Fräsgerechte Konstruktion – Fehler vermeiden und Kosten senken

Eine durchdachte Konstruktion ist entscheidend für eine wirtschaftliche CNC-Fertigung. Bereits kleine Änderungen an Geometrie, Toleranzen oder Bearbeitungszugängen können den Fertigungsaufwand deutlich reduzieren.

Viele kostenintensive Bearbeitungsschritte entstehen nicht durch die Fertigung selbst, sondern durch konstruktive Entscheidungen, die erst später einen hohen Aufwand verursachen. Durch eine frühzeitige Abstimmung zwischen Konstruktion und Fertigung lassen sich Bauteile häufig einfacher, schneller und wirtschaftlicher herstellen – ohne Einschränkungen der Funktion.

Innenradien gehören zu den häufigsten Einflussfaktoren auf die Fertigungskosten von Frästeilen. Grundsätzlich gilt: Je kleiner der Innenradius, desto kleiner muss der eingesetzte Fräser sein. Kleine Werkzeuge reduzieren jedoch das mögliche Zeitspanvolumen und verlängern dadurch die Bearbeitungszeit.

Eine bewährte Faustregel lautet: Die Tiefe einer Tasche sollte an Position des Innenradius maximal etwa das Dreifache des erforderlichen Fräserdurchmessers betragen.

Beispiel:

• Innenradius: 3 mm
• erforderlicher Fräserdurchmesser: 6 mm
• sinnvolle Taschentiefe: etwa 18 mm

Weiterhin sollte der Radius zusätzlich geringfügig größer (5-10%) ausgelegt werden um ein Rattern beim Durchfahren des Radius zu vermeiden. 

Das bedeutet nicht, dass kleinere Radien oder tiefere Taschen grundsätzlich nicht gefertigt werden können. Je nach Geometrie kann der Radius beispielsweise mit einem Kugelfräser angestellt abgezeilt oder spezielle Bearbeitungsstrategien eingesetzt werden. Allerdings steigen dadurch Bearbeitungszeit und Aufwand deutlich.

Bei sehr ungünstigen Kombinationen aus kleinen Innenradien und großen Tiefen kann sogar eine zusätzliche Bearbeitung durch Senkerodieren notwendig werden. Dies ist technisch möglich, verursacht aber zusätzliche Kosten und verlängert die Fertigungszeit erheblich.

Tipp: Soll ein anderes Bauteil in die Tasche eingesetzt werden, kann es einfacher sein, den Radius dort entsprechend zu vergrößern.

Auch bei Gewinden gilt: So tief wie notwendig, aber nicht tiefer.

In der Konstruktion werden Gewinde häufig bewusst länger ausgeführt, um eine einheitliche Schraubenlänge für verschiedene Positionen verwenden zu können. Dieser Ansatz ist nachvollziehbar, kann aber unnötige Fertigungskosten verursachen, da der zusätzliche Bearbeitungsaufwand häufig höher ist als der Preis einer angepassten Schraube.

Bei der Auslegung sollten folgende Punkte berücksichtigt werden:

• Beim Gewindefräsen ist die maximale Gewindetiefe durch die Werkzeuglänge begrenzt.
• Auch beim Gewindebohren oder Gewindeformen sind tiefe Gewinde kritisch, da bei großen Tiefen nicht mehr ausreichend Kühlschmierstoff an die Schneide gelangt. Dies erhöht das Risiko von Werkzeugbruch.
• Bei Sacklochbohrungen sollte ausreichend Auslauf für das Gewindewerkzeug vorgesehen werden.
• Beim Gewindefräsen reicht häufig eine zusätzliche Tiefe in Höhe von etwa einer Gewindesteigung als Auslauf.
• Gewinde sollten möglichst nicht direkt in tiefen Taschen unmittelbar an der Wand positioniert werden. Dies erschwert Werkzeugzugang, Spanabfuhr und stabile Bearbeitung.

Weitere Empfehlungen:

• Gewinde möglichst mit ausreichend Freiraum um die Öffnung ausführen.
• Kleine Gewinde nicht unnötig tief auslegen.
• Bei häufig verwendeten Schraubverbindungen prüfen, ob eine Durchgangsbohrung statt eines Sacklochs sinnvoll ist.
• Gewindetoleranzen nur so eng wählen, wie es die Funktion tatsächlich erfordert.

Auch bei Bohrungen ist die notwendige Tiefe entscheidend.

Als Richtwert gilt: Bohrungen bis etwa 5 × Durchmesser (5xD) sind Standardbearbeitungen.

Tiefere Bohrungen sind grundsätzlich möglich, erfordern jedoch zusätzlichen Aufwand:

• Pilotierungen können notwendig werden.
• Längere Werkzeuge sind weniger steif und erhöhen das Risiko von Werkzeugbruch.
• Die Bearbeitung muss häufig mit reduzierten Schnittwerten erfolgen.
• Tieflochbohren kann erforderlich sein, bedeutet aber oft eine externe Bearbeitung und damit mögliche Einbußen bei der Positionsgenauigkeit.

Besonders bei Bauteilen mit vielen Bohrungen lohnt sich daher eine frühzeitige Prüfung, ob jede Bohrung tatsächlich in dieser Tiefe benötigt wird.

Dünnwandige Bauteile stellen besondere Anforderungen an die Spanntechnik. Durch die geringe Steifigkeit können bereits geringe Spannkräfte oder Schnittkräfte zu Verformungen führen.

Für solche Anwendungen kann eine Vakuumspannung die geeignete Lösung sein. Damit dies zuverlässig funktioniert, sollten bereits bei der Konstruktion geeignete Spannflächen vorgesehen werden.

Wichtig:

• ausreichend große zusammenhängende Flächen für die Vakuumaufnahme vorsehen
• unnötige Unterbrechungen durch Bohrungen oder Aussparungen vermeiden
• möglichst stabile Grundgeometrien schaffen

Je stärker die Spannfläche durch Absätze, Durchbrüche oder Bohrungen unterbrochen wird, desto aufwendiger wird die notwendige Vorrichtung.

Enge Toleranzen sind einer der größten Kostentreiber in der Fertigung.

Häufig werden Toleranzen aus Sicherheitsgründen enger gewählt, obwohl sie für die Funktion des Bauteils nicht erforderlich sind. Diese sogenannten "Angsttoleranzen" erhöhen jedoch Bearbeitungs- und Prüfaufwand erheblich.

Deshalb sollten Toleranzen immer funktionsbezogen definiert werden.

Unsere Empfehlung:

• nur dort enge Toleranzen fordern, wo sie technisch notwendig sind
• Allgemeintoleranzen sinnvoll nutzen
• bei Unsicherheit frühzeitig den Fertigungspartner einbeziehen

Schleifen wird häufig eingesetzt, wenn besonders enge Toleranzen oder hohe Oberflächengüten gefordert werden. In vielen Fällen ist es jedoch nicht zwingend erforderlich.

Nach unserer Erfahrung lassen sich zahlreiche Anforderungen bereits durch präzises Drehen erreichen. Passungen bis IT5 sind unter geeigneten Bedingungen herstellbar. Durch passende Spannkonzepte mit axialem Kraftfluss können zudem Rundheiten erreicht werden, die mit geschliffenen Flächen vergleichbar sind.

Ein Sonderfall sind Dichtflächen. Bei rotierenden Dichtungen wird häufig eine im Einstich geschliffene Oberfläche vorgeschrieben um ein Herausförden des Abzudichtenden Mediums zu vermeiden. Vergleichbare Ergebnisse können jedoch teilweise durch Feinstschlichten und anschließendes Polieren erreicht werden – ohne zusätzlichen Fertigungsschritt.

Für besonders hochwertige Oberflächen kann auch Glattwalzen eine wirtschaftliche Alternative sein. Damit lassen sich Oberflächenqualitäten um Rz 1 erreichen, während die Bearbeitung weiterhin im gleichen Arbeitsgang erfolgt.

Die Hartbearbeitung gehärteter Werkstoffe ist aufgrund niedriger Schnittwerte und höherem Werkzeugverschleiß vergleichsweise kostenintensiv.

Deshalb sollte eine vollständige Härtung nur dort erfolgen, wo sie technisch erforderlich ist. Häufig ist eine partielle Härtung einzelner Funktionsbereiche die wirtschaftlichere Lösung.

Alternativ können technische Beschichtungen einen wirksamen Verschleißschutz bieten. Je nach Anwendung kommen beispielsweise Nickelbeschichtungen oder Diamond-like-Carbon-Beschichtungen (DLC) infrage.

Auf klassische Chrombeschichtungen sollte möglichst verzichtet werden, da Chrom-VI-Verbindungen gesundheitsschädlich sind und moderne Alternativen zunehmend verfügbar werden.