Juli 2010



CNC-Fräsen von Prototypenteilen

Herzlich Willkommen zur ersten Ausgabe unserer Tipps zum First Cut Fräsverfahren. Seit einigen Jahren veröffentlicht Proto Labs die beliebten monatlichen Protomold Design-Tipps. Wir dachten deshalb, dass ein ähnlicher Service auch für die Kunden von First Cut hilfreich wäre. In dieser ersten Ausgabe erhalten Sie Hintergrundinformationen zum Aufstieg des CNC-Fräsens als effektives Prototyping-Verfahren und einige einführende Informationen zu den Möglichkeiten von First Cut.


Es ist eine Tatsache des modernen Lebens: je intelligenter Computer werden, umso kostengünstiger werden die Aufgaben, die sie übernehmen. Gleichzeitig bleibt die von hochqualifiziertem Personal ausgeführte Arbeit relativ teuer. Mit der Einführung des computergesteuerten Fräsens – zuerst mithilfe von Lochstreifen, später über Digitaltechnik – sind die Kosten für die Herstellung von gefrästen Teilen, die zuvor ausschließlich manuell erfolgte, stark gesunken. Doch selbst nach der Automatisierung der Herstellung war die Ersteinrichtung durch qualifizierte Ingenieure oft ein mühsamer Prozess, bei dem der computergestützte Entwurf (CAD) in computergestützte Fertigung (CAM) umgewandelt werden musste. Doch nachdem die Werkzeugwege erstellt wurden und die Computer die weitere Arbeit übernahmen, wurden Frästeile zu Dutzenden, Hunderten oder Tausenden von eifrigen computerisierten numerisch gesteuerten Fräsmaschinen (CNC-Fräsen) ausgeworfen.



Die Bearbeitungsausrüstung konnte mehrere Werkzeuge zu einer einzelnen „Zelle“ zusammenfassen, wodurch komplexe Teile ohne menschliche Eingriffe erstellt werden konnten. Die Produktion wurde dadurch äußerst kostengünstig. Die hohen Einrichtungskosten konnten über die Anzahl an produzierten Teilen amortisiert werden und ließen sich aufgrund der niedrigen Bearbeitungskosten schnell wieder ausgleichen.


Die Teile selbst waren robust und präzise und konnten aus praktisch allen fräsbaren Werkstoffen gefräst werden. Da die Einrichtung jedoch auf Fixkosten berechnet wurde, waren die wenigen ersten Teile oft vernichtend teuer. In anderen Worten, diese leistungsstarke Technologie war für die Kleinserienproduktion nicht besonders kosteneffektiv. In den meisten Fällen war sie für den Einsatz im Prototypenbau viel zu teuer, insbesondere da bei der Prototypenherstellung mehrere Entwicklungsschritte für ein und dasselbe Teil notwendig sein können.


Die Technik, also Computer und Erfinder, kamen dem Entwickler mit einer Teillösung zur Hilfe. Wenn das Fräsen einer geringen Anzahl an Teilen nicht auf kostengünstige Weise erfolgen konnte, war es vielleicht möglich, die Teile stattdessen lagenweise aufzubauen. Das Ergebnis war eine Software, die einen CAD-Entwurf nahm und in dünne, virtuelle Schichten zerlegte. Diese wurden an die Hardware übergeben, die die Scheiben aus Kunststoff reproduzierte und in einem additiven Verfahren aufeinander schichtete. So entstand ein dreidimensionaler Körper, der ungefähr dem Originalentwurf entsprach. Die Werkstoffe und Verfahren für die Herstellung des Festkörpers waren unterschiedlich. Zu den erfolgreichen Techniken zählten Stereolithographie (SLA), Selektives Lasersintern (SLS) und Fused Deposition Modeling (FDM).


Da diese Verfahren praktisch ohne menschliche Eingriffe direkt mit CAD-Modellen arbeiteten, war das erste produzierte Teil günstiger als das erste Teil, das mittels CNC-Fräsen hergestellt wurde. Dennoch kostete jedes nachfolgende Teil ungefähr gleich viel und das Fräsverfahren konnte schließlich aufholen. Doch bei einigen wenigen Teilen sprach der Kostenvorteil eindeutig für die additiven Verfahren.


Doch leider hatten die additiven Verfahren trotz der innovativen Technik und der geringen Kosten auch ihre Nachteile. Die Wiedergabe der Form war annehmbar, doch das Schichten hinterließ in der Regel „Stufen“ an der Oberfläche des Teils. Und da die Verbindung zwischen den Schichten nicht so solide war wie bei Spritzgussteilen oder dem beim Fräsen verwendeten massiven Material, waren die Teile nicht so robust wie Fertigungsteile. Sie eigneten sich deshalb nicht für entscheidende Funktionsprüfungen. Letztlich, da die additiven Verfahren auf nur einen oder einige wenige Werkstoffe standardisiert wurden, bestanden die daraus resultierenden Teile häufig aus Werkstoffen, die sich von den für die Serienfertigung vorgesehenen unterschieden. Dadurch waren Funktionsprüfungen erneut unmöglich. Kurzum, abgesehen von ihrem niedrigen Preis waren additive Verfahren bei der Produktion von hochwertigen Prototypenteilen und sehr kleinen Serien dem Fräsverfahren immer noch unterlegen.


Eines der größten Hindernisse für das CNC-Fräsen als Methode zur Prototypenfertigung war das Aufspannen, ein im Wesentlichen manueller und daher teurer Prozess. Ein weiteres Hindernis waren die Entwicklungskosten für das Erstellen von Werkzeugwegen anhand des Originalentwurfs, die Auswahl der Werkzeuge und das Laden der G-Codes (Codes zur Positionierung der Fräswerkzeuge) auf die Fräsanlage. Dabei handelte es sich um eine weitaus komplexere Aufgabe als das Zerlegen eines 3D-CAD-Modells in Schichten für eines der additiven Verfahren. Für die Automatisierung dieser Schritte wären eine enorme Rechenleistung und hunderttausende Codezeilen notwendig. Glücklicherweise waren diese bereits für einen anderen Zweck entwickelt worden.


Der Code wurde verwendet, um Spritzgussformen direkt von 3D-CAD-Modellen zu fräsen, und die Rechenleistung war bereits auf dem branchenweit größten Computercluster am Hauptsitz von Protomold (jetzt Proto Labs) vorhanden. Als Gründer Larry Lukis erkannte, dass dieselbe Software, die das Fräsen von Formen direkt von 3D-CAD-Modellen automatisiert hatte, auf die direkte Bearbeitung von Teilen angepasst werden konnte, war die Umstellung auf das direkte Fräsen relativ einfach. Da Techniker nun nicht mehr die CAM-Software einsetzen mussten, die zwischen dem Original-CAD-Entwurf und den CNC-Bearbeitungsmaschinen angesiedelt war, verringerte Proto Labs die Einrichtungskosten und senkte die Fixkosten des CNC-Fräsens. Plötzlich, konnten die Gesamtkosten für das Fräsen von einem oder mehreren Teilen mit denen der additiven Verfahren des „Rapid Prototyping“ konkurrieren und der Service First Cut, zur Entwicklung und Bereitstellung von automatisierten CNC-Fräsdiensten, wurde ins Leben gerufen.


Die Vorteile des automatisierten Fräsens als Methode zur Prototypenfertigung liegen auf der Hand. Mit dem Verfahren können Teile aus massivem Material ohne die Schwächen von geschichteten Teilen hergestellt werden. Die Oberflächen können glatt sein und das ohne den Treppeneffekt, der für geschichtete Prototypen üblich ist. Das Verfahren ist für Dutzende von Kunststoffen und Aluminium anwendbar, wobei die Liste der verfügbaren Werkstoffe immer weiter wächst.


Die Teile können innerhalb von einem bis drei Werktagen ab Bestellung hergestellt und versendet werden. Auch die Angebotserstellung erfolgt zügig. FirstQuote®, die Online-Angebotssoftware von First Cut, erstellt Angebote für die Produktion von Teilen anhand von hochgeladenen 3D-CAD-Modellen. Ermöglicht wird dies durch denselben gewaltigen Computercluster, der auch die Teileproduktion verwaltet.


Selbstverständlich ist das automatisierte CNC-Fräsen auf Formen begrenzt, die mit CNC-Fräsen aus massivem Material zugeschnitten werden können. Mit dem First Cut Verfahren können derzeit Teile produziert werden, die in einen 254 mm x 177 mm x 95 mm großen Umschlag passen. Die von beiden Seiten des Teils fräsbare Maximaltiefe beträgt 50 mm. Für die Aufspannvorrichtungen ist derzeit eine Mindestteilegröße von 6 mm x 6 mm x 6 mm notwendig.


Das „First Cut“-Verfahren ist derzeit auf das 3-Achsen-Fräsen von sechs Seiten beschränkt. In Ihrem Angebot werden alle die Merkmale hervorgehoben, die nicht innerhalb dieser Beschränkungen gefräst werden können. Scharfe Innenecken an einem Teil werden als natürliche Folge des CNC-Fräsverfahrens abgerundet. Im Angebot werden Bereiche hervorgehoben, in denen diese Radien auftreten.


Das effektive Fräsen sehr kleiner Merkmale kann unter Umständen problematisch sein. Diese werden im Angebot entsprechend gekennzeichnet. Versenkter Text beispielsweise sollte eine Mindeststrichstärke von 0,5 mm besitzen und der Zeichenabstand sollte bei erhabener Beschriftung 0,5 mm oder mehr betragen.


Im Gegensatz zum Spritzgussverfahren erlaubt das CNC-Fräsen die Herstellung von dicken Wänden, wobei die Wandstärke nicht gleichmäßig sein muss. Wände sollten generell nicht dünner als 0,5 mm sein. Insgesamt sind in der Regel Toleranzen von +/- 0,1 mm ausführbar.


Eine Liste mit verfügbaren Werkstoffen für das automatisierte Fräsen mit First Cut finden Sie hier.


Für eine detaillierte Gegenüberstellung der Prototyping-Verfahren, laden Sie bitte unsere Broschüre herunter.


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