Senken Sie die CNC-Bearbeitungskosten durch intelligentes Bauteildesign

Zusammenfassung

Die Optimierung der Bauteilgestaltung zur Senkung der Bearbeitungskosten basiert auf den Grundsätzen der Konstruktion für die Bearbeitbarkeit (DFM). Dazu gehört die Vereinfachung der Bauteilgeometrie, die Hinzufügung großzügiger Radien an inneren Ecken, die Verwendung genormter Größen für Bohrungen und Gewinde sowie die Festlegung möglichst grober Toleranzen. Die Auswahl kostengünstiger, gut bearbeitbarer Werkstoffe ist ebenfalls eine entscheidende Strategie, um die Maschinenlaufzeit, Komplexität und Gesamtkosten zu minimieren.

Die Kernprinzipien der Konstruktion für die Bearbeitbarkeit (DFM)

Bevor auf spezifische Konstruktionsänderungen eingegangen wird, ist es entscheidend, die zugrundeliegende Strategie zur Kostensenkung zu verstehen: Design for Machinability (DFM). DFM ist der Prozess, bei dem Komponenten gezielt so konstruiert werden, dass sie möglichst effizient und einfach hergestellt werden können. Ziel ist es, nicht nur die Bearbeitungszeit eines Teils an einer CNC-Maschine zu minimieren, sondern auch die Komplexität des gesamten Produktionsprozesses – von der Ersteinrichtung bis zur Endbearbeitung. Jede Entscheidung in der Entwurfsphase hat direkte und oft erhebliche Auswirkungen auf die Endkosten.

Die Kernprinzipien von DFM drehen sich um zwei zentrale Ziele: die Reduzierung der Bearbeitungszeit und die Minimierung der Anzahl der Arbeitsschritte. Die Bearbeitungszeit ist oft der Hauptkostentreiber, weshalb Konstruktionen, die schnellere Schnittgeschwindigkeiten und weniger Bearbeitungsdurchgänge ermöglichen, stets kostengünstiger sind. Dies kann erreicht werden, indem Materialien mit hoher Bearbeitbarkeit gewählt oder Merkmale so konstruiert werden, dass sie mit größeren, robusteren Werkzeugen gefertigt werden können. Wie in einer Anleitung von Protolabs Network , selbst kleine Anpassungen, wie die Vergrößerung eines Eckenradius, können es einer Maschine ermöglichen, schneller und effizienter zu arbeiten.

Ebenso wichtig ist die Minimierung der Anzahl von Maschineneinrichtungen. Eine Einrichtung bezeichnet dabei jeden Zeitpunkt, zu dem ein Bauteil manuell neu positioniert oder neu eingespannt werden muss, um auf verschiedene Flächen zuzugreifen. Jede Einrichtung erhöht die Arbeitskosten und birgt zusätzliches Fehlerpotenzial. Ein komplexes Bauteil mit Merkmalen an allen sechs Seiten könnte sechs separate Einrichtungen erfordern, was seine Kosten im Vergleich zu einem einfacheren Bauteil, bei dem alle Merkmale aus einer einzigen Richtung bearbeitet werden können, drastisch erhöht. Eine zentrale DFM-Strategie besteht daher darin, Bauteile so zu konstruieren, dass sie in möglichst wenigen, idealerweise nur einer einzigen Einrichtung, fertiggestellt werden können.

Wichtige geometrische Optimierungen zur Kostensenkung

Die Geometrie eines Bauteils ist einer der wichtigsten Faktoren, die die Bearbeitungskosten beeinflussen. Komplexe Formen, tiefe Taschen und filigrane Merkmale erfordern alle mehr Zeit, spezielle Werkzeuge und sorgfältige Handhabung, was die Kosten in die Höhe treibt. Durch gezielte Optimierungen der Bauteilgeometrie können Ingenieure erhebliche Kosteneinsparungen erzielen, ohne die Funktionalität zu beeinträchtigen.

• Innenecken mit großzügigen Radien versehen. Alle CNC-Fräswerkzeuge sind rund, wodurch in jeder Innenecke automatisch ein Radius entsteht. Der Versuch, eine scharfe Ecke oder einen sehr kleinen Radius zu erzeugen, erfordert ein Werkzeug mit kleinem Durchmesser, das langsam arbeiten und mehrere Zustellungen benötigen muss, wodurch die Maschinenzeit steigt. Eine einfache Regel besteht darin, Inneneckenradien mindestens auf ein Drittel der Tiefe der Aussparung auszulegen. Wie Protocase erklärt , verbessert die Verwendung möglichst großer Radien die Oberflächenqualität und senkt die Kosten, da größere und stabilere Schneidwerkzeuge eingesetzt werden können.
• Tiefe von Aussparungen und Taschen begrenzen. Das Fräsen tiefer Taschen ist unverhältnismäßig teuer. Standard-Schneidwerkzeuge haben eine begrenzte Schnittlänge und sind typischerweise bis zu einer Tiefe von etwa dem 2- bis 3-fachen ihres Durchmessers effektiv. Zwar sind tiefere Schnitte möglich, diese erfordern jedoch spezielle, längere Werkzeuge, die weniger steif sind und langsamer laufen müssen, um Vibrationen und Bruch zu vermeiden. Fictiv empfiehlt, die Schnitttiefe bei Schaftfräsern auf das Fünffache des Werkzeugdurchmessers zu begrenzen, um eine gute Oberflächenqualität und niedrigere Kosten sicherzustellen.
• Vermeiden Sie dünne Wände. Wände, die dünner als 0,8 mm bei Metall oder 1,5 mm bei Kunststoff sind, neigen während der Bearbeitung zu Vibrationen, Verzug und Bruch. Um solche Merkmale genau herzustellen, muss ein Maschinist mehrere langsame Zustellungen mit geringer Schnitttiefe verwenden. Sofern nicht absolut notwendig für die Funktion des Bauteils, führt die Konstruktion dickere, formstabilere Wände zu einem stabileren Teil und deutlich geringeren Herstellungskosten.
• Vereinfachen und konsolidieren Sie Merkmale. Die Komplexität eines Entwurfs beeinflusst direkt die Kosten. Symmetrische Teile sind einfacher zu bearbeiten, und die Verringerung der Gesamtzahl der einzigartigen Merkmale minimiert die Notwendigkeit von Werkzeugwechseln. Wenn ein Teil komplexe Merkmale wie Unterschnitte oder Löcher an mehreren Seiten aufweist, sollten Sie prüfen, ob das Design in mehrere einfachere Komponenten aufgeteilt werden kann, die leicht bearbeitet und anschließend zusammengebaut werden können. Diese Methode erweist sich oft als kostengünstiger als die Bearbeitung eines hochkomplexen Bauteils, für das eine 5-Achsenmaschine und kundenspezifische Vorrichtungen erforderlich sind.

Kluge Strategien für Toleranzen, Fäden und Lücken

Während große geometrische Merkmale offensichtlich Kostenfaktoren sind, können kleine Details wie Toleranzen, Fäden und Löcher einen unerwartet großen Einfluss auf den Endpreis haben. Diese Funktionen erfordern oft Präzision, spezielle Werkzeuge oder zusätzliche Maschinenbearbeitungen. Die Anwendung intelligenter Designstrategien auf diese Elemente ist ein entscheidender Schritt bei der Optimierung eines Teils für eine kostengünstige Herstellung.

Toleranzen definieren die zulässige Abweichung für eine bestimmte Maßangabe. Obwohl enge Toleranzen manchmal für kritische Schnittstellen erforderlich sind, sollten sie sparsam angegeben werden. Je enger die Toleranz, desto mehr Zeit, Sorgfalt und Prüfaufwand sind erforderlich, was die Kosten exponentiell erhöht. Wie von MakerVerse erklärt, können übermäßig enge Toleranzen zu stärkerem Werkzeugverschleiß, längeren Zykluszeiten und einer höheren Ausschussrate führen. Bei nicht kritischen Merkmalen ist es ausreichend und weitaus kostengünstiger, sich auf die Standardmaschinentoleranz (typischerweise ±0,125 mm) zu verlassen.

Ebenso sollten Bohrungen und Gewinde unter Berücksichtigung von Standardisierung konzipiert werden. Die Verwendung standardmäßiger Bohrerdurchmesser für Bohrungen ist deutlich kostengünstiger, als einen nicht genormten Durchmesser vorzuschreiben, der mit einem Schaftfräser langsam ausgearbeitet werden müsste. Was Gewinde betrifft, sollte deren Länge begrenzt sein. Ein Gewindeeingriff von mehr als 1,5-fachem Lochdurchmesser bringt kaum zusätzliche Festigkeit, verursacht aber erhebliche Mehrkosten. Bei Innengewinden ist es außerdem wichtig, einen nicht gewindeten Abschnitt am Boden zu planen, um dem Gewindeschneidwerkzeug Freiraum zu geben und das Risiko eines Bruchs zu verringern.

Wahl der Materialien und Oberflächen für eine kosteneffiziente Fertigung

Die Wahl des Materials und der erforderlichen Oberflächenbeschaffenheit sind abschließende, entscheidende Überlegungen zur Steuerung der Bearbeitungskosten. Diese Entscheidungen beeinflussen sowohl die Kosten für das Rohmaterial als auch die Zeit, die zur Bearbeitung des Bauteils benötigt wird. Ein Material, das zwar günstig im Einkauf ist, aber schwer zu bearbeiten, kann letztendlich teurer sein als eine etwas teurere, jedoch besser bearbeitbare Alternative.

Die Bearbeitbarkeit eines Materials beschreibt, wie leicht es geschnitten werden kann. Weichere Materialien wie Aluminium 6061 und Kunststoffe wie POM (Delrin) zeichnen sich durch eine hervorragende Bearbeitbarkeit aus, was Hochgeschwindigkeitsfräsen und kürzere Bearbeitungszeiten ermöglicht. Härtere Materialien wie Edelstahl oder Titan hingegen sind schwieriger zu schneiden, erfordern langsamere Geschwindigkeiten und führen zu stärkerem Werkzeugverschleiß, wodurch sich die Bearbeitungszeit verdoppelt oder verdreifacht. Daher ist die Wahl eines besser bearbeitbaren Materials eine äußerst wirksame Kostenreduktionsstrategie, sofern nicht die spezifischen Eigenschaften einer hochfesten Legierung erforderlich sind.

Ein weiterer Optimierungsbereich liegt in der Betrachtung des Fertigungsprozesses des Materialrohlings selbst. Die Verwendung eines nahezu nettoformgenauen Rohlings, der beispielsweise durch ein Schmiedeverfahren hergestellt wird, kann die Menge an Material, das durch spanende Bearbeitung entfernt werden muss, erheblich reduzieren, wodurch Zeit gespart und Abfall minimiert wird. Für Unternehmen im Automobilsektor kann es zum Beispiel vorteilhaft sein, Angebote von Spezialisten auf diesem Gebiet zu prüfen. Für robuste und zuverlässige Automotive-Bauteile können Sie die maßgeschneiderte Schmiededienstleistungen von Shaoyi Metal Technology , die sich auf hochwertiges Warmumformen für die Industrie spezialisiert hat.

Schließlich sollten die Oberflächenfinish-Spezifikationen sorgfältig berücksichtigt werden. Das Standard-Finish „as machined“ ist die kostengünstigste Option. Die Anforderung glatterer Oberflächen erfordert zusätzliche Bearbeitungsdurchgänge oder sekundäre Verfahren wie Sandstrahlen oder Polieren, die jeweils zusätzliche Kosten verursachen. Die Spezifizierung unterschiedlicher Oberflächen auf verschiedenen Bereichen desselben Bauteils ist noch teurer, da Maskierungen und mehrere Prozesse erforderlich sind. Die Anwendung eines bestimmten Finishs nur dort, wo es funktional notwendig ist, ist eine einfache, aber effektive Methode, um die Kosten niedrig zu halten.

Häufig gestellte Fragen

1. Wie können die Kosten für die CNC-Bearbeitung gesenkt werden?

Die Senkung der Kosten für die CNC-Bearbeitung umfasst eine Kombination aus Designoptimierung, Materialauswahl und Prozessvereinfachung. Wichtige Strategien beinhalten:

• Geometrie vereinfachen: Vermeiden Sie komplexe Kurven, tiefe Taschen und dünne Wände.
• Eckenradien hinzufügen: Verwenden Sie möglichst große Radien an inneren Ecken, um eine schnellere Bearbeitung zu ermöglichen.
• Standardmerkmale verwenden: Gestalten Sie Bohrungen und Gewinde mit Standardgrößen, um den Einsatz von Sonderwerkzeugen zu vermeiden.
• Toleranzen lockern: Geben Sie enge Toleranzen nur bei kritischen Merkmalen an, bei denen die Funktionalität davon abhängt.
• Bearbeitbare Materialien wählen: Wählen Sie Materialien wie Aluminium 6061, die schnell bearbeitet werden können.
• Anzahl der Aufspannungen minimieren: Konstruieren Sie Teile so, dass alle Merkmale mit möglichst wenigen Maschinenausrichtungen zugänglich sind.

2. Welche Konstruktionsüberlegungen sind bei der Gestaltung von maschinell bearbeiteten Teilen zu berücksichtigen?

Die wichtigsten Konstruktionsüberlegungen für maschinell bearbeitete Teile liegen in der Sicherstellung der Herstellbarkeit und Wirtschaftlichkeit. Dazu gehört die Bewertung der Geometrie des Teils hinsichtlich Einfachheit und Zugänglichkeit für Schneidwerkzeuge. Konstrukteure müssen die Grenzen des Bearbeitungsverfahrens berücksichtigen, beispielsweise die Unfähigkeit, absolut scharfe innere Ecken zu erzeugen. Weitere wichtige Aspekte umfassen die Materialauswahl basierend auf den funktionalen Anforderungen und der Bearbeitbarkeit, die angemessene Festlegung von Toleranzen sowie die Auslegung von Merkmalen wie Bohrungen und Gewinden nach Standardvorgaben. Schließlich sollte darauf geachtet werden, die Anzahl der erforderlichen Maschineneinstellungen zur Fertigstellung des Teils zu minimieren.