Produktion geworden. Sie findet Anwendung bei der Herstellung von Endprodukten in allen Fertigungsbranchen.
Die CNC-Prototypenfertigung ist ein Bereich, in dem sich diese Technologie als großer Vorteil erwiesen hat. CNC -Prototypenlösungen sind in jeder Branche unverzichtbar. Daher evaluieren Hersteller häufig verschiedene Methoden zur Herstellung von Prototypen bearbeiteter Teile.
Dieser Artikel untersucht die CNC-Prototypenfertigung und ihre Auswirkungen auf die Fertigungsindustrie. Er behandelt außerdem die Vor- und Nachteile dieser Fertigungsmethode und gibt Tipps zur Optimierung der Prozesse.
Was ist Prototypenbearbeitung?
Bei der Prototypenfertigung oder dem Prototypenbauverfahren stellt ein Hersteller eine kleine Charge des Endprodukts her, mit der Absicht, später eine Serienproduktion durchzuführen.
Ziel der Prototyping-Phase ist es, visuelle Informationen über die endgültigen Teile zu vermitteln, herauszufinden, wie sich ein digitales Design in der Realität auswirkt, und die Eigenschaften des entstehenden Endprodukts zu bestimmen.
Funktionale Prototypen neuer Teile ermöglichen es dem Hersteller außerdem, Konstruktionsfehler zu erkennen und zu beheben, bevor die Serienproduktion des Endprodukts beginnt. Die Beseitigung von Fehlern bereits in der Prototypenphase steigert die Kosteneffizienz der Produktion.
Warum eignet sich CNC-Bearbeitung gut für Prototypenprozesse?
Zu sagen, CNC-Bearbeitung sei gut für die Prototypenphase, wäre eine Untertreibung. Sie ist die bevorzugte Technologie, wenn Prototypenbearbeitungsprozesse erforderlich sind.
Die CNC-Technologie nutzt computergesteuerte Systeme, um die Bewegung des Schneidkopfes und des Werkstücks zu überwachen. Diese Bewegung lässt sich in kleinsten Schritten steuern – etwas, das mit alternativen Prototyping-Verfahren nicht möglich ist.
Die CNC-Prototypenfertigung beginnt mit der Erstellung eines 3D-CAM-Modells des Endprodukts. Nach Fertigstellung des Modells wird dieses in eine CAD-Datei umgewandelt. Im Gegensatz zu einer CAM-Datei (Computer-Aided Manufacturing) wird eine CAD-Datei von den CNC-Maschinen direkt verstanden, da sie Anweisungen für die Maschinenbedienung enthält.
CAD-Dateien werden in CAM-Dateien konvertiert, die den G-Code und den M-Code enthalten. Der G-Code steuert die Bewegung, und der M-Code bezieht sich auf den allgemeinen Betrieb der CNC-Maschine, wie beispielsweise die Kühlmittelsteuerung.
Was sind die Vorteile der CNC-Prototypenfertigung?
Wenn Sie sich fragen, ob Sie alternative Prototyping-Verfahren oder CNC-Bearbeitungszentren für Prototypen wählen sollten, sollten Sie diese Vorteile der CNC-Bearbeitung berücksichtigen :
Wiederholbarkeit und Konsistenz
Im Gegensatz zu alternativen Prototypenverfahren zeichnet sich ein CNC-Prototyp durch eine hohe Wiederholgenauigkeit aus. Das bedeutet, dass jedes durch CNC-Bearbeitung hergestellte Endprodukt eine exakte Kopie jedes anderen Endprodukts ist, das mit demselben Verfahren hergestellt wurde.
Die Möglichkeit, stets identische Produkte herzustellen, macht CNC-Bearbeitung ideal für Prototypen-Bearbeitungszentren. Prototypen sollen exakte Kopien des Originaldesigns sein. Diese präzise Nachbildung ist nur mit den geringen Toleranzen möglich, die die CNC-Bearbeitung bietet.
Hohe Präzision
Dank der präzisen Steuerung der Schneidwerkzeugbewegung ermöglicht die CNC-Bearbeitung enge Toleranzen und hohe Genauigkeit. Dies ist bei Prototypen unerlässlich, um deren Eignung für den vorgesehenen Zweck sicherzustellen. Da der Bearbeitungsprozess präzise ist, wissen die Hersteller zudem, dass etwaige Fehler im gefertigten Prototyp auf die Konstruktion und nicht auf die eigentliche CNC-Prototypenfertigung zurückzuführen sind.
Zeitsparender Prozess
Die CNC-Prototypenfertigung benötigt weder Formen noch zeitaufwändige Vorarbeiten. Daher ist sie ein Hochgeschwindigkeitsprozess. Dank der Möglichkeit, CAM/CAD-Dateien zu modifizieren, können Bearbeitungszentren Änderungen am Prototyp vornehmen, ihn erneut CNC-bearbeiten und innerhalb kürzester Zeit zurücksenden.
Kostenbewusst
Die CNC-Prototypenfertigung spart dem Hersteller langfristig Kosten. Denn etwaige Mängel und Fehler lassen sich in einer kleinen Prototypenserie beheben, anstatt sie in der Serienproduktion an den großen Stückzahlen der fertigen Teile zu korrigieren.
Darüber hinaus erfordern zukünftige Änderungen lediglich geringfügige Anpassungen der CAD-Dateien, anstatt dass ein neues Design von Grund auf erstellt werden muss.
Material Vielseitigkeit
Im Gegensatz zu anderen Fertigungsverfahren wie dem 3D-Druck ermöglicht die CNC-Prototypenbearbeitung die Verarbeitung einer Vielzahl gut zerspanbarer Materialien. Diese reichen von hochfesten Metallen und Legierungen bis hin zu Werkstoffen wie Holz und Kunststoffen. Daher kann der Prototypenprozess mit demselben Material wie das Endprodukt durchgeführt werden, was einen großen Vorteil darstellt.
Es gibt beispielsweise nicht viele Verfahren zur Blechumformung. Daher ist die CNC-Bearbeitung eine ausgezeichnete Wahl für Metallprototypen, die eine höhere mechanische Stabilität erfordern und keine Schwächen aufweisen dürfen.
Einige der Materialoptionen, die sich gut für die CNC-Prototypenbearbeitung eignen, sind:
- Aluminium
- Stahl
- Edelstahl
- ABS
- Magnesium
- Titan
- Zink
- Messing
- Bronze
- Kupfer
- Teflon
- Polycarbonate (PC)
- Polypropylen (PP)
- Polymethylmethacrylat (PMMA)
- Polystyrol (PS)
- Polyoxymethylen (POM)
- PAGF
- PCGF
- Polyethylen niedriger Dichte (LDPE)
- Polyethylen hoher Dichte (HDPE)
Einschränkungen von Prototyping-Prozessen mit CNC-gefrästen Teilen
Bei der Prototypenfertigung ist die CNC-Bearbeitung für viele Anwendungen oft eine praktische Lösung. Trotz ihrer vielen Vorteile können jedoch andere Eigenschaften der CNC-Bearbeitung als Nachteile angesehen werden. Zu diesen Nachteilen gehören:
Subtraktionsverfahren
Die CNC-Prototypenbearbeitung ist ein subtraktives Verfahren, bei dem das Endprodukt durch Materialabtrag vom Werkstück erzeugt wird. Dies kann im Vergleich zu additiven Verfahren, bei denen Material auf das Werkstück aufgetragen wird, zu einem höheren Materialverbrauch führen. Die Bearbeitungszentren haben aufgrund des höheren Materialverbrauchs höhere Materialkosten.
Einige geometrische Einschränkungen
Da die CNC-Prototypenbearbeitung von außen nach innen erfolgt, lassen sich manche Geometrien mit diesem Verfahren nicht herstellen. Dies gilt insbesondere für die internen Bauteile eines Prototyps. Andere Fertigungsverfahren, wie die additive Fertigung, arbeiten von innen nach außen und sind daher für die Herstellung interner Geometrien besser geeignet.
Technische Expertise
Die CNC-Prototypenfertigung erfordert spezifische technische Kenntnisse. Zu den wesentlichen Fertigkeiten gehören das Erstellen von CAD-Dateien und das Bedienen der CNC-Maschine.
Teurer als 3D-Druck
Da den Herstellern höhere Materialkosten entstehen, ist die CNC-Prototypenfertigung teurer als der 3D-Druck. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die zusätzlichen Kosten der CNC-Prototypenfertigung mit einer höheren Genauigkeit und der Möglichkeit, ein breiteres Materialspektrum zu bearbeiten, einhergehen.
Bei anderen Verfahren wie der 3D-Fertigung ist die Prototypenherstellung auf Kunststoffe wie PLA beschränkt. PLA ist zwar deutlich günstiger als Metallblöcke, seine anderen Eigenschaften erfüllen jedoch nicht immer die Anforderungen an die Prototypenherstellung.
Anwendungen von CNC-gefrästen Prototypen im industriellen Fertigungsprozess
Die CNC-Prototypenfertigung wird in Forschung und Entwicklung in allen Branchen eingesetzt. Zu den Branchen, die stark darauf angewiesen sind, gehören:
Automobilindustrie
Die CNC-Prototypenfertigung ist das Standardverfahren für die Konstruktion von Teilen und Modellen in der Automobilindustrie. Dort werden Zahnräder und Bauteile mit extrem engen Toleranzen benötigt. CNC-gefräste Prototypen können diese Anforderung im Gegensatz zu vielen anderen Methoden erfüllen.
Luft-und Raumfahrtindustrie
Die Luft- und Raumfahrtindustrie fertigt ständig Prototypen mittels CNC-Bearbeitung, um die Leistungsfähigkeit neuer Innovationen bei Bauteilen und Materialien zu testen. Da diese Bauteile in Flugzeugen und Überwachungsgeräten verbaut werden, ist äußerste Sorgfalt geboten, um ihre optimale Funktion zu gewährleisten.
Architektur und Bauindustrie
Die CNC-Bearbeitung findet breite Anwendung in Architektur und Bauwesen zur Herstellung von Innen- und Außenelementen. Anfänglich erfolgte das Verfahren mithilfe von Spritzgussformen, was zu höheren Zeit- und Kostenaufwendungen führte. Durch die Fertigung von Prototypen mittels CNC-Bearbeitung konnte der Prozess jedoch beschleunigt und verbilligt werden.
Medizintechnik
Die Medizinbranche entwickelt sich rasant, und neue Medizingeräte und Prothesen eröffnen neue Behandlungsmöglichkeiten. Anwendungen in der Medizintechnik erfordern mikroskopische Präzision und robuste Materialien. Die CNC-Bearbeitung bietet höchste Qualität bei der Herstellung funktionsfähiger Prototypen für solche Geräte, da andere Verfahren die erforderliche Genauigkeit nicht erreichen.
Military Industry
Die Rüstungsindustrie beansprucht einen erheblichen Teil des Staatshaushalts, und ein Großteil davon fließt in Forschung und Entwicklung. Militärische F&E umfasst die Entwicklung neuer Waffensysteme, Kampffahrzeuge, Flugzeuge und deren Bauteile. Da die meisten dieser Komponenten aus Metallen oder sogar noch härteren Werkstoffen bestehen, ist die schnelle Prototypenerstellung unerlässlich. CNC-gefräste Prototypen kommen in jedem Schritt der militärischen F&E zum Einsatz.
Öl- und Energieindustrie
Die Ölindustrie benötigt Bauteile mit hoher Festigkeit, um Rohstoffe aus großen Tiefen zu fördern. Diese Bauteile werden mittels CNC-Prototypenfräsen oder anderen kundenspezifischen CNC-Bearbeitungsverfahren hergestellt. In der Energiewirtschaft dienen CNC-Prototypen der Erforschung umweltfreundlicher Energiequellen mit geringerer Umweltbelastung.
CNC-Prototypenbearbeitung vs. 3D-Druck
Fachleute vergleichen häufig CNC-Bearbeitung und 3D-Druck bei der Auswahl einer Prototyping-Methode. Hier ist ein Überblick über die Unterschiede zwischen den beiden Technologien, verglichen anhand der relevanten Faktoren:
Funktionsprinzip
Die CNC-Bearbeitung ist ein subtraktives Fertigungsverfahren. Dabei wird ein Werkstück bearbeitet, überschüssiges Material mit einem Schneidwerkzeug abgetragen und das Werkstück zum fertigen Teil geformt. Der 3D-Druck hingegen ist ein additives Fertigungsverfahren. Er funktioniert, indem Material schrittweise aufgetragen wird, indem es geschmolzen und zum fertigen Teil geformt wird.
Unterstützte Materialien
Die CNC-Bearbeitung ermöglicht die Bearbeitung verschiedenster Materialien, von Metallen über Holz bis hin zu Kunststoffen. Der 3D-Druck hingegen ist hinsichtlich der Materialauswahl stark eingeschränkt. Seine Funktionalität beschränkt sich auf die Herstellung von thermoplastischen Prototypen, da dieses Verfahren durch Erhitzen und Formen des Materials funktioniert.
Mögliche Geometrie
3D-gedruckte Teile können komplexe innere Geometrien aufweisen, da sie von innen nach außen gefertigt werden. CNC-Teile hingegen werden mithilfe eines Schneidwerkzeugs von außen hergestellt. Daher lassen sich mit CNC keine funktionsfähigen Prototypen mit komplexer innerer Geometrie realisieren.
Verschwendung
Als subtraktives Fertigungsverfahren führt die CNC-Bearbeitung zu hohem Materialverlust. Die Kosten für das Abfallmaterial können jedoch durch den Verkauf von recycelbaren Restmaterialien gedeckt werden. Im Gegensatz dazu zeichnet sich die 3D-Prototyping-Technologie durch eine gute Materialausnutzung aus, da es sich um ein additives Fertigungsverfahren handelt.
Herstellungszeit
Obwohl 3D-Druck als Rapid Prototyping bezeichnet wird, ist die CNC-Bearbeitung deutlich schneller. Die Herstellung eines einzelnen 3D-gedruckten Teils dauert viele Stunden. Mit CNC-Bearbeitung hingegen lassen sich Teile in Minuten oder in der gleichen Zeit wie mit 3D-Druck auch Dutzende von Teilen fertigen.
Schnelle Werkzeugherstellung: Spritzgegossene Prototypen mittels CNC-Bearbeitung
Rapid Tooling ist eine Fertigungstechnik, die die schnelle Herstellung von bearbeiteten Werkzeugen wie Matrizen und Formen ermöglicht. Diese Werkzeuge werden mithilfe von CNC-Bearbeitungstechnologie gefertigt. Anschließend wird mit diesen Werkzeugen ein Prototyp durch Spritzguss hergestellt.
Rapid Tooling unterscheidet sich von Rapid Prototyping und sollte daher nicht verwechselt werden. Rapid Tooling nutzt die Vorteile der CNC-Bearbeitung und des Spritzgießens und eliminiert gleichzeitig deren Nachteile. Durch die Herstellung von Werkzeugen mittels CNC und des Endprodukts mit einem additiven Verfahren wie dem Spritzgießen können Hersteller Kosten sparen und gleichzeitig eine hohe Präzision beibehalten.
Die CNC-Bearbeitung für Prototypen führt zu höheren Materialkosten. Spritzguss hingegen ist zeitaufwändiger und die exakte Reproduktion des Bauteils nach dem Originaldesign ist eine Herausforderung. Schnellverfahren stellen daher einen Mittelweg zwischen CNC-Prototypenfertigung und Rapid Manufacturing dar.
Tipps zur Vorbereitung hochwertiger CAD-Modelle für den CNC-Bearbeitungsprozess von Prototypen
Die Endqualität von CNC-gefrästen Prototypenteilen kann je nach verwendeter CAD-Datei variieren. Diese Konstruktionen vermitteln visuelle Informationen und liefern wichtige Abmessungen für die Bauteile. Daher sind Prototypen, die eine exzellente Teilequalität erfordern, auf ein hochwertiges Modell angewiesen. Hier einige Tipps zur Erstellung von CAD-Modellen und -Zeichnungen :
Optimierung von Designelementen
Bei der Verwendung von CNC-Maschinen ist die Optimierung von Konstruktionselementen wie Aussparungen und Bohrungen wichtig. Beispielsweise beträgt die maximal erreichbare Tiefe beim Stirnfräsen das Dreifache des Werkzeugdurchmessers. Daher sollten die Abmessungen solcher Aussparungen genau festgelegt und begrenzt werden.
Ideale Wandstärke
Achten Sie beim Erstellen von Zeichnungen auf die Mindestwandstärke. Zu dünne Wände können die mechanische Stabilität von CNC-gefertigten Teilen beeinträchtigen und zu Schwächen führen. Als Faustregel gilt: Die Wandstärke von Metall sollte immer über 0.8 mm liegen. Bei Kunststoffwänden sollte die Wandstärke über 1.5 mm betragen.
Auswahl der richtigen CAD-Software
Es ist verständlich, dass die weitverbreitete Anwendung von CAD in der Fertigung zur Entstehung zahlreicher CAD-Softwarelösungen für kundenspezifische Prototypen in verschiedenen Branchen geführt hat. Einige davon sind gut, andere hingegen unnötig kompliziert oder für manche Anwendungen zu eingeschränkt.
Wählen Sie daher die passenden CAD-Anwendungen für Ihre Branche. CAD-Software, die für Maschinenbauer und die Blechumformung geeignet ist, ist möglicherweise nicht optimal für die Architektur – und umgekehrt. Finden Sie die CAD-Software, die Ihren spezifischen Prototypenanforderungen entspricht.
Erstellen einer Checkliste
Eine anfängliche Checkliste der gewünschten Designs und Funktionen für Prototypen ist unerlässlich. Das Hinzufügen von Funktionen während der Erstellung der CAD-Datei ist einfacher als die spätere Änderung der Datei.
Vereinfachen Sie Zeichnungen
Es gibt mehrere Möglichkeiten, eine CAD-Zeichnung für denselben Prototyp zu erstellen. Halten Sie die Zeichnungen einfach, um unnötige Bearbeitungsschritte zu vermeiden. Bei komplexen Teilen empfiehlt es sich, die Zeichnung in zwei separate Teile aufzuteilen, die später zusammengefügt werden können.
Fazit
Prototypen sind ein unverzichtbarer Bestandteil des Fertigungsprozesses, da sie Kosten sparen und langfristige Probleme vermeiden. CNC-gefräste Prototypen eignen sich hervorragend für die Prototypenphase und liefern schnelle und präzise Modelle.
Anhand der Informationen in diesem Artikel lassen sich hochwertige Prototypen erstellen. Ein wichtiger Schritt ist die Anwendung der Tipps für die optimale CAD-Konstruktion, die sich für die schnelle Fertigung, einfache CNC-Maschinen, fortgeschrittene CNC-Technologien oder andere computergestützte Fertigungsverfahren eignet.
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Häufig gestellte Fragen
Hier sind Antworten auf einige häufig gestellte Fragen zum Thema CNC-Prototypenfertigung:
1. Ist die CNC-Prototypenfertigung die beste Option für die Prototypenherstellung?
CNC-Prototyping eignet sich hervorragend für Projekte, die eine schnelle Produktion, enge Toleranzen oder eine breite Materialauswahl erfordern. Für kostengünstiges Prototyping mit thermoplastischen Materialien kann 3D-Druck eine sinnvolle Alternative sein.
2. Was ist günstiger: CNC-gefräste Prototypen oder spritzgegossene Prototypen?
Die beim Spritzgießen verwendeten Formen machen es teurer als die CNC-Bearbeitung. In der Großserienfertigung verteilen sich die Formkosten auf ein großes Volumen. Prototypen hingegen werden in kleinen Stückzahlen gefertigt, wodurch das Spritzgießen die kostspieligere Option darstellt. Im Gegensatz dazu lassen sich die Kosten für CNC-Prototypen durch den Verkauf von recycelbarem Restmaterial senken. Dies reduziert zudem die Umweltbelastung.
3. Wie viel kostet die CNC-Prototypenfertigung?
Die Kosten für einen CNC-Prototyp können je nach den spezifischen Anforderungen stark variieren. Im Allgemeinen beginnen die Kosten bei etwa 35 US-Dollar pro Stunde für 3-Achs-CNC-Maschinen und können bis zu 120 US-Dollar pro Stunde für einen Prototyp betragen, der eine CNC-Maschine mit mehr Bearbeitungsachsen erfordert. Die benötigten Achsen hängen von der Komplexität des Prototyps ab.
