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3D fräsen in der Mikrobearbeitung

Was ist Fräsen? Funktionsprinzipg und Grundlagen einfach erklärt.

WAS IST FRÄSEN?
FUNKTIONSPRINZIP UND GRUNDLAGEN EINFACH ERKLÄRT.

Das Fräsen bezeichnet ein spanendes Fertigungsverfahren zur Herstellung von Bauteilen mit ganz bestimmten geometrischen Konturen oder von ebenen Oberflächen. Man zählt das Fräsen zum «Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide», da die Geometrie der Schneiden an den jeweiligen Fräswerkzeugen bekannt ist. Wie bei allen spanenden Verfahren wird auch hier Material von einem Rohteil in Form von Spänen abgetragen. Das Material wird entfernt, einerseits mittels Spülung mit Oel oder Wasser/Oel-Emulsion und andererseits indem das Fräswerkzeug sich mit hoher Geschwindigkeit um seine eigene Achse dreht, während entweder das Werkzeug die herzustellende Kontur abfährt oder das Werkstück bewegt wird – diese Vorschubbewegung kann senkrecht oder schräg zur Rotationsachse des Werkzeuges erfolgen.

Das Fräsen ist dank hoher Effizienz, Produktivität und Präzision vor allem in der metallverarbeitenden Fertigungstechnik sehr beliebt. Bei der Fräsbearbeitung wird zwischen 2D-Fräsen, 2.5D-Fräsen und 3D-Fräsen unterschieden. Dabei stehen das D steht für «Dimension» und die vorangestellte Zahl für die Anzahl der Dimensionen, in welchen die Bearbeitung stattfindet.

Auf welchen Grundlagen beruht das Fräsen? Welche Verfahren gibt es? Was für Werkstoffe können bearbeitet werden?

Das Fräsen gehört zu den spanenden Fertigungsverfahren mit geometrisch bestimmten Schneiden. Das heisst – im Gegensatz zu anderen Fertigungsverfahren wie Schleifen, Honen oder Läppen –, ist die geometrische Kontur des Fräsers klar definiert. Hauptkomponente ist der Fräser. Dieser hat üblicherweise mehrere Schneidkanten und kann entweder senkrecht oder schräg zur Rotationsachse eingesetzt werden. Möglich sind manuelle Fräsmaschinen oder auch ganze Bearbeitungszentren.

Beim Fräsen unterscheidet man zwischen Gleich- und Gegenlauffräsen. Beim Gleichlauffräsen tritt der Fräser mit maximaler Spannungsdicke in das Material ein und mit minimaler Dicke wieder aus. So lassen sich besonders enge Toleranzen bezüglich der Oberflächengüte erreichen. Neben Holz und Kunststoff können auch fast alle Metalle bearbeitet werden. Beim Fräsen müssen einige Parameter berücksichtigt werden, damit die gewünschten Konturen erreicht und die Anforderungen an bestimmte Oberflächengüten auch erfüllt werden können:

Schnittgeschwindigkeit
Die Geschwindigkeit hat entscheidenden Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens und ist abhängig von Material und Schneidstoff.

Schnittbreite
Wie weit die Schneide des Werkzeugs in das Material eingreift, ist abhängig von der Schnittbreite. Normalerweise beträgt das Verhältnis von Schnittbreite zu Werkzeugbreite ca. 2/3.

Vorschubbewegung
Sie hat wesentlichen Einfluss auf die Oberflächengüte. Hier gilt: Je schneller die Vorschubgeschwindigkeit, desto höher der Verschleiss von Werkzeug und Spannungsdicke, vor allem bei legierten – und hochlegierten Stählen.

Eingriffswinkel
Als Eingriffswinkel wird der Winkel zwischen Schneidenein- und austritt bezeichnet. Er bestimmt auch die Anzahl der gleichzeitig im Einsatz befindlichen Schneiden. Bei zunehmender Schneidenzahl wird der Fräsverlauf ruhiger und gleichmässiger.

Welche Fräsverfahren gibt es?

Je nach Vorschubbewegung und Flächenbearbeitung setzt man verschiedene Verfahren ein. Die wichtigsten Fräsverfahren sind:

Planfräsen: Hiermit lässt sich mit Fräsköpfen innert kurzer Zeit eine sehr exakte ebene Oberfläche erzielen. Das Verfahren zeichnet sich durch geraden Vorschub sowie eine senkrecht zum Werkzeug ausgeführte Drehbewegung aus.

Rundfräsen: Mit diesem Verfahren werden vor allem kreiszylindrische Flächen gefertigt. Je nach gewünschter Form wird weiter zwischen Innenrund- und Aussenrundfräsen unterschieden.

Formfräsen: Mit einer gesteuerten Vorschubbewegung können Werkstücken ganz bestimmte Formen gegeben werden z. B. Kanten oder Vorsprünge – oder auch ebene und räumliche Flächen erzielt werden.

Wälzfräsen: Hierbei wird ein profilierter Fräser eingesetzt, der gleichzeitig eine Vorschub- und eine Wälzbewegung ausführt. Wälzfräsen wird vor allem für die Fertigung von Zahnrädern eingesetzt.

Profilfräsen: Bei diesem Verfahren bildet sich beim Bearbeiten ein bestimmtes Werkzeugprofil auf dem Werkstück ab. Auch Führungen können bearbeitet werden.

Schraubfräsen / Gewindefräsen: Hiermit können durch wendelförmige Vorschubbewegungen Schrauben, Gewinde und Spindeln gefertigt oder bearbeitet werden.

Eckfräsen: Mit diesem Fräsverfahren werden Absätze und grosse Flächen bearbeitet.

Nutfräsen: Nuten in gewünschter Tiefe und Breite? Kein Problem mit diesem Vorgehen.

Was ist 2D-Fräsen?

Beim 2D-Fräsen wird ein Werkstück in den zwei Raumrichtungen X und Y bearbeitet. Die Bearbeitungstiefe Z wird vorab bestimmt, fest eingestellt und nicht mehr verändert. Beim Bearbeiten befinden sich die Werkzeugbahnen in einer Ebene.

Was ist 2.5D-Fräsen?

Bei diesem Vorgehen wird ein Werkstück in allen drei Raumrichtungen X, Y und Z bearbeitet, die Zustelltiefe Z variiert während der laufenden Bearbeitung, ohne dass das Werkstück umgespannt werden muss. Die Veränderung der Zustellung Z wird auch «Abzeilen» genannt, da jede Z-Ebene zeilenweise abgefahren wird. Mittels 2.5D-Fräsen können Bohrungen, Ansenkungen, Taschen mit senkrechten Seitenflächen, Rundungen, Fasen und auch Passfedernute, Zapfen, Gewinde und sogar Halbkugeln gefräst werden.

 
Was ist 3D-Fräsen?

Beim 3D-Fräsen können mittels einer 5-Achs-CNC-Fräsmaschine Werkstücke in allen drei Raumrichtungen X, Y und Z bearbeitet werden. Durch dynamisches Schwenken von Frässpindel oder Aufspanntisch kann das Werkzeug in jedem beliebigen Winkel an das Werkstück herangebracht werden. Mit diesem Fräsverfahren können problemlos 3D-Konturen, echte Freiformflächen, kugelige Flächen oder Exzenter hergestellt werden.

Welche Maschinen und Werkzeuge werden zum Fräsen verwendet?

Für das Fräsen werden Fräsmaschinen benötigt, die über mindestens drei Achsen verfügen. Diese können sowohl manuell oder auch CNC-gesteuert sein. Letztere sind wesentlich vorteilhafter und haben die konventionellen Systeme beinahe vollständig abgelöst. Durch werkstattorientierte Programmiersysteme und intelligente Werkzeugwechsler mit Standzeitenüberwachung sind auch anspruchsvollste Fräsarbeiten zu wirtschaftlichen Preisen möglich.

Für Fräsmaschinen werden spezielle Fräswerkzeuge benötigt, die über eine oder mehrere Schneiden verfügen. Durch rotierende Bewegungen wird Material von der Oberfläche des Werkstücks zerspanend abgetragen. Die dabei angewandte Strategie, die Art der Mitnahme sowie die Schneideform hängen stark vom zu fertigenden Werkstück ab.

 

Welche Zerspangrössen sollten beim Fräsen beachtet werden?

Nur bei optimalen Parametern können hochpräzise Formen erzielt werden. Folgende Grössen sind dabei besonders zu beachten:

Schnittbreite: Sie gibt an, wie breit das Fräswerkzeug ins Werkstück eingreift. Die Schnittbreite sollte optimalerweise 2/3 des Durchmessers des Werkzeugs betragen.

Schnitttiefe: Man unterschiedet radiale (radiale Einstellung des Werkzeugs bei Schaft- oder Scheibenfräsen) und axiale Schnitttiefe (Einstelltiefe beim Plan- und Schaftfräsen, legt Zeitspanvolumen fest).

Schnittgeschwindigkeit: Sie richtet sich nach Material und Schneidstoff. Je grösser die Schnittgeschwindigkeit, desto wirtschaftlicher die Fertigung.

Vorschubbewegung: Sie bestimmt die erreichbare Oberflächengüte sowie die Schneidbelastung. Je grösser der Vorschub, umso grösser sind auch Spanungsdicke, Schnittkraft und Werkzeugverschleiss.

Spanungsdicke: Beim Stirnfräsen richtet sich die Schneidenbelastung nach der mittigen Spandicke. Beim Umfangsfräsen hingegen sind es Schnitttiefe, Fräsdurchmesser und Vorschub je Zahn, die die Spandicke bestimmen.

Zeitspanungsvolumen: Dies ist ein wesentliches Kriterium für die Produktionswirtschaftlichkeit des Fräsverfahren, es gibt das abgetragene Werkstück-Volumen pro Minute an.

Eingriffswinkel: Damit wird der Winkel zwischen Ein- und Austritt der Schneiden bezeichnet. Von ihm ist auch die Anzahl benötigter Schneiden abhängig. Je mehr Schneiden im Einsatz, umso ruhiger das Fräsen.

Welche Werkstoffe werden beim Fräsen bearbeitet?

Fräsen gilt als sehr effizientes zerspanendes Fertigungsverfahren, mit dem hohe Oberflächengüten erzielt werden können. Zu den wichtigsten Fräsmaterialien gehören: Stahl und Stahlguss, gehärtete Stähle, Aluminium und Aluminiumguss, Messing, Titan, Gold, Silber, Bronze, Kupfer, Wolframkupfer, Holz und Kunststoff. Besonders in der metallverarbeitenden Industrie ist das Fräsen sehr beliebt. Frästeile können in den unterschiedlichsten Branchen zum Einsatz kommen: Elektrotechnik, Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt und auch Automobilindustrie, Maschinenbau und Werkzeug- Formenbau.

 

Was ist computergestütztes Fräsen?

Fräsmaschinen können sowohl manuell als auch vollautomatisch und computergestützt betrieben werden. Am PC kann vorab die genaue Form des Werkstücks programmiert werden, anschliessend arbeitet der Fräser selbstständig. Im industriellen Bereich hat das den grossen Vorteil, dass so sehr schnell und automatisiert viele, exakt gleiche Teile hergestellt werden können.

 

Wie unterscheiden sich Drehen und Fräsen?

Drehen und Fräsen sind spanende Fertigungsverfahren: Metalle, Kunststoffe oder Holz können in eine vorab festgelegte Form gebracht werden. Die beiden Verfahren zu unterscheiden macht vielen oft Probleme – dabei ist es ganz einfach: Beim Fräsen liegt das Werkstück still und das Fräswerkzeug bewegt sich. Beim Drehen ist es genau umgekehrt: Hier bewegt sich das Werkstück um die eigene Achse und führt den Schnitt aus; das fest eingespannte Drehwerkzeug wird dem Werkstück entlang auf einem Schlitten geführt. Ausnahmen bilden CNC gesteuerte Drehbänke mit zusätzlich gesteuerten Achsen. Bei dieser Art von drehen sind die Werkzeuge zusätzlich angetrieben.

 

Was ist eine Fräsung?

Das Fräsen gehört zu den spanenden Verfahren mit geometrisch bestimmten Schneiden (DIN 8589). Mittels Fräsen lassen sich plane Flächen und rotationssymmetrische Teile herstellen. Dabei gilt eine absolut präzise Formgebung von Metall, Kunststoff oder auch Holz – deshalb sind unter anderem richtige Zerspangrössen und Schnittgeschwindigkeit wichtig für toleranzgenaue Fräsungen. Das Werkstück ist bei diesem Vorgang fest eingespannt, das Fräswerkzeug bewegt sich der vorbestimmten Kontur entlang und trägt durch rotationsförmige Bewegungen das Material ab.

 

Wie erfolgt Stirnfräsen?

Durch Stirnfräsen können plane Flächen mit ratterfreiem Werkzeugverlauf und hervorragenden Oberflächengüten hergestellt werden: Umfangsschneiden zerspanen das Material, im selben Arbeitsschritt schlichten Stirnschneiden die Oberflächen. Bei einer symmetrischen Position des Fräswerkzeuges zum Werkstück gleicht sich dabei die Krafteinwirkung von Gleich- und Gegenlauf aus.

 

Was ist ein Schlichtfräser?

Schlichtfräser aus HSS-Stahl oder Hartmetall zählt man zur Gruppe der Schaftfräser. Sie sind universell einsetzbar und in verschiedenen geometrischen Ausführungen erhältlich. So kann jede Anforderung fachgerecht und absolut exakt ausgeführt werden. Mit entsprechenden Trägersystemen lassen sich beim Schlichtfräsen meist Oberflächengüten von bis Ra = 0,5 μm erreichen.

 

Was bedeutet CAD?

CAD ist die Abkürzung von «Computer Aided Design» und bezeichnet Softwareanwendungen, die eine rechnerbasierte Konstruktion von Bauteilen ermöglichen. Dank speziellen CAD-Programmen können detailgenaue 3D-Modelle von gewünschten Bauteilen erst entworfen und anschliessend erzeugt werden. Dies hilft, Fehler im Vorfeld des Konstruktionsprozesses zu vermeiden und garantiert eine optimale Funktionsfähigkeit der gefertigten Frästeile.