Versuchen Sie auch manchmal, mehrere Dinge gleichzeitig zu erledigen, um Zeit zu sparen? Leider sind wir Menschen nicht sonderlich gut im Multitasking. Beim Gehen kurz eine E-Mail schreiben? Das ist riskant, aber machbar. Gleichzeitig noch die Steuererklärung erledigen? Volkommen unmöglich.
Maschinen haben uns hier einiges voraus. Denn beim gleichzeitigen Abarbeiten von Aufgaben sind sie zu übermenschlichen Dingen fähig. Der absolute Multitasking-Champion bei der CNC-Fertigung ist allerdings das 5-Achs-Simultanfräsen.
Diese Technologie erlaubt es, alle fünf Achsen einer Fräsmaschine während der Bearbeitung gleichzeitig zu bewegen. Das sieht spektakulär aus und erlaubt es durch die maximale Flexibilität, Bauteile aus Metall in so gut wie jeder beliebigen Formen zu fertigen.
Bevor wir jedoch in die Tiefen der Frästechnologie einsteigen, gibt es in der Box unten die Basics über die Themen Fräsen, Fräsmaschinen und die Bearbeitungsachsen kurz zusammengefasst.
Die Fräsverfahren im Vergleich: Je mehr Achsen, desto besser?
Mehr ist nicht unbedingt besser, das zeigt sich auch im direkten Vergleich der verschiedenen Fräsverfahren.
So lassen sich auf einer 3-Achsfräse Bauteile mit einfachen Konturen und Bohrungen meist effizient und unkompliziert fertigen. Bei Bauteilen mit komplexeren Geometrien stößt die Bearbeitung mit drei Achsen allerdings an ihre Grenzen.
Wenn man beispielsweise fünf Seiten eines würfelförmigen Werkstückes bearbeitet möchte, müsste man es auf einer 3-Achsfräse insgesamt fünf Mal aufspannen. Und zwar jedes Mal mit einer anderen Seite in Richtung Fräskopf. Diese Rüstzeiten erhöhen die Bearbeitungszeit und treiben die Kosten in die Höhe.
Solche komplexeren Teile lassen sich dank der zusätzlichen Achsen auf einer 5-Achsfräse mit festen Stellachsen effizient fertigen. Der schwenk- und rotierbaren Tisch richtet das Werkstück zwischen den Fräsvorgängen immer so aus, dass die zu bearbeitende Seite in Richtung Fräskopf zeigt. Das Werkstück wird dafür nur einmal aufgespannt. Die dadurch eingesparten Rüstzeiten ermöglichen eine schnelle und wirtschaftliche Fertigung.
Komplexe Freiformflächen und Konturen wie Hinterschnitte sind dagegen die das Spezialgebiet des 5-Achs-Simultanfräsens. Durch die gleichzeitige Bewegung aller fünf Achsen lässt sich die Anstellposition und der Anstellwinkel jederzeit frei einstellen. Auf diese Weise lassen sich Teile mit sehr komplexen Konturen effizient und präzise fertigen. Mit den anderen Fräsverfahren wäre eine Fertigung solcher Teile dagegen gar nicht oder nur zu höheren Kosten und mit einer geringeren Präzision möglich.
Alle Achsen, überall & zur gleichen Zeit – 5 Achs-Simultanfräsen im Detail
Die Besonderheit beim 5-Achs-Simultanfräsen ist also, dass sich die Anstellposition und Anstellwinkel des Werkstücks an jedem beliebigen Punkt während des Fräsvorgangs „on the fly“ ändern lässt. So lässt sich fast jede erdenkliche Freiform ohne Umspannen oder Neuanstellen in einem Rutsch produzieren.
Bei welchen Anwendungsfällen kann das 5 Achs-Simultanfräsen seine Vorteile voll ausspielen?
Freiformflächen
Freiformflächen sind dreidimensionale Flächen, häufig mit mehreren Krümmungen. Einfachere Freiformflächen lassen sich häufig auch effizient auf einer 3-Achsfräse oder auf einer 5-Achsfräse mit indexierten Achsen fertigen. Bei komplexeren Konturen ermöglicht das Simultanfräsen durch die Möglichkeit, das Werkstück aus allen Winkeln und Positionen anzufahren, jedoch eine effizientere und präzisere Fertigung, da das Werkstück nicht mehrmals umgespannt werden muss.
Hinterschnitte
Hinterschnitte sind eine weitere Stärke der 5-Achs-Simultanfräse. Durch den frei wählbaren Bearbeitungswinkel kommt der Fräser leicht „hinter das Material“. Der Hinterschnitt kann ohne mehrmaliges Aufspannen in einem einzigen Bearbeitungsdurchgang gefräst werden.
So ergeben sich Vorteile bei Bearbeitungsqualität und -geschwindigkeit. Im Video entsteht ein 8-förmiger Hinterschnitt in einem Aluminiumteil. Gut zu erkennen sind die simultanen Bewegungen von Fräskopf und Bearbeitungstisch.
Um Hinterschnitte auf einer 3-Achsfräse oder mit festen Stellachsen zu fertigen, werden Formfräser. Das sind Fräswerkeuge, die bereits die Form einer bestimmten Kontur haben. Bei der Form der Kontur ist man hier also auf das Sortiment der Formfräser-Hersteller beschränkt. Alternativ können auch Sonderwerkzeuge mit der gewünschten Kontur individuell angefertigt werden. So oder so: Die Anschaffung von Formfräsern bedeuten zusätzliche Kosten. Gerade bei kleineren Stückzahlen ist das häufig weniger wirtschaftlich.
Auch bei der Qualität muss man bei Hinterschnitten ohne Simultanfräsen Abstriche machen. Damit der Formfräser tief genug in das Material kommt, um den Hinterschnitt durchzuführen, muss zunächst ein Einstichpunkt in das Material gefräst werden. Dieser fertigungsbedingte Durchbruch ist schon rein optisch nicht so sauber wie eine ununterbrochene Kontur, hat aber auch funktionelle Nachteile. Dichtringe sitzen beispielsweise nicht mehr ganz so fest wie bei einer durchgängigen Kontur.
So eine hinterschnittige Kontur lässt sich effizient und ohne Durchbruch nur mit 5-Achs-Simultanfräsen fertigen.
Optimale Ausrichtung von Kugelfräsern
Für das Fräsen von dreidimensionalen Konturen werden Kugelfräser eingesetzt. An der Spitze ist die Schnittgeschwindigkeit bei diesen Werkzeugen gleich null, der Fräser drückt das Material eher, anstatt es zu schneiden.
Um das zu verhindern, wird der Fräskopf bei der Bearbeitung leicht geneigt. Beim 5-Achs-Simultanfräsen kann der Winkel des Fräsers zur Oberfläche während der Bearbeitung geändert und so immer optimal gewählt werden. Das erlaubt auch bei komplexen Konturen eine optimale Oberflächenqualität.
Hat das 5-Achs-Simultanfräsen auch Nachteile?
Wie jedes Fertigungsverfahren hat das 5-Achs-Simultanfräsen natürlich auch seine Schwächen.
Im Vergleich zum Fräsen mit fester Stellachse ist kein so großer Materialabtrag möglich. Das Schruppen und das Vorschlichten, also die grobe Bearbeitung des Werkstücks, wird deswegen in der Regel mit festen Stellachsen durchgeführt.
Grundsätzlich werden für die Fräsfertigung im Simultanbetrieb spezielle Maschinen, Werkzeuge und CAM-Software benötigt. Die Programmierung ist komplexer als bei den anderen Fräsverfahren und setzt viel Know-how und Erfahrung der Mitarbeiter voraus.
Ihr Partner für die Fertigung von CNC-Frästeilen
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