Der ultimative Leitfaden zur CNC-Bearbeitung: Materialien, die Sie nicht verwenden können

Viele Branchen haben von der CNC-Bearbeitung profitiert, da sie die Fertigung komfortabler und präziser macht. Dennoch ist nicht jedes Material für dieses Verfahren geeignet, auch wenn es sich hervorragend zum Formen verschiedener Materialien eignet. Hersteller müssen wissen, welche Materialien mit der CNC-Bearbeitung nicht kompatibel sind, um sie aus ihren Prozessen zu nehmen und kostspielige Fehler zu vermeiden. Dieser Artikel erörtert die technischen Einschränkungen der CNC-Bearbeitung und beschreibt einige Materialien, die aufgrund ihrer Eigenschaften oder ihres Verhaltens während der Bearbeitung einige Herausforderungen darstellen. Erfahrene Profis und Anfänger werden diesen Leitfaden gleichermaßen hilfreich finden, um ihre Methoden zur Materialauswahl zu verbessern und die Produktion zu optimieren.

Welche Materialarten stellen für die CNC-Bearbeitung eine Herausforderung dar?

Die Materialien, bei denen die CNC-Bearbeitung allgemein bekanntermaßen Schwierigkeiten bereitet, können in die folgenden Kategorien eingeteilt werden:

• Hart oder zäh: Zu diesen Materialien gehören gehärteter Stahl, Titan und andere, die zu einem schnellen Verschleiß der zum Schneiden und zur Kraftanwendung verwendeten Werkzeuge führen können.
• Weich und elastisch: Einige Gummiarten sowie bestimmte Kunststoffe können sich bei Schnittkräften verformen und so präzise Bearbeitungsprozesse erschweren.
• Sprödes Material: Zu dieser Materialkategorie gehören Keramiken wie Glas, die bei jeder Art mechanischer Bearbeitung zum Reißen oder Absplittern neigen und daher mit Vorsicht und unter Verwendung geeigneter Werkzeuge behandelt werden müssen.
• Verbundwerkstoffe: Aufgrund ihrer unterschiedlichen Härtegrade können Verbundwerkstoffe, wie z. B. Kohlefaserverbundwerkstoffe, einen ungleichmäßigen Druck auf die Werkzeugkanten ausüben und durch den bei der Herstellung entstehenden Staub eine Gesundheitsgefahr darstellen.

Um diese Herausforderungen zu meistern, muss eine effektive Materialauswahl mit geeigneten Bearbeitungsstrategien gekoppelt werden.

Unglaublich weiche oder flexible Materialien

Die Bearbeitung weicher Materialien wie Gummi oder nicht so harter Thermoplaste ist aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften problematisch. Die Bearbeitung dieses Materials verformt sich unter Schnittkräften und kann zu geringerer Maßgenauigkeit und Komplexität führen. Ein einzigartiger Ansatz ist beispielsweise die kryogene Bearbeitung, bei der eine niedrige temporäre Temperatur verwendet wird, um das Material abzukühlen und so seine Steifigkeit zu erhöhen. Bei niedrigen Temperaturen kann die Materialverformung minimiert werden, indem die Schnittoberflächenbeschaffenheit reduziert wird, wodurch es leichter zu bearbeiten ist als andere. Die Reibung kann durch scharfe Schneidwerkzeuge mit niedrigeren Spanwinkeln und Schmierung reduziert werden.

Die Flexibilität führt auch zu mehr Vibrationen während der Bearbeitung, was die Lebensdauer des Werkzeugs und die Qualität der Oberflächenbearbeitung beeinträchtigen kann. Bei Thermoplasten hat sich beispielsweise gezeigt, dass niedrigere Geschwindigkeiten in Kombination mit geeigneten Spannvorrichtungen dazu beitragen können, durch Vibrationen verursachte Ungenauigkeiten zu verringern. Laut Tipps aus der Industriepraxis erfordert die Bearbeitung flexibler Materialien HSS- (Schnellarbeitsstahl) oder Hartmetallwerkzeuge für maximale Haltbarkeit und präzise Schnitte.

Bei anspruchsvollen CNC-Anwendungen müssen Sie wissen, wie sich ein Material unter Arbeitsbedingungen verhält, und die Fräsparameter entsprechend anpassen. So wird das Endprodukt den hohen Anforderungen an diese Materialien gerecht.

Materialien mit niedrigen Schmelzpunkten

Verschiedene Branchen stehen vor einzigartigen Chancen und Herausforderungen, wenn es um Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt geht, wie Aluminium, Zinn, Blei und einige Thermoplaste. Diese Stoffe haben typischerweise Schmelzpunkte unter 600 Grad Fahrenheit (316 Grad Celsius); daher können sie in Niedertemperaturanwendungen wie Löten, Gießen und 3D-Druck verwendet werden. Zinn hat beispielsweise einen Schmelzpunkt von etwa 450 Grad Fahrenheit (232 Grad Celsius), ideal zum Löten elektronischer Geräte mit deutlicher Temperaturkontrolle.

Für eine ordnungsgemäße Bearbeitung oder Verarbeitung dieser Materialien müssen ihre thermischen Eigenschaften berücksichtigt werden, um Verformungen durch Wärmeeinwirkungen, einschließlich Verziehen, zu vermeiden. Informationen deuten darauf hin, dass solide Kühlsysteme wie Hochdruckluft oder flüssiges Kühlmittel die thermische Belastung verringern und dadurch die Werkzeuglebensdauer erhöhen und gleichzeitig die Oberflächengüte verbessern können. Darüber hinaus haben Studien gezeigt, wie wichtig es ist, scharfe Schneidwerkzeuge und Spindeln mit niedriger Drehzahl zu verwenden, um die während der Bearbeitung erzeugte Wärme zu minimieren.

Auch die Anwendung von Legierungen aus niedrigschmelzenden Materialien hat ihren Anwendungsbereich erweitert. Beispielsweise werden Blei-Zinn-Legierungen häufig bei der Herstellung von Lötmitteln eingesetzt, da sie vorhersehbar schmelzen und langlebig sind. Darüber hinaus werden moderne Thermoplaste mit niedrigen Erweichungspunkten häufig für die additive Fertigung verwendet, die eine präzise Schicht-für-Schicht-Abscheidung erfordert.“

Daher kann die Industrie diese Werkstoffe richtig einsetzen und durch Kenntnis ihrer mechanischen und thermischen Eigenschaften eine lange Lebensdauer, Unbedenklichkeit und Effizienz ihrer Anwendungen sicherstellen.

Stark abrasive Stoffe

Hochabrasive Materialien weisen eine hohe Härte und Abrasivität auf, weshalb sie für industrielle Anwendungen wie Schleifen, Schneiden und Polieren erforderlich sind. Dazu gehören Siliziumkarbid (SiC), Aluminiumoxid (Al2O3), kubisches Bornitrid (CBN) und Diamant. Diese Materialien weisen eine überragende Verschleißfestigkeit auf und halten hohen Belastungen stand.

Zur Veranschaulichung: Synthetisch hergestellte Industriediamanten werden häufig für Schneidwerkzeuge verwendet, da ihre Härte mit 10 auf der Mohs-Skala unvergleichlich ist. Sie können verwendet werden, um ultraharte Materialien wie Keramik und Metalle mit hoher Präzision herzustellen. Im Gegensatz dazu hat Aluminiumoxid eine Partikelhärte, die zwischen 9 und 9.5 auf der Mohs-Skala liegt, und wird häufig für Schleifpapier und Strahlmittel verwendet.

Jüngste Entwicklungen haben die Größe und Struktur von Schleifpartikeln optimiert, wodurch die Effizienz gesteigert und der Verschleiß der Verarbeitungsgeräte reduziert wurde. Studien mit nanostrukturierten Schleifmitteln zeigen eine um 15-20 % höhere Materialabtragsrate im Vergleich zu herkömmlichen Mikroschleifmitteln. Darüber hinaus beschäftigen sich Industrien weiterhin mit Fragen der nachhaltigen Entwicklung, wie etwa dem Einsatz umweltfreundlicher Schleifmittel wie recyceltem Glas und Granat, die betriebliche Effizienz mit ökologischer Nachhaltigkeit in Einklang bringen.

Das Verständnis der physikalischen Eigenschaften von Materialien wie Partikelgröße, Härte und thermische Stabilität ist entscheidend für die Auswahl eines geeigneten Schleifmittels für eine bestimmte Anwendung. Dadurch wird sichergestellt, dass die Werkzeuge und Geräte länger halten, Schäden minimiert werden und optimale Ergebnisse erzielt werden.

Warum können bestimmte Materialien nicht für die CNC-Bearbeitung verwendet werden?

Einschränkungen von CNC-Werkzeugmaschinen

CNC-Maschinen unterliegen bei der Verarbeitung bestimmter Materialien Einschränkungen. Einer der wesentlichen Faktoren kann die Härte des jeweiligen Materials sein. Einige komplexe Materialien, wie beispielsweise bestimmte Keramiken oder gehärtete Stähle, können die Leistungsfähigkeit gewöhnlicher CNC-Werkzeuge übersteigen, was zu starkem Verschleiß und zum Brechen der Werkzeuge führen kann. Dies hängt mit einer weiteren Einschränkung zusammen, nämlich der Duktilität des Materials. Diese Bearbeitungsprobleme, beispielsweise schlechte Oberflächengüte oder verstopfte Schneidwerkzeuge, können bei hochdehnbaren Materialien wie bestimmten Weichmetallen auftreten. Darüber hinaus leiten manche Materialien während der Bearbeitung möglicherweise keine Wärme, was zu thermischen Verformungen oder Schäden am Werkstück führt. Die Genauigkeit und dauerhaft hohe Leistung der Maschine hängen in hohem Maße von der richtigen Auswahl kompatibler Materialien ab, die die Leistung der Maschine ergänzen.

Mit Bearbeitungsprozessen nicht kompatible Materialeigenschaften

Übermäßige Härte

Die Bearbeitung bestimmter Keramiken oder übermäßig gehärteter Stähle kann schwierig sein und zu schnellem Werkzeugverschleiß führen.

Geringe Wärmeleitfähigkeit

Materialien mit schlechter Wärmeableitung, einschließlich Titanlegierungen, können aufgrund der durch die Bearbeitung bedingten Hitzeentwicklung thermische Schäden verursachen.

Hohe Duktilität

Dabei handelt es sich um zu formbare Materialien, wie beispielsweise reines Kupfer oder weiches Aluminium, die zu unbefriedigenden Oberflächenergebnissen führen und zu Problemen beim Verstopfen des Werkzeugs führen können.

Sprödigkeit

Es besteht die Befürchtung, dass spröde Materialien wie Glas und bestimmte Verbundwerkstoffe bei der Bearbeitung reißen oder absplittern könnten.

Schleifeigenschaften

Mit Schleifmitteln oder bestimmten Polymerarten verstärkte Verbundwerkstoffe können Schneidinstrumente schnell stumpf machen und die Bearbeitbarkeit beeinträchtigen.

Das Erkennen dieser inkompatiblen Eigenschaften ist von entscheidender Bedeutung für die Auswahl geeigneter Materialien und die Verbesserung der Maschinenleistung im Betrieb.

Sicherheitsbedenken und mögliche Schäden an der Ausrüstung

Die Bearbeitung von Materialien mit inkompatiblen Eigenschaften kann Sicherheitsrisiken bergen. Spröde Materialien, die unter Belastung zerspringen, erzeugen scharfe Splitter, die den Bediener verletzen können. Darüber hinaus beschleunigen abrasive Materialien den Verschleiß von Schneidwerkzeugen, die während des Gebrauchs versagen können. Dies kann zu plötzlichen Fehlfunktionen der Maschine und Sicherheitsrisiken führen. Um solche Risiken zu minimieren und einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, sind die richtige Materialauswahl, regelmäßige Gerätewartung und der Einsatz von Schutzausrüstung erforderlich.

Welche Alternativen gibt es für Werkstoffe, die nicht CNC-bearbeitet werden können?

3D-Druckoptionen

Für Materialien, die sich mit CNC-Techniken nur schwer bearbeiten lassen, stellt der 3D-Druck eine flexible Option dar. Additive Fertigungstechnologien wie Fused Deposition Modeling (FDM), Stereolithografie (SLA) und Selektives Lasersintern (SLS) können eine Vielzahl von Materialien verarbeiten, darunter Thermoplaste und Fotopolymere, aber auch Metalle.

Ein Beispiel sind FDM-Drucker, die sich bei der Herstellung von Prototypen aus ABS, PLA und PETG als äußerst nützlich erweisen, um kostengünstige Lösungen zu gewährleisten. SLA hingegen bietet eine höhere Präzision und eignet sich daher am besten für detaillierte Anwendungen, die üblicherweise mit robusten, flexiblen und gießbaren Harzen durchgeführt werden. SLS wird häufig bei der Herstellung robuster Funktionsteile aus Nylonpulvern eingesetzt und eignet sich daher für Endanwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizintechnik.

Laut Statistik kann durch 3D-Druck im Vergleich zu subtraktiven Methoden der traditionellen Fertigung bis zu 70 % Materialabfall eingespart werden. Darüber hinaus gibt es Entwicklungen im Bereich des 3D-Drucks von Metallen, wie beispielsweise das Direkte Metall-Lasersintern (DMLS), bei dem durch die Verwendung von Materialien wie Titan und Aluminium zusammen mit Edelstahl komplizierte Geometrien erstellt werden. Diese Möglichkeiten machen den 3D-Druck zu einer interessanten Wahl für Kleinserienproduktionen, schnelles Prototyping und kundenspezifische Designs.

Durch die Integration verschiedener 3D-Drucktechniken mit spezifischen Vorteilen für jedes Material können Hersteller die Einschränkungen der CNC-Bearbeitung überwinden und gleichzeitig Effizienz, Funktionalität und Designflexibilität beibehalten.

Spritzguss für Kunststoffe

Wenn Sie mich fragen, ist Spritzguss eine Methode zur Herstellung von Kunststoffteilen im großen Maßstab, die ich empfehlen würde. Bei diesem Verfahren wird flüssiger Kunststoff in eine spezielle Form gepresst und dann abgekühlt, um die gewünschte Form anzunehmen. Die Stärke des Verfahrens liegt in der Fähigkeit, Bauteile mit komplizierten Geometrien bei hohen Produktionsraten herzustellen. Darüber hinaus können verschiedene Thermoplaste verwendet werden, wodurch die Materialeigenschaften an spezifische Anforderungen angepasst werden können.

Gießverfahren für Metalle

Eine der Grundlagen der Metallbearbeitung ist das Gießen, bei dem flüssiges Metall in eine Form gegossen und verfestigt wird, um die gewünschte Form zu erhalten. Unterschiedliche Gießtechniken verwenden unterschiedliche Materialien, Anwendungen und Toleranzen.

Sandguss

Sandguss ist aufgrund seiner Vielseitigkeit und Kosteneffizienz eine der am häufigsten verwendeten Methoden. Bei dieser Methode werden Formen aus Sand verwendet, die sich leicht für jedes komplexe Design formen lassen. Es wird häufig verwendet, um große und schwere Teile aus Metallen wie Eisen, Stahl und Aluminium herzustellen. Moderne Sandgussteile können Toleranzen von bis zu ±0.02 Zoll pro Zoll erreichen, was hauptsächlich bei Teilen wie Motorblöcken oder Komponenten für Landmaschinen der Fall ist.

Druckguss

Beim Druckguss wird heißes flüssiges Metall unter hohem Druck in eine wiederverwendbare Stahlform (Matrize) gepresst, um Präzisionsteile in Massenproduktion herzustellen. Anschließend werden Nichteisenlegierungen typischerweise durch computergestützte numerische Steuerung bearbeitet, insbesondere bei verschiedenen CNC-Anwendungen mit Aluminium, Zink oder Magnesium. Einige fortschrittliche Druckgusstechnologien können Toleranzen von bis zu ±0.005 Zoll erreichen. Daher findet diese Technik aufgrund ihrer Fähigkeit, komplizierte geometrisch genaue Teile in verschiedenen Größen herzustellen, in der Automobilherstellung und der Unterhaltungselektronik breite Anwendung.

Feinguss

Das Feingussverfahren, auch Wachsausschmelzverfahren genannt, eignet sich am besten für die Herstellung von Bauteilen mit komplizierten Details und glatten Oberflächen. Dabei wird eine Keramikform um ein Wachsmodell herum geformt, ausgeschmolzen, um das Wachs zu entfernen, und dann mit geschmolzenem Metall gefüllt. Ziel dieses Verfahrens ist es, eine hervorragende Oberflächenbeschaffenheit sowie Maßtoleranzen von ±0.004 Zoll zu erreichen. Diese Technik wird häufig im medizinischen Bereich und in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, da sie für die Herstellung von Bauteilen wie chirurgischen Instrumenten und Turbinenschaufeln von entscheidender Bedeutung ist.

Schleuderguss

Bei diesem Verfahren wird die Zentrifugalkraft genutzt, um geschmolzenes Metall in der Form zu verteilen, wodurch kompakte Teile mit begrenzter Porosität entstehen. Dabei werden hauptsächlich röhrenförmige und zylindrische Komponenten hergestellt, z. B. Rohre, Buchsen oder Lager aus rostfreiem Stahl und Eisen. Materialien, die im Schleudergussverfahren hergestellt werden, weisen neben ihrer hohen Effizienz in der Regel auch verbesserte mechanische Eigenschaften auf.

Fortlaufendes Casting

Das Stranggießen ist ein effizienterer Prozess, bei dem flüssiges Metall kontinuierlich aus einer Form austritt und so Bleche, Stangen oder andere lange Formen für CNC-Materialien produziert. Die Stahl- und Aluminiumindustrie nutzt es häufig für hohe Produktionsmengen und die Festigkeit der Rohmaterialien. Die neuesten Technologien ermöglichen beispielsweise Produktivitätsraten von über 10 Metern pro Minute und fördern damit die Produktion im großen Maßstab.

Jede Gusstechnik hat ihre eigenen Vorzüge und spezifischen Produktionsanforderungen. Mit Hilfe des Fortschritts in der Materialwissenschaft haben sich diese Ansätze weiterentwickelt und bieten höhere Genauigkeit, weniger Abfall und eine verbesserte mechanische Leistung bei Metallteilen.

Welchen Einfluss haben Faktoren bei der Materialauswahl auf die CNC-Bearbeitungsmöglichkeiten?

Härte- und Bearbeitbarkeitswerte

Beim Vergleich von Härte- und Zerspanbarkeitswerten schaue ich mir an, wie sich die Materialeigenschaften auf die Effizienz und Praktikabilität von CNC-Maschinen auswirken. Härtere Materialien sind jedoch schwieriger zu schneiden als weichere und erfordern daher spezielle Werkzeuge und langsamere Schnittgeschwindigkeiten, bieten jedoch eine hervorragende Haltbarkeit und Verschleißfestigkeit. Materialien mit höheren Zerspanbarkeitswerten können jedoch schneller und genauer bearbeitet werden, was zu geringerem Werkzeugverschleiß und kürzeren Produktionszeiten führt. Der Schlüssel zu erfolgreichen Ergebnissen in der Fertigung liegt darin, diese Faktoren abzuwägen.

Thermische Eigenschaften und Hitzebeständigkeit

Die Auswahl von Materialien für Bearbeitungs- und Fertigungsprozesse hängt stark von ihren thermischen Eigenschaften ab, insbesondere bei Hochtemperaturumgebungen. Aluminium und Kupfer sind einige Beispiele für Materialien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit. In dieser Hinsicht würden sie eine Überhitzung während der Bearbeitung wirksam verhindern, indem sie die Wärme schneller ableiten. Trotz dieser Vorteile haben diese Materialien niedrigere Schmelzpunkte und sind daher möglicherweise nur begrenzt einsetzbar, wenn sie extremen Hitzebedingungen ausgesetzt sind.

Eine weitere Materialgruppe sind Edelstahl und Nickellegierungen, die für ihre hervorragende Hitzebeständigkeit bekannt sind, da sie selbst bei erhöhten Temperaturen eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Nickel-Superlegierungen können beispielsweise Temperaturen von über 1,000 °C ohne strukturelle Schäden standhalten und sind daher für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie bei Turbinen bestens geeignet.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) ist ein weiterer wichtiger Aspekt, da es bei Materialien mit hohem CTE bei Temperaturschwankungen zu erheblichen Maßänderungen kommt, was sich negativ auf die Präzision auswirkt. Beispielsweise weisen Titanlegierungen mit einem mittleren CTE auch eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit auf, was sie stabil, aber thermisch effizient macht.

Beim Einsatz von CNC-Maschinen sollte auf ein angemessenes Wärmemanagement geachtet werden, da eine zu starke Wärmeentwicklung zu Werkzeugverschleiß oder Verformung des Werkstücks führen kann. Hersteller müssen Aspekte wie Leitfähigkeit (die Fähigkeit, den Fluss von Elektrizität durch bestimmte leitfähige Stoffe zu beschleunigen oder zu verlangsamen), Ausdehnungsfähigkeit (die Fähigkeit, die Größe zu ändern) und Stabilitätseigenschaft (die angibt, wie gut sie physikalischen Reaktionen bei unterschiedlichen Temperaturen widersteht, einschließlich der durch Erwärmung verursachten, damit sie optimale Leistung und Haltbarkeit für Material und Werkzeuge erzielen) berücksichtigen.

Chemische Zusammensetzung und Reaktivität

Die CNC-Bearbeitbarkeit eines Materials wird maßgeblich von seiner chemischen Zusammensetzung beeinflusst. Die in einem Material vorhandenen Elemente bestimmen direkt verschiedene Eigenschaften wie Härte, Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit, die bei der Auswahl gängiger Materialien für CNC-Projekte eine Rolle spielen. Beispielsweise besitzt Edelstahl eine passive Chromoxidschicht, die aufgrund des darin enthaltenen Eisens, Chroms (mindestens 10.5 %), Nickels und Kohlenstoffs für die Verhinderung von Korrosion verantwortlich ist.

Auch die Reaktivität spielt eine Rolle, insbesondere bei der Bearbeitung von Metallen wie Aluminium und Magnesium, die sehr anfällig für Oxidation sind. Aluminium reagiert stark mit Sauerstoff, wodurch dünne schützende Oxidoberflächen entstehen, die seine Korrosionsbeständigkeit erheblich verbessern. Andererseits ist Magnesium trotz seines geringen Gewichts und seiner Festigkeit viel reaktiver als Aluminium und kann bei hohen Temperaturen entzündet werden. Daher müssen bei der Bearbeitung strenge Sicherheitsmaßnahmen eingehalten werden.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Wechselwirkung der Legierungszusammensetzung mit Schneidflüssigkeiten und Werkzeugmaterialien. So verringern beispielsweise Materialien mit hohem Schwefelgehalt, wie Automatenstähle, Reibung und Verschleiß an Werkzeugen und verbessern so deren Zerspanbarkeit. Darüber hinaus sind Titanlegierungen schwer zu bearbeiten, da sie ein beeindruckendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und eine überlegene Hitzebeständigkeit aufweisen, obwohl ihre Zusammensetzungen normalerweise aus Aluminium und Vanadium bestehen.

Die empirischen Daten stützen diese Beobachtungen. Beispielsweise tragen Aluminiumlegierungen mit einem Nickelgehalt von 4 bis 6 Prozent, wie etwa die Legierung 2618, dazu bei, das Material für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt zu stärken. Andererseits ist eine erhöhte Härte bei Stahlmaterialien mit hohem Kohlenstoffgehalt Standard; dies verringert jedoch die Bearbeitbarkeit aufgrund der Sprödigkeit des Materials unter Belastung. Die Kenntnis solcher Zusammensetzungsdetails ermöglicht es Ingenieuren, Materialien auszuwählen, die Reaktionsfähigkeit, Bearbeitungsqualität und Leistung für präzise CNC-Bearbeitungsvorgänge kombinieren.

Gibt es Workarounds für die Bearbeitung komplexer Materialien?

Spezialwerkzeuge und Beschichtungen

Die Bearbeitung komplexer Materialien erfordert häufig spezielle Werkzeuge und verbesserte Beschichtungstechnologien, um die Leistung zu optimieren und den Werkzeugverschleiß zu reduzieren. Solche Werkzeuge aus Hartmetall oder kubischem Bornitrid (CBN) weisen eine gute Härte und Temperaturbeständigkeit auf, wodurch sie sich für die Bearbeitung von Superlegierungen und gehärtetem Stahl in CNC-Drehmaschinen eignen. Darüber hinaus eignen sich Werkzeuge aus polykristallinem Diamant (PCD) gut für die Bearbeitung von Nichteisenmetallen wie Aluminium-Lithium-Legierungen, da sie beim Hochgeschwindigkeitsschneiden ihre Genauigkeit und Festigkeit beibehalten.

Die Beschichtungen spielen auch eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Werkzeuglebensdauer und -effizienz. Beschichtungen aus Titanaluminiumnitrid (TiAlN) sind Beispiele für verbesserte Hitzebeständigkeit und Oxidationsstabilität. Sie sind für den schnellen Materialabtrag, beispielsweise bei hochfestem Stahl oder hitzebeständigen Legierungen, vorzuziehen. Durch fortgeschrittene Forschung wurden auch diamantenähnliche Kohlenstoffbeschichtungen entwickelt, die weniger Reibung aufweisen und so die Wärmeentwicklung verringern, wenn Maschinen während eines Bearbeitungsprozesses an ihnen arbeiten.

Laut Daten aus industriellen Anwendungen können Hartbeschichtungen wie TiAlN die Standzeit von Werkzeugen beim Schneiden von Titan- oder Nickellegierungen um bis zu 800 % verlängern. Wenn diese Werkzeuge zusammen mit Kühlung oder minimaler Ölschmierung (MQL) verwendet werden, erhöht sich die Stabilität und die Wärmebelastung während des Prozesses wird reduziert. Selbst bei anspruchsvollen Materialien ermöglichen diese neuen Methoden eine bessere Bearbeitbarkeit, wobei die Oberflächenqualität und hohe Genauigkeit erhalten bleiben.

Fortschrittliche Kühltechniken

Bei der Bearbeitung hitzebeständiger Materialien ist der Einsatz moderner Kühltechniken zur Leistungssteigerung unerlässlich. Eine verbesserte Bearbeitung ist möglich, indem sichergestellt wird, dass die Wärme richtig aus dem Werkstück abgeleitet wird, um thermische Verformungen zu vermeiden und seine mechanischen Eigenschaften beizubehalten. Im Folgenden sind die am häufigsten verwendeten Methoden für moderne Kühlung aufgeführt:

Hochwasserkühlung

Hierbei handelt es sich um einen herkömmlichen Ansatz, bei dem kontinuierlich eine große Menge Flüssigkeit in den Schneidbereich gegossen wird. Dies kann bei der Bewältigung allgemeiner Bearbeitungsanforderungen effektiv sein, kann jedoch zu Umweltproblemen und hohem Kühlmittelverbrauch führen.

Minimalmengenschmierung (MMS)

Durch die MQL-Technologie werden sehr kleine Kühlmittelmengen kontrolliert als feiner Nebel abgegeben, wodurch der Flüssigkeitsverbrauch erheblich gesenkt wird. Unter Beibehaltung der Werkzeuglebensdauer und Oberflächenqualität konnten laut einigen Studien die Schnitttemperaturen im Vergleich zur Trockenbearbeitung um bis zu 30 % gesenkt werden.

Kryogene Kühlung

Bei diesem Verfahren werden kryogene Flüssigkeiten wie flüssiger Stickstoff (LN2) oder Kohlendioxid (CO2) eingesetzt, die die Schnitttemperaturen enorm senken. Die kryogene Kühlung verlängert die Werkzeuglebensdauer um bis zu 90 % und verbessert gleichzeitig die Oberflächenintegrität von Materialien wie beispielsweise Titanlegierungen.

Hochdruckkühlung (HPC)

HPC ist die Abkürzung für Hochdruckkühlsysteme, die Kühlmittel mit einem Druck von über 80 bar in die Schneidzone leiten. Diese Methode ist besonders nützlich für die Spanabfuhr und Temperaturreduzierung im Schneidbereich und eignet sich daher gut für Materialien wie Edelstahl und Superlegierungen.

Interne Kühlmittelkanäle

Werkzeuge mit integriertem Kühlmittelzufuhrsystem sorgen dafür, dass die Flüssigkeit direkt an die Schnittkante gelangt. Die interne Kühlung verbessert die Bearbeitungsstabilität und damit die Werkzeugleistung beim Bohren tiefer Löcher.

Luftkühlung

Druckluft ist eine trockene Option für die Bearbeitung weicher Materialien. In Kombination mit Hochgeschwindigkeitsbearbeitung erleichtert sie die Spanabfuhr und verhindert gleichzeitig eine Ölverunreinigung.

Durch die richtige Wahl dieser Kühltechniken können Hersteller bei vielen Anwendungen eine optimierte Bearbeitungseffizienz, eine längere Werkzeuglebensdauer und eine verbesserte Nachhaltigkeit erreichen.

Hybride Fertigungsansätze

Die Kombination additiver und subtraktiver Verfahren in der Hybridfertigung nutzt die besten Aspekte beider Techniken. Schicht für Schicht werden 3D-Druck und andere additive Verfahren eingesetzt, um zusammengesetzte Geometrien zu entwickeln; andererseits werden Oberflächen mit CNC-Bearbeitung verfeinert und die Maßgenauigkeit verbessert. Diese Methode ist am effektivsten bei der Herstellung komplexer Teile, da sie Materialverschwendung reduziert und die Produktionszeit minimiert. In den meisten Fällen wird die Hybridfertigung in der Luft- und Raumfahrt, der Medizin und der Automobilindustrie eingesetzt, da sie einen hohen Anpassungsgrad für eine außergewöhnliche Effizienz der Leistungskomponenten bietet.

Welche Missverständnisse gibt es häufig bezüglich Materialien bei der CNC-Bearbeitung?

Annahmen zur Materialverträglichkeit

Nicht alle Materialien sind gleich und die CNC-Bearbeitung ist eines der häufigsten Missverständnisse in der gesamten Fertigung. Jeder Materialtyp, wie Metall, Kunststoff oder Verbundwerkstoffe, hat einzigartige Eigenschaften, die sich auf die Bearbeitbarkeit auswirken. Beispielsweise wird Aluminium aufgrund seiner einfachen Schneideigenschaften und thermischen Eigenschaften bevorzugt, während härtere Materialien wie Titan spezielle Werkzeuge und Techniken erfordern, um den Werkzeugverschleiß zu minimieren. Außerdem gibt es keine Materialien, die für jede Art von Bearbeitungsprozess verwendet werden können; Materialsteifigkeit, Hitzebeständigkeit und Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit müssen sorgfältig abgewogen werden, um die Ergebnisse zu maximieren. Es ist wichtig, diese Unterschiede zu verstehen, wenn man sich für das geeignete Material für eine bestimmte Anwendung entscheidet.

Überschätzung der Maschinenkapazitäten

Ein weiteres häufiges Missverständnis im Zusammenhang mit der CNC-Bearbeitung ist jedoch, dass Menschen dazu neigen, die Leistungsfähigkeit einer Maschine zu überschätzen, weil sie ihre Grenzen nicht kennen. So fortschrittlich moderne computergesteuerte Maschinen auch sein mögen, sie können nicht jede komplexe Design- oder Materialherausforderung bewältigen, wenn sie nicht richtig eingerichtet und ausgerüstet sind, insbesondere wenn mehrere Materialien im Spiel sind.

Beispielsweise sind Hochgeschwindigkeitsfräsmaschinen für schnelle Präzisionsanwendungen ausgelegt, aber diese können durch Faktoren wie Vibrationskontrolle, Werkzeugsteifigkeit und Spindelleistung eingeschränkt werden. Der Versuch, harte Materialien wie gehärteten Stahl oder einige Verbundwerkstoffe bei ungeeigneter Geschwindigkeit aufzurauen, führt zu Werkzeugbrüchen oder ungenauen Schnitten. Forschungsergebnissen zufolge erfordert die Bearbeitung härterer Legierungen oft Schnittgeschwindigkeiten von nur 30–50 Oberflächenfuß pro Minute (SFM) und den Einsatz verschleißfester Schneidwerkzeuge wie Hartmetall- oder Keramiksorten.

Alternativ gibt es bei 5-Achsen-CNC-Maschinen aufgrund der Werkstückspannung und der Maschinengenauigkeit Einschränkungen bei den möglichen Toleranzen, obwohl sie komplexe Geometrien verarbeiten können. Im Allgemeinen kann die CNC-Genauigkeit zwischen ±0.001″ und ±0.005″ liegen. Bei ultrahohen Präzisionsanforderungen könnten jedoch einige Maschinen ohne Kalibrierungsanpassungen oder nachfolgende Vorgänge an ihre Grenzen stoßen.

Es ist wichtig, diese Grenzen sowohl technisch als auch betriebstechnisch zu verstehen. So können beispielsweise technische Ansätze an die spezifischen Fähigkeiten des CNC-Systems angepasst und Werkzeuge und Parameter ausgewählt werden, um die Leistung zu optimieren. Gleichzeitig minimiert ein Maschinist Fehler oder Ineffizienzen.

Unterschätzung der Bedeutung von Materialeigenschaften

Wenn die Bedeutung der Materialeigenschaften bei der CNC-Bearbeitung ignoriert wird, kann dies zu erheblichen Schwierigkeiten bei der Erzielung von Präzision, der Aufrechterhaltung der Werkzeuglebensdauer und der Optimierung der Arbeitseffizienz führen. Jedes Material, ob Metalle, Verbundwerkstoffe oder Polymere, hat seine eigenen Eigenschaften wie Härte, Zugfestigkeit, Wärmeleitfähigkeit und chemische Stabilität, die sich direkt auf die Bearbeitungsleistung und -ergebnisse auswirken.

Titan oder gehärteter Stahl gehören beispielsweise zu den Metallen mit hoher Härte, die geringere Schnittgeschwindigkeiten und teurere Werkzeuge wie beschichtetes Hartmetall oder polykristallinen Diamant (PCD) erfordern, um übermäßigen Werkzeugverschleiß zu vermeiden. Branchendaten zufolge sind zum Bearbeiten von Titanlegierungen Schnittgeschwindigkeiten zwischen 40 und 120 Metern pro Minute und ein erhöhter Schneidkantendruck erforderlich, wodurch die Wärmeabfuhr für die Bearbeitung wichtig wird. Umgekehrt ermöglichen weichere Materialien wie Aluminium höhere Schnittgeschwindigkeiten von 600 Metern pro Minute, was manchmal die Zykluszeit verkürzt.

Auch die Materialeigenschaften hängen von der Wärmeausdehnung ab. So erfordert die Bearbeitung von Aluminium aufgrund seiner hohen Wärmeausdehnungsrate eine genaue Temperaturkontrolle, um die Maßtoleranzen einzuhalten. Andererseits weisen Materialien wie Kohlefaserverbundstoffe Anisotropie auf, was bedeutet, dass sich ihre Bearbeitbarkeit je nach Schnittrichtung ändern kann. Das Verständnis ihrer Struktur ist entscheidend, um Defekte wie Delaminationen zu vermeiden.

Darüber hinaus bieten Bearbeitbarkeitsbewertungen eine quantitative Perspektive auf das Verhalten von Materialien in Bezug auf herkömmliche Verarbeitungsvorgänge. Diese Bewertungen ermöglichen einen Vergleich zwischen anderen Metallen und einem bestimmten Referenzmetall, wie z. B. Automatenstahl, der mit 100 % bewertet ist. Im Gegensatz dazu erfordern Materialien mit niedriger Bewertung wie Edelstahllegierungen (40 % - 60 %) Werkzeugwegstrategien und Anpassungen der Schnittparameter.

Durch eine gründliche Bewertung dieser und anderer Materialeigenschaften können Ingenieure mögliche Herausforderungen vorhersehen, Schnittparameter optimieren und die Übereinstimmung mit den Konstruktionstoleranzen aufrechterhalten. Das Ignorieren dieser Kombination aus Bearbeitungsverfahren und Materialwissenschaft kann zu Ineffizienzen, beeinträchtigter Teilequalität und längeren Produktionszeiten führen.

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

F: Welche Materialien können bei der CNC-Bearbeitung nicht verwendet werden?

A: Obwohl sie vielseitig einsetzbar sind, können einige Materialien aufgrund ihrer Eigenschaften nicht für die CNC-Bearbeitung verwendet werden. Dazu gehören sehr weiche Materialien wie Gummi oder Schaumstoff, hochgiftige Materialien wie Beryllium und Kunststoffe mit niedrigem Schmelzpunkt. Darüber hinaus ist die Verwendung spröder Materialien und solcher, die während der Bearbeitung schädliche Dämpfe erzeugen, für CNC-Prozesse nicht ratsam.

F: Kann man PVC auf einer CNC-Maschine verwenden?

A: Als Faustregel wird PVC nicht für die CNC-Bearbeitung empfohlen. Die Bearbeitung von PVC ist möglich, aber beim Schneiden mit hoher Geschwindigkeit entstehen giftige Dämpfe, die ernsthafte Gesundheitsrisiken bergen. Darüber hinaus kann PVC schmelzen und an den Schneidwerkzeugen haften bleiben, was die CNC-Fräsmaschine oder die Drehbank beschädigen kann. Aus diesem Grund werden stattdessen normalerweise alternative Materialien bevorzugt.

F: Welche Einschränkungen gibt es bei der Verwendung von Polycarbonat in der CNC-Bearbeitung?

A: Die Anwendung von Polycarbonat als Material ist jedoch begrenzt, da es bei hohen Temperaturen, die durch Hochgeschwindigkeitsbearbeitung entstehen, zum Schmelzen oder Verformen neigt. Dies beeinträchtigt die Präzision und Oberflächengüte der bearbeiteten Teile, insbesondere wenn sie mit einem Laserschneider unter numerischer Steuerung (CNC) geschnitten wurden. Polycarbonat reißt außerdem sehr leicht, was zu Bohrlöchern von geringer Qualität und gefrästen Kanten führt, die anfällig für Risse sind. Es ist wichtig, Polycarbonat mit Vorsicht und geeigneten Schneidparametern zu bearbeiten, um gute Ergebnisse hinsichtlich der Oberflächengüte zu erzielen.

F: Kann CNC-Bearbeitung mit Materialien durchgeführt werden, die hohen Temperaturen nicht standhalten?

A. Die Verwendung von Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt und solchen, die bei hohen Temperaturen zerfallen, kann bei der CNC-Bearbeitung recht schwierig sein. Computergestützte numerische Steuerungsmethoden können diese Materialien leicht zum Schmelzen bringen, ihre Form verlieren oder aufgrund der beim Schneidvorgang entstehenden Hitze verdampfen. Mit einigen speziellen Kühltechniken und sehr niedrigen Vorschubgeschwindigkeiten können bestimmte Niedrigtemperaturmaterialien jedoch manchmal mit akzeptablen Ergebnissen bearbeitet werden. Allerdings führen solche Bemühungen normalerweise zu schlechten Ergebnissen und können die Fräsmaschine und ihre Schneidwerkzeuge beschädigen. Normalerweise ist es besser, Materialien auszuwählen, die der Hitze standhalten können, die während der Bearbeitung durch die Maschinen während der Produktion entsteht (Bennett et al.).

F: Gibt es nichtmetallische Materialien, die bei der CNC-Bearbeitung nicht verwendet werden können?

A: Ja, eine Reihe nichtmetallischer Materialien sind für die CNC-Bearbeitung nicht geeignet. Einige extrem weiche Materialien wie Gummi oder Schaumstoff verformen sich bei der Anwendung von Schnittkräften und einige Verbundwerkstoffe delaminieren bei der Bearbeitung. Einige Arten von Glasfaser oder Kohlefaser können gefährlichen Staub oder Dämpfe enthalten, die manchmal Sicherheitsmaßnahmen erfordern und möglicherweise nicht für alle CNC-Maschinen geeignet sind. Wenn Sie nach nichtmetallischen Materialien für CNC-Projekte suchen, prüfen Sie immer die Materialeigenschaften und welche Art der Bearbeitung erforderlich ist, da unterschiedliche Eingaben das Ergebnis erheblich verändern können.

F: Welche Materialien sollte ich für mein CNC-Bearbeitungsprojekt wählen?

A: Bei der Auswahl von Materialien für die CNC-Bearbeitung müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden, die mit der Art des Materials zusammenhängen. Dazu gehören die gewünschten Eigenschaften des Endteils wie Zähigkeit, Verschleißfestigkeit oder Korrosionsbeständigkeit, die beabsichtigte Anwendung wie Luft- und Raumfahrt, Automobilbau oder Prototypen, Bearbeitbarkeit, Kosten und die Leistungsfähigkeit Ihrer CNC-Fräs- oder Drehmaschine. Man muss auch die erforderlichen Toleranzen berücksichtigen und ob das Material mit Nachbearbeitungsbehandlungen wie Wärmebehandlung oder Oberflächenveredelung kompatibel ist. Um das richtige Material für Ihr spezielles CNC-Bearbeitungsprojekt auszuwählen, sollten Sie mit erfahrenen Maschinisten oder Materialspezialisten sprechen.

Referenzquellen

1. FORSCHUNGSFORTSCHRITTE BEI ​​DER BEARBEITUNG VON TITANLEGIERUNGEN DURCH CNC-FRÄSEN: EIN TECHNISCHER ÜBERBLICK

• Autoren: Mithun Kumar, PS Rao
• Veröffentlichungsdatum: 2024
• Zusammenfassung: Der Artikel untersucht Komplikationen bei der Bearbeitung von Titanlegierungen, die für ihr hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht sowie ihre Korrosionsbeständigkeit bekannt sind. Daher wird betont, dass häufige Werkzeugabnutzung und die Notwendigkeit spezieller Schneidwerkzeuge und -techniken die Bearbeitung von Titanlegierungen erschweren.
• Methodik: Die Autoren analysieren Bearbeitungsvariablen wie Schneidwerkzeuggeometrie, Geschwindigkeiten, Vorschubgeschwindigkeiten und ihre Auswirkungen auf die Bearbeitungseffizienz und Werkzeuglebensdauer.

2. Titel: Die Auswirkungen von Annahmen im 3D-Druck und Bedingungen bei der CNC-Bearbeitung auf die mechanischen Parameter einiger PET-Materialien

• Autoren: Krawulski P., Dyl T.
• Veröffentlichungsdatum: 2023
• Zusammenfassung: In diesem Artikel werden die mechanischen Eigenschaften von PET-Materialien bewertet, die im 3D-Druck und mit CNC-Maschinen hergestellt werden. Außerdem werden die Einschränkungen bei der Bearbeitung einiger 3D-gedruckter Materialien untersucht, insbesondere deren Festigkeit und strukturelle Integrität.
• Methodik: Ziel der Forschung ist die Herstellung von Teilen sowohl im 3D-Druck als auch in der CNC-Bearbeitung, die dann mechanisch getestet und auf diese Weise verglichen werden können.

3. Titel: Eine vollständige Analyse der Bearbeitungsparameter beim Drehen von SS304 mit 0 °C Kühlmittel in einer CNC-Maschine

• Autoren: Pravin Patil, P. Karande
• Veröffentlichungsdatum: 25. Oktober 2022
• Zusammenfassung: Diese Forschung stellt eine Untersuchung der Bearbeitungseigenschaften von SS304-Stahl dar, der für seine Festigkeit und Kaltverfestigung bekannt ist. Der Autor identifiziert einige der Probleme, die bei der Bearbeitung dieses Materials auftreten, darunter Werkzeugverschleiß und die Notwendigkeit eines wirksamen Kühlmittels.
• Methodik: Die Autoren führten Experimente an einer CNC-Drehmaschine durch, indem sie die Parameter für die Bearbeitungsleistung unter Einfluss der Kühlmitteltemperatur änderten.

4. Führender Anbieter von CNC-Kunststoffbearbeitungsdiensten in China