Moderne Fertigungstechniken: CNC-Fräsen und Funkenerosion in der Praxis

CNC-Frästechnik: Präzision in der Metallbearbeitung

Moderne CNC-gesteuerte Fräsmaschinen ermöglichen die Herstellung hochkomplexer Bauteile aus Metall mit außergewöhnlicher Präzision und in kurzer Zeit. Das Fräsen zählt zu den spanenden Fertigungstechniken, bei denen Material durch rotierende Werkzeuge subtraktiv abgetragen wird. BHM Maschinen erklärt die Grundlagen dieser Technologie, die bis zur Erfindung additiver Verfahren die einzige wirtschaftlich sinnvolle Möglichkeit zur Herstellung komplexer geometrischer Werkstücke war.

Grundlagen und Verfahrensstrategien

Beim Fräsen rotiert der Fräser in der Werkzeugspindel, während das Werkstück linear bewegt wird. Durch die Kombination mehrerer linearer Bewegungen lassen sich beliebige Konturen erstellen. Wesentlich ist die Unterscheidung zwischen Gegenlauffräsen und Gleichlauffräsen: Beim Gegenlauffräsen bewegen sich die Werkzeugschneiden gegen das Werkstück, wodurch die Schnittkraft kontinuierlich aufgebaut wird. Dies ermöglicht höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten, bessere Oberflächenqualitäten und längere Werkzeugstandzeiten. Beim Gleichlauffräsen ist die Schnittkraft beim Eintritt am größten, was sich bei weichen Materialien bewährt.

High Speed Cutting und Oberflächenqualität

High Speed Cutting (HSC) arbeitet mit sehr kleinen Spanquerschnitten und hohen Drehzahlen. Das Material verhält sich dabei ähnlich einer Flüssigkeit, was extrem präzise Bearbeitungen mit hochwertiger Oberflächenqualität ermöglicht. Für das Schlichten – das Feinbearbeiten zur Erzielung besonders glatter Oberflächen – kommen spezielle Schlichtfräser aus Hartmetall oder HSS mit optimierter Schneidengeometrie zum Einsatz.

Kühlung und Prozessparameter

Eine Kühlung ist nicht immer zwingend erforderlich. Bei Grauguss sorgt das enthaltene Graphit für ausreichende Reibungsreduzierung, wobei Kühlmittel hier sogar kontraproduktiv sein können, da sie mit dem Graphit zu einer zähflüssigen Masse verbinden. Für HSS-Fräser ist Kühlung jedoch empfohlen. Wichtige Parameter sind die Schnittbreite (ideal maximal zwei Drittel des Fräserdurchmessers), die Schnittgeschwindigkeit (materialabhängig) und die Vorschubgeschwindigkeit, die Einfluss auf Oberflächenqualität und Werkzeugverschleiß hat.

Funkenerosion: Thermische Präzisionsbearbeitung

Die Funkenerosion (Electrical Discharge Machining, EDM) stellt eine Alternative zu mechanischen Zerspanungsverfahren dar und eignet sich für alle elektrisch leitfähigen Materialien unabhängig von deren Härte. Ter Hoek und die inspire AG forschen intensiv über dieses thermische Abtragsverfahren, bei dem Material durch elektrische Pulse und Plasmabildung kurzzeitig aufgeschmolzen wird.

Funktionsprinzip und Prozessvarianten

Bei der EDM-Bearbeitung nutzt man die elektrische Spannung zwischen Werkstück und Elektrode aus, wodurch Funken entstehen, die winzige Materialstücke bis zu einem Tausendstel Millimeter wegschmelzen. Das Verfahren arbeitet ohne rotierende Teile und ermöglicht scharfe Innenwinkel sowie die Bearbeitung zerbrechlicher Produkte ohne mechanische Spannung. Drei Hauptvarianten dominieren das Feld:

• Senkerodieren: Die Elektrode wird mit geringem Erodierspalt auf das Werkstück abgeformt, typisch für komplexe Werkzeugformen aus schwierig zerspanbaren Werkstoffen im Formenbau.
• Drahterosion: Ein dünner, gespannter Draht bildet die Elektrode in einem Bad mit deionisiertem Wasser, ideal zum Trennen von schwierigen Werkstoffen und zur Herstellung präziser Feststoffgelenke.
• Bohrerosion: Ermöglicht Bohrungen mit großem L/D-Verhältnis und nicht-senkrechten Einstichen, beispielsweise für Kraftstoff-Einspritzsysteme oder Kühlbohrungen an Turbinenschaufeln.

Forschung und Anwendungsvorteile

Die inspire AG untersucht grundlegende Prozessmechanismen mittels Spektrometrie und Hochgeschwindigkeitskameras im Erodierspalt, um das emittierte Licht und die Plasmabildung zu analysieren. Die Vorteile der Funkenerosion liegen in der gleichbleibenden Qualität bei kleinsten Dimensionen, der hohen Prozesssicherheit und der Möglichkeit, Materialien wie Hartmetall, Aluminium und Kupfer präzise zu bearbeiten, die für konventionelle Verfahren ungeeignet sind.

Systemlösungen für moderne Werkzeugmaschinen

Neben den Bearbeitungsverfahren selbst bestimmen Komponenten wie Energieführungen, Linearführungen und Lager die Effizienz moderner Werkzeugmaschinen. igus präsentiert zahlreiche Anwendungsbeispiele für diese Systeme in CNC-Maschinen, von Fräs- und Drehmaschinen bis hin zu Schweißanlagen und Pressenautomationssystemen.

Bewährte Lösungen für extreme Bedingungen

In Umgebungen mit hohem Schmutzaufkommen, Späneflug oder Chemikalieneinsatz kommen geschlossene Energieketten und Energierohre zum Schutz der Leitungen zum Einsatz. Beispiele umfassen schwere Drehmaschinen mit Späneabfuhr, Brennschneidanlagen mit Funkenflug und Hochtemperaturanwendungen bis 850 °C. Für lange Verfahrwege bis zu 20 Metern bieten freitragende Systeme wie die guidelok e-Kette eine robuste Alternative.

Kompakte Bauweisen und minimale Biegeradien

Bei begrenztem Bauraum und hohen Geschwindigkeiten erfordern Maschinenbauer besonders platzsparende Komponenten. Energieketten mit kleinen Biegeradien versorgen Spindelschwenkköpfe und Servo-Stanzbiegeautomaten auf engstem Raum. Vorkonfektionierte Systeme ermöglichen dabei die Integration mehrerer Servoachsen in kompakten Konstruktionen wie Bearbeitungszentren oder Bohrautomaten.

Lebensdauer und Effizienz

Moderne Produktionsanlagen erfordern Verfügbarkeiten von über 95 Prozent bei Dreischichtbetrieb. Energieketten und chainflex-Leitungen müssen dabei Millionen von Zyklen pro Jahr bewältigen. Innovative Ansätze wie zu 100 Prozent recycelte Energieketten reduzieren dabei nicht nur den CO₂-Fußabdruck um bis zu 28 Prozent, sondern garantieren auch unter Dauerbetrieb höchste Zuverlässigkeit.

Montageoptimierte Gesamtsysteme

Die Montagezeit komplexer Anlagen lässt sich durch vorkonfektionierte readychain-Systeme drastisch reduzieren – von mehreren Wochen auf einen halben Tag. Hersteller setzen auf komplette Systeme aus einer Hand, die Schnittstellen reduzieren und die Inbetriebnahme beschleunigen. Gleichzeitig sorgen wartungsfreie Gleitlager und Linearführungen für lange Maschinenstandzeiten und reduzieren die Betriebskosten erheblich.