Leitfaden zu Bearbeitungsvorrichtungen: Spannzeug und Vorrichtungen für Fräsen, CNC und mehr

Unter Zerspanung, spanabhebender Bearbeitung oder Spanen versteht man jedes subtraktive Verfahren, bei dem Material von einem Teil abgetragen wird, um die gewünschte Form herauszuarbeiten. Die Zerspanung ist seit Hunderten von Jahren das primäre Verfahren, um aus Rohstoffen wie Holz, Metall, Keramik und anderen Materialien individuelle Formen zu erschaffen, auch wenn sich der Begriff heute in der Regel auf industrialisierte Prozesse bezieht, während früher meist von Hand gearbeitet wurde. Es gibt viele verschiedene Arten von spanenden Verfahren, je nachdem, wie – und mit welchem Werkzeug – das Material abgetragen wird.

1. Fräsen: Hierbei kommen rotierende Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeuge zum Einsatz. Beim Fräsen wird der Werkstoff in Position gehalten, während sich ein Schneidwerkzeug darum herumbewegt und Material abträgt, um die gewünschte Form zu erhalten.

2. Drehen: Bei diesem Verfahren kommt ein stationäres Werkzeug zum Einsatz, das durch die Berührung mit einem schnell rotierenden Werkstück Material von diesem abträgt. CNC-Halterungen für das Drehen müssen in der Lage sein, das Werkstück während dieser Hochgeschwindigkeitsrotation sehr fest und sicher zu fixieren.

3. Bohren: Beim Bohren, der am weitesten verbreiteten Methode der Zerspanung, werden kleine Löcher erstellt. Dies kann mit einer Großmaschine oder manuell mit einer Handbohrmaschine erfolgen, wie sie in jedem Haushalt zu finden ist. 

4. Innendrehen: Mit dem Innendrehen werden zylindrische Hohlteile wie etwa Pistolenläufe erstellt. 

5. Räumen: Das Räumwerkzeug verfügt über eine Reihe von „Zähnen“, die Material vom Teil abtragen. Dies ist die wichtigste Methode zur Herstellung von Zahnrädern. Beim linearen Räumen wird die Räumnadel durch das Material bewegt, während beim Rundräumen sowohl das Werkzeug als auch das Werkstück gedreht werden. Daher ist ein Fertigungshilfsmittel notwendig, um das Werkstück in Position zu halten.

6. Schleifen: Diese Methode dient in der Regel zur Fertigstellung eines Werkstücks und nicht als primäre Methode zum Entfernen großer Mengen an Material. Sie wird oft als sekundäres Verfahren zur Reinigung der Oberfläche eines zerspanten Teils eingesetzt. 

7. Reiben: Zum Vergrößern von Bohrlöchern wird beim Reiben ein mehrschneidiges Werkzeug (die Reibahle) verwendet, um Material aus den Bohrlöchern zu entfernen.

8. Hobeln: Ähnlich wie beim Erstellen von Holzbrettern kommt beim Hobeln ein stationäres Werkzeug zum Einsatz, über welches ein Werkstück bewegt wird, um Material in einer gewünschten Geometrie abzulösen. Das Hobeln eignet sich gut zur Fertigung ebener, glatter Flächen, aber auch Schwalbenschwanzverbindungen, gewölbter oder konkaver Flächen. 

9. Sägen: Das Sägen ist eine bekannte Methode der Zerspanung, bei der ein Werkstück mit einem gezahnten oder gezackten Werkzeug in mehrere Teile zerteilt wird.

10. Wasserstrahlschneiden: Das Wasserstrahlschneiden gehört zu den abtragenden Verfahren. Dabei wird ein Hochdruckwasserstrahl verwendet, um Material zu spalten oder von einem Werkstück zu entfernen. 

11. Thermische abtragende Verfahren: Diese Methoden des Abtragens (z. B. Plasma-Schmelzschneiden, Laserschneiden, autogenes Brennschneiden) werden in hochpräzisen Anwendungen zum Trennen von Material durch hochkonzentrierte Hitzeeinwirkung eingesetzt. 

Durch Zerspanung werden hochpräzise Teile für den Einsatz in Industrieanwendungen erstellt. Die Teile bestehen häufig aus Materialien wie Metall, deren präzise Bearbeitung mit anderen Methoden (wie etwa Gussverfahren) schwierig oder kostspielig wäre.

Weiterhin lassen sich Teile mit spanenden Verfahren nur einzeln herstellen, und durch das Abtragen von Material während des Prozesses entsteht Abfall. Aufgrund dieser Umstände ist das Verfahren für die Massenproduktion weniger geeignet. Als Fertigungslösung wird die Zerspanung daher nur aufgrund spezifischer, wesentlicher Anforderungen an Präzision und Genauigkeit gewählt.

Zur hohen Genauigkeit tragen auch die während des Prozesses verwendeten Halterungen und Vorrichtungen bei, wie z. B. Fräsvorrichtungen, CNC-Spannvorrichtungen oder Bohrvorrichtungen. Solche Vorrichtungen sind für die Gesamtgenauigkeit äußerst wichtig – sie müssen präzise sein, ihre Form beibehalten (also kriechfest sein) und müssen häufig an das jeweilige Produkt oder die Maschine angepasst werden.

Es ist ein geflügeltes Wort in der Fertigung, dass man zur Fertigung jedes Dings erst einmal vier andere Dinge fertigen muss, und das gilt auch für Bearbeitungsvorrichtungen.

Der wohl bekannteste Vorteil des betriebsinternen 3D-Drucks ist der Zeitgewinn: Zeit für mehr Iterationen bedeutet gründlichere Design- und Testzyklen, was die Qualität der Produkte erhöht (egal ob es sich um Endprodukte oder Fertigungshilfsmittel handelt).

Der Geschwindigkeitsvorteil kommt vielleicht besonders bei Fertigungshilfsmitteln zum Tragen – wenn diese nicht schnell hergestellt werden, blockiert dies die weitere Prototypenentwicklung oder Fertigung. Angesichts der nachgelagerten Effekte und der Auswirkungen auf die Qualität des Endprodukts sollte CNC-Vorrichtungen wie etwa Spannvorrichtungen in der Designphase vielleicht noch mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden. Der 3D-Druck von Prototypen von Bearbeitungsvorrichtungen würde es Herstellern erlauben, deren Passung und Wirksamkeit zu testen – was bei Fertigungshilfsmitteln häufig nicht für nötig gehalten wird.

Dies kann jedoch besser gestaltete Teile und eine effizientere Materialnutzung zum Ergebnis haben, da Mitarbeitende in der Fertigung Optimierungspotenziale im Hinblick auf Ergonomie und das einfache Installieren, Entfernen und Ersetzen identifizieren können. Auch Individualisierung kann dadurch möglich werden; Produktionswerkzeuge wie CNC-Drehtische werden in Massenproduktion hergestellt, während ihre Programmierung und die Produkte, die sie formen, sich von Hersteller zu Hersteller unterscheiden. CNC-Vorrichtungen können diese Kluft überbrücken, wenn der Designprozess für CNC-Vorrichtungen optimiert wird.

Die Gestaltungsfreiheit des 3D-Drucks – insbesondere bei Technologien, die keine Stützstrukturen benötigen, wie dem selektiven Lasersintern (SLS) – kann neuartige Halterungen und Vorrichtungen möglich machen, die komplexer, individueller und ergonomischer sind.

Als digitaler Prozess ermöglicht der 3D-Druck auch eine effizientere Speicherung der Dateien. Steht in mehreren Fabriken ein 3D-Drucker zur Verfügung, kann ein Hersteller an jedem seiner Standorte Verbesserungen einführen, indem er die Modelldatei einer CNC-Vorrichtung bereitstellt, die die Effizienz einer Maschine optimiert. Der 3D-Druck macht die Weitergabe von Wissen effektiver und wirkungsvoller und gibt großen Unternehmen die Möglichkeit, sich auf jeder Ebene ihres Netzwerks schnell und einfach zu verbessern.

Die Bandbreite der Materialien, die für verschiedene 3D-Druckverfahren verfügbar sind, macht den 3D-Druck zu einer noch leistungsstärkeren und vielseitigeren Lösung zur Herstellung von Halterungen und Vorrichtungen für die Zerspanung. Beispielsweise müssen 3D-gedruckte Schweißvorrichtungen hitzebeständig sein. Bestimmte Materialien für die Stereolithographie (SLA), wie High Temp Resin oder Rigid 10K Resin, bieten eine erschwingliche, auf Abruf verfügbare, schnelle Alternative zu Schweißvorrichtungen aus Metall. 3D-Drucke aus Nylon, wie Nylon 12 Powder oder Nylon 11 Powder für die SLS-Drucker von Formlabs, eignen sich hervorragend für Bearbeitungsvorrichtungen wie Spannfutter, die sowohl Haltbarkeit als auch Steifigkeit erfordern, um Werkstücke während eines Drehprozesses mit hoher Geschwindigkeit fest in Position zu halten.

Bei der Entscheidung zwischen 3D-Druck oder CNC-Bearbeitung zur Herstellung von Vorrichtungen sind in erster Linie die Materialeigenschaften, der Grad der Komplexität des Teils und die Durchlaufzeit zu berücksichtigen.

Was die Materialeigenschaften angeht, erfordern Halterungen und Vorrichtungen für die Zerspanung oft lediglich ein gewisses Maß an Festigkeit und Haltbarkeit. Die meisten branchenüblichen Kunststoffe, wie Nylon, sind ausreichend. Einige Situationen können natürlich spezifische Materialeigenschaften verlangen, wie etwa Leitfähigkeit oder Hitzebeständigkeit. Für solche Fälle bieten 3D-Druckverfahren wie Stereolithografie (SLA) die größte Bandbreite an Materialien mit fortgeschrittenen Eigenschaften, die speziell für verschiedene Umgebungen entwickelt wurden.

Sobald ermittelt wurde, welchem Maß an Krafteinwirkung und Reibung die Teile ausgesetzt werden, können Sie die Datenblätter der Druckerhersteller zurate ziehen, um das am besten geeignete Material zu finden. Nach den Erfahrungen von Metallwerkstätten wie The Factory Amsterdam in New York sind mit der Fuse-Serie gedruckte Teile aus Nylon 12 Powder den Hochgeschwindigkeits-CNC-Drehprozessen gewachsen.

Ein weiterer Gesichtspunkt ist der Grad der Komplexität, den das Teil erfordert. Bestimmte Bearbeitungsvorrichtungen, wie z. B. Spannzangeneinlagen, sind einfach geformt, und der Hersteller der CNC-Drehmaschine stellt häufig selbst Teile aus Stahl bereit. Für Anwendungen, bei denen Teile zu Tausenden oder Hunderttausenden hergestellt werden, haben sich CNC-bearbeitete Vorrichtungen aus Metall zweifellos bewährt. Aber wenn die Halterungen und Vorrichtungen komplexer werden, wie Prüfvorrichtungen für eine Schweißmaschine, die zwischen mehreren Programmen wechseln muss, wird die maschinelle Bearbeitung teurer und komplizierter.

Die wichtigste Überlegung bei der Entscheidung, ob Sie Ihre Zerspanungsvorrichtungen durch 3D-Druck oder Zerspanung herstellen, ist die Zeit: Wie schnell benötigen Sie die Teile? In den meisten Fertigungsszenarien kann eine fehlende Vorrichtung im schlimmsten Fall zum Stillstand der Fertigung führen. Wenn Sie sich für die Zerspanung entscheiden – vor allem, wenn Sie sowohl für die Prototypentwicklung als auch für die Herstellung der endgültigen Vorrichtung Metall verwenden –, erhöhen Sie die Auslastung Ihrer Maschinen, was einen Engpass verursachen kann, der den Gesamtdurchsatz des Unternehmens beeinträchtigt. Beim 3D-Druck von Vorrichtungen für die Zerspanung stehen diese in wenigen Stunden bereit, ohne Ressourcen von anderen Projekten zu beanspruchen.

Es gibt nicht die eine ideale 3D-Drucktechnologie für die Herstellung von Bearbeitungsvorrichtungen. Welches Verfahren für den jeweiligen Auftrag das beste ist, hängt von mehreren Faktoren ab, und viele Unternehmen setzen verschiedene Arten von 3D-Druckern ein. Die drei gängigsten Technologien zum 3D-Druck sind Schmelzschichtung (FDM), Stereolithografie (SLA) und selektives Lasersintern (SLS), das auch als Pulverbettfusion bezeichnet wird.

Ziehen Sie bei der Entscheidung, welchen Drucker Sie für den 3D-Druck Ihrer Halterungen und Vorrichtungen für das Fräsen, die CNC-Bearbeitung, das Bohren oder sonstige Verfahren wählen sollten, die folgenden Aspekte in Betracht.