Die CNC-Fräse.

CNC-Fräsen ermöglichen ein hochpräzises, spanendes Verfahren in der Werkstoffbearbeitung. Das CNC-Fräsen basiert auf einer computerunterstützten Maschinensteuerung - englisch: Computerized Numerical Control. Mithilfe moderner Steuerungstechnik und Software werden die Werkstücke mit höchster Präzision von den Maschinen hergestellt.

CNC-Fräsen oder CNC-Bearbeitungszentren kommen heute bevorzugt in der Welt der metallverarbeitenden Industrie zum Einsatz. In der CNC-Fertigung entstehen kostengünstige Werkstücke, die höchsten Ansprüchen an Präzision und Komplexität gerecht werden.

CNC-Fräsmaschinen arbeiten mit Schnittgeschwindigkeiten von bis zu 100.000 Umdrehungen in der Minute. Damit erzielen sie wirtschaftliche Vorteile vor allem in der Serienproduktion.

Das CNC-Fräsen und die CNC-Fräsmaschinen kommen neben der Metallbearbeitung (häufig Stahl und Aluminium) auch in der Kunststoff- und Holzbearbeitung zur Anwendung. Doch wenn sich Kunden nicht im Bereich der CNC-Bearbeitung auskennen, kommt öfter die Frage auf, was die CNC-Maschinen wirklich machen und wie sie arbeiten.

Die Auswahl an Fräsmaschinen ist groß und die CNC-Maschine rückt immer mehr in den Vordergrund. Im Folgenden erklären wir deshalb die Arbeitsweise der CNC-Maschinen und was es heißt, wenn von CNC-Fräsen gesprochen wird.

Zusätzlich erklären wir die Funktionen, Varianten und Vorteile der CNC-Maschine und welche Materialien sie bearbeiten kann. Zum Schluss beleuchten wir noch die Unterschiede zwischen dem 3D-Druck und der CNC-Steuerung.

Mithilfe moderner CNC-Bearbeitungszentren und CNC-Gantry/Portalfräsmaschinen ist es möglich, den kompletten Fertigungsprozess abzubilden. Hierzu zählen das Aufspannen des Werkstücks, der Werkzeugwechsel, das Fräsen und die Zufuhr von Kühlschmierstoff. Auch die Qualitätskontrolle und die Nachbearbeitung können selbstständig und ohne Personaleinsatz vollzogen werden.

Im Gegensatz zur komplexen Technologie von CNC-Fräsmaschinen und der 5-Achs-Bearbeitung bestehen einfache Fräsmaschinen meist aus einem vertikal und horizontal fahrbaren Maschinentisch und einem horizontal beweglichen Fräskopf. Bei moderneren Maschinen hingegen sind die Bewegungsachsen eher unterschiedlich zugeordnet und verfügen zusätzlich zu einem beweglichen Maschinentisch über schwenk- und drehbare Werkzeuge.

CNC-Maschinen aktueller Bauart arbeiten nicht nur mit den Hauptachsen (X-Achse, Y-Achse und Z-Achse) sondern haben zusätzliche Bearbeitungsachsen. Das ermöglicht die Fertigung sehr komplexer Geometrien. Dabei erfüllen die Maschinen höchste Anforderungen an die Maß- und Formgenauigkeit sowie die Wiederholgenauigkeit.

Hersteller von CNC-Bearbeitungszentren bieten in der Regel Maschinen an, die sie per Modularbauweise für den individuellen Bedarf ihrer Kunden entwickeln. Gerade das spanende Verfahren einer CNC-Fräsmaschine und die CNC-Technik erlauben die Fertigung von Werkstücken - in einer präzisen geometrischen Gestalt - die hohen Ansprüchen gerecht werden.

Wenn man von einer CNC-Fräse und dem CNC-Fräsen spricht, meint man einen Typ Maschine, der das hochpräzise Verfahren der Zerspanung mithilfe der computerunterstützten Maschinensteuerung (CNC-Software) ausführt. Das CNC-Fräsen der Fräse wird also von einem Mikrocomputer übernommen, der in die Steuerung der Maschine eingegliedert ist.

Da das Verfahren so effizient ist, können Werkstücke sowohl in kleiner, aber auch in großer Serienproduktion in die Serienfertigung gehen. Gerade in der Luftfahrt oder in der Automobilindustrie ist das CNC-Fräsen sehr beliebt. Die Technologie des CNC-Fräsens ist seit den 1970er Jahren bekannt und die Software und Technologie wird permanent weiterentwickelt. Beim CNC-Fräsen bewegt sich das Werkzeug und nicht das Werkstück – im Gegensatz zum CNC-Drehen.

Bevor es zum eigentlichen Fräsvorgang kommen kann, muss zunächst ein Programm erstellt werden. Dieses Programm basiert auf der geometrischen Darstellung des Werkstücks, das gefertigt werden soll.

Diese Informationen werden dann an den Steuerungsspeicher weitergegeben, damit die CNC-Fräsmaschine die einzelnen Schritte des Programms genau abarbeiten kann. Viele Faktoren spielen in die Programmierung der Steuerung mit hinein, etwa welche Werkzeuge zum Einsatz kommen und zu was diese gebraucht werden.

Hier kommen auch die Vorteile von CNC-Fräsen voll zur Geltung, denn den moderneren CNC-Maschinen ist es möglich, das Werkzeug präzise und schnell einzuwechslen, zur Anwendung zu bringen und exakt zu positionieren.

Deshalb sind die Geräte in der Lage, fast jeden Werkstoff mit und auf den fünf Achsen der CNC-Fräsmaschine zu fräsen, zu schneiden und zu bearbeiten – zum Beispiel Stahl, Aluminium, Holz oder Kunststoff.

Das Fräsen zählt zu spanenden Verfahren in der Fertigung und ermöglicht die automatische Erstellung der Werkstücke in hoher Präzision gemäß der zuvor konstruierten Gestalt. Bei der CNC-Fräsmaschine rotiert ein Fräskopf, der kontinuierlich Material von einem Rohteil abträgt.

Das CNC-Fräsen nutzt die Computerized Numerical Control (CNC) Technik. Die gewünschte Kontur des Werkstücks wird mithilfe eines CAD-Programms konstruiert und dann über ein CAM-System in die CNC-Software überführt. Grundlegende Parameter sind Drehzahl, Vorschub auf den Achsen und die jeweilige Schnitttiefe. Teilweise haben diese Anlagen auch jeweils eine Einhausung für mehr Sicherheit.

CNC-Fräsmaschinen führender Anbieter fräsen mit bis zu sechs Bearbeitungsachsen.
CNC-Fräsen wurden speziell dafür entwickelt, dass sie mit noch besserer Genauigkeit arbeiten, denn die Wiederholgenauigkeit beträgt meistens rund 0,01 mm.

Zudem haben sie eine hohe Fahrgeschwindigkeit, die sich im Lauf der Jahre immer weiter verbesserte und den Anforderungen des Alltags in der Industrie anpasste. So produzieren CNC-Fräsen nicht nur in der Einzelfertigung, sondern auch in der Serienfertigung Endergebnisse, die hochpräzise sind. Und das in einer beachtlichen Geschwindigkeit und Wiederholgenauigkeit.

Die Konstruktion der bewegten Bauteile sind hier entscheidend. Das ist besonders beim Fräsen von Stahl, Aluminium und Holz entscheidend. Denn um exakte Ergebnisse der Werkstücke und eine sehr gute Wiederholgenauigkeit zu erzielen, müssen alle Komponenten der Achsen den auftretenden Fräskräften standhalten können und dürfen dabei keinesfalls schwingen.

Es gibt in der Verwendung von CNC-Fräsen Varianten, die beachtet werden müssen. Grundsätzlich wird beim CNC-Fräsen unterschieden zwischen Gleichlauffräsen und Gegenlauffräsen, was je nach Laufrichtung der CNC-Fräse bestimmt wird.

Das Gleichlauffräsen zeichnet sich dadurch aus, dass die Schneide eine rotierende Bewegung in Richtung der Vorschubrichtung ausführt. Dadurch ist die Krafteinwirkung beim Eintritt der Schneide am höchsten. Deshalb ist das Gleichlauffräsen vor allem dann interessant, wenn es um die Herstellung von sehr glatten Oberflächen geht.

Das Gegenlauffräsen wird - im Gegensatz dazu - dadurch bestimmt, dass der Fräser gegen die Vorschubrichtung des Werkstücks rotiert. Durch das Schneiden entsteht ein Span, der sich verdickt. Deshalb steigt der Kraftaufwand beim Gegenlauffräsen stark an, vom Eintritt der Scheide bis hin zum Austritt.

Dadurch entsteht ein Druck, weshalb die Schneide meist von Verschleiß geprägt ist. Das Gegenlauffräsen eignet sich für die Bearbeitung von Werkstücken mit harte Randzone.

Eine Portalfräse ist ein bestimmter Typ einer CNC-Fräse, bei der die Rahmenkonstruktion so konzipiert ist, dass der Fräskopf an einem Querbalken geführt wird, der zwischen zwei Ständern gehalten wird. Dadurch wird ein Portal gebildet, wodurch die Maschine ihren Namen "Portalfräse/Gantryfräse" erhalten hat.

Ganz getreu dem Motto "Made in Germany" zählt Hermle zu den führenden Maschinenherstellenden, die neben CNC-Sondermaschinen und Werkzeugmaschinen auch Portal- und Gantryfräsmaschinen herstellen. Alle von Hermle hergestellten CNC-Portal- und Gnatryfräsmaschinen zeichnen sich durch ein Maschinenbett/Grundkonstruktion mit extrem hoher Verwindungssteifigkeit aus.

Dadurch ist diese Fräse in der Lage, hochpräzise die verschiedensten Materialien mit unterschiedlicher Beschaffenheit zu schneiden und zu fräsen - wie zum Beispiel Werkstoffe, die sich durch ihre Härte, Sprödigkeit und Zähigkeit auszeichnen. Für die Bearbeitung von großen Flächen sind Portalfräsmaschinen in Industriemaschinengröße sehr effektiv.

Insbesondere beim Planfräsen und Konturfräsen von großen Platten werden sie bevorzugt eingesetzt. Aber natürlich gibt es Portalfräsmaschinen nicht nur in Industriemaschinengröße, sondern auch als kleine Anlagen. Diese kleinen Anlagen haben den entscheidenden Vorteil, dass sie mobil eingesetzt werden können. 

Das Fräsen mit CNC-Fräsmaschinen ermöglicht eine automatisierte, kostengünstige und reproduzierbare Serienfertigung von geometrisch komplexen Werkstücken. Hier im Überblick, die wichtigsten Vorteile der CNC-Technik:

• Präzision: CNC-Fräsen können um ein Vielfaches präziser arbeiten, als es in der manuellen Fertigung möglich wäre. Hinsichtlich der Form- und Maßtoleranzen, Qualität und Wiederholgenauigkeit erreichen CNC-Maschine in der Fertigung strengste Vorgaben.
• Materialaufwand: Weil CNC-Fräsmaschinen effizient und mit hoher Genauigkeit arbeiten, verschwenden sie äußerst wenig Material. Das senkt die Materialkosten.
• Personalaufwand: Durch den Softwareeinsatz und die Automatisierung lassen sich die Personalkosten im Vergleich zur Fertigung von Hand deutlich reduzieren.

Weitere Vorteile der CNC-Fräsen sind, dass eine CNC-Fräse unglaublich flexibel ist. Dadurch reduzieren sich die Zeit der Fertigung und Anwendung in der Prozesskette enorm. Der Werkzeugarm lässt sich bei 5-Achsen-Drehmaschinen in drei verschiedene Richtungen bewegen. Das auf dem Maschinentisch eingespannte Werkstück lässt sich in zwei weiteren Achsen bewegen.

Hierbei können die Achsen gleichzeitig, aber auch einzeln mit Vorschüben gedreht werden. Komplizierte Werkstücke werden so einfach realisierbar in ihrer Konstruktion und Herstellung, was mit einfachen Fräsverfahren nicht - oder nur mit sehr hohem Kosten- und Zeitaufwand - umzusetzen wäre.

Teilweise kommt die Frage auf, ob man eine Fräse selbst bauen kann oder besser doch auf ein Unternehmen, das sich auf den Fräsenbau spezifiziert hat, zurückgreifen soll. Ein Eigenbau - Do it yourself - kann durchaus eine interessante Beschäftigung mit Lerneffekt sein.

Bei solch einem CNC-Bausatz handelt es sich jedoch meist um Low-Cost-Anlagen mit minderwertigem Zubehör, die die Nutzenden dann selbst zusammenbauen. Gegen eine neue CNC-Anlage von Fräsmaschinenherstellenden kommen diese Maschinerien bei Weitem nicht an. Deshalb raten wir von „Do it yourself-Projekten" und Bausatz-Anwendungen ab.

Alle spanbaren Werkstoffe für verschiedenste Anwendungen können von einem CNC-Fräser und einer CNC-Fräse gefräst werden. Mit CNC-Portalfräsmaschinen können Sie Alu, Holz, Kunststoff und vieles mehr fräsen. Gerade mit computergesteuerten Fräsen können präzise, genaue und zuverlässige Endergebnisse erzielt werden.

Die Liste der Materialien, die mit einer CNC-Fräsmaschine bearbeitet werden können, ist lang, denn Fräsmaschinen sind in der Lage vieles zu bearbeiten. So gibt es zum Beispiel speziell die CNC-Fräse Metall, die ausdrücklich für Metallbearbeitung gedacht ist. Doch natürlich können auch andere Materialien gefräst werden.

Was sie mit dem richtigen Maschinen- und Werkzeug-Typ alles fräsen können:

• Metalle in vielfacher Ausprägung
• Stahl und Stahlguss
• Aluminium und Aluminiumguss
• Titan
• Gold
• Silber
• Bronze
• Messing
• Kunststoff
• Holz

Laien, die sich im Bereich der CNC-Fräsen nicht genügend auskennen, fragen sich bestimmt, was der Unterschied zwischen einer CNC-Fräse und einem 3D-Drucker ist. Dies kann relativ einfach beantwortet werden, denn der Hauptunterschied zwischen einer CNC-Fräse und einem 3D-Drucker liegt in der Form der Fertigung.

Das bedeutet, dass der 3D-Druck als additive Herstellung bezeichnet werden kann, während eine CNC-Fräse mit der subtraktiven Fertigung arbeitet. Bildlicher gesprochen bedeutet dies, dass eine CNC-Fräse mit einem Rohling - einem Materialblock - beginnt und davon Substanz abträgt, um das fertige Werkstück zu erhalten.

Hierzu sind Spindeln und Fräser relevant. Die Vorteile der CNC-Fräsen sind die sehr hohe Maßgenauigkeit und die vielen verschiedenen Materialien, die bearbeitet werden können. Ein 3D-Drucker arbeitet mit der additiven Fertigung, denn hierbei werden Objekte und Werkstücke Schicht für Schicht aus Materialien wie Harzen, Kunststoff- oder Metallpulver und Kunststofffilamenten hergestellt.

Hierzu wird eine Energiequelle benötigt - zum Beispiel ein Laser oder ein beheizter Extruder. Diese verfestigen die Schichten dieser Materialien und ein fertiges Objekt entsteht. Die Formfreiheit, Genauigkeit und die Möglichkeit, Gewicht und Kosten der Werkstücke zu reduzieren, zählen zu den Vorteilen des 3D-Druckens.

Gerade wenn es um die verschiedenen Materialien geht, stehen sich der 3D-Drucker und die CNC-Fräse in fast nichts nach, auch die Kosten und der Preis hängt jeweils von verschiedenen Faktoren ab. In der industriellen Fertigung sind die 3D-Drucker noch längst nicht final angekommen. Für größere Mengen eignet sich vor allen Dingen CNC.

Denn die Drucker konzentrieren sich bisher meist noch auf die Bearbeitung von Kunststoffen oder auf den Prototypenbau, wobei sich dies in der Zukunft natürlich noch ändern könnte. Im Gegensatz hierzu wird von CNC-Maschinen meist Stahl und Alu bearbeitet, da man damit hochwertige Produkte in einer Vielzahl von Branchen herstellen kann.

Im Vergleich zu einer CNC-Fräse oder auch CNC-Fräsmaschine, ist ein 3D-Drucker einfacher zu bedienen, denn eine CNC-Maschine bedarf einer fachkundigen Anwendung und Bedienung während des ganzen Herstellungsprozesses. Die Bedienenden einer CNC-Fräse müssen erfahren sein und sich mit den verschiedenen Drehzahlen und Werkzeugen, der Neupositionierung des Materials, dem Schneidpfad und der CNC-Steuerung auskennen.

So braucht es hingegen bei dem 3D-Druck während des Druckprozesses keine Supervision mehr. Resümierend kann deshalb gesagt werden, dass es nicht die eine perfekte Technik gibt, die für alle gleichermaßen geeignet ist.

Die beiden Methoden - CNC-Fräsmaschine vs. 3D-Drucker - sind beide sehr nützlich und vielversprechend, doch meist hängt die am besten geeignete Methode von verschiedenen Faktoren ab, wie zum Beispiel vom Material, von Fertigungsvolumen und Größe, von geometrischer Komplexität und dem Preis der Herstellung.

Auch wenn für viele Kunden der Preis ausschlaggebend ist, sollte vor allen Dingen die Qualität (auch die der Software) im Vordergrund stehen. Denn auch wenn der Preis etwas höher sein sollte, kann durch den Preis meist auch auf den Wert geschlossen werden: von Software zu Maschinentisch.

Als Hersteller und Anbieter bieten wir Ihnen bei Hermle eine sehr gute Beratung rund um die CNC-Maschinen aber auch des 3D-Drucks in Metall. Dabei können wir nicht nur mit "Plug and Play" punkten, sondern natürlich auch mit einwandfreier Fertigung "Made in Germany".