Februar 2011



Die Dimensionen des Fräsens

Wir wissen zwar nicht, von wem der Ausspruch stammt –„ für die Herstellung einer Pferdeskulptur müsse man einen Steinblock nehmen und alles entfernen, das nicht zum Pferd gehört“- die Beschreibung, trifft jedoch auf die Anfertigung einer Renaissance-Skulptur ebenso zu, wie auf das CNC-Fräsen. Abgesehen von dieser Ähnlichkeit, sind die beiden Prozesse jedoch sehr unterschiedlich. Einer der größten Unterschiede ist, dass sich Bildhauer frei um ihr Werk bewegen und sich in jedem Winkel ihrem Werkstücks nähern können, um das gewünschte Endergebnis zu erreichen. Eine Fräsmaschine hingegen, die zur Entfernung von unerwünschtem Material rotierende Schneidwerkzeuge verwendet (im Gegensatz zu einer Laser-, Dreh- oder Bohrmaschine, einem Roboter, oder einem anderen Werkzeug), ist auf spezifische Bewegungen im euklidischen Raum beschränkt. Firstcut verwendet 3-Achsen-Fräsen, mit der fortlaufenden Bearbeitung von bis zu sechs Seiten eines Werkstücks. Das unten abgebildete Teil ist hierfür ein Beispiel (Abbildung 1). Von einer Seite aus können wir Merkmale von sechs senkrecht zueinander stehenden Seiten fräsen, indem wir das Teil jeweils um 90 bzw. 180 Grad drehen.

Abbildung 1

Abbildung 1


Jeder Punkt auf der Oberfläche eines gefrästen Teils kann durch seine Position entlang der X-, Y- und Z-Achse beschrieben werden. Das Problem ist, dass wir beim Fräsen nicht nur einen Punkt beschreiben, sondern in seiner Umgebung fräsen müssen. Dafür müssen wir einen rotierenden Fräser zu dem entsprechenden Punkt bewegen. Beim typischen, einfachen 3-Achsen-Fräsen kann das Werkstück in der X- und Y-Richtung (Seite für Seite und vor/zurück), und das Fräswerkzeug in der Z-Richtung bewegt werden (auf und ab). Wenn diese Bewegungen aufeinander abgestimmt sind, kann die Maschine jeden Punkt auf der Seite, die dem Schneidkopf des Werkstücks zugewandt ist, erreichen. Mit dieser Methode, kann eine 3-Achsen-Fräsmaschine beispielsweise ein Profil auf eine Münze fräsen. Wenn man jedoch dasselbe Gerät, zum Fräsen eines dreidimensionalen Modells eines Kopfes verwenden möchte, muss man das Werkstück mehrmals neu positionieren, um alle Seiten des Teils zu erreichen (siehe Abbildung 2). Eine Alternative hierzu wäre der Einsatz von 4- oder 5-Achsen-Fräsmaschinen.

Abbildung 2 – Zum Fräsen eines dreidimensionalen Kopfes müsste das Material mehrmals neu positioniert werden, um alle Seiten zu erreichen.

Abbildung 2 – Zum Fräsen eines dreidimensionalen Kopfes müsste das Material mehrmals neu positioniert werden, um alle Seiten zu erreichen.


4-Achsen-Fräsmaschinen verwenden die drei oben beschriebenen linearen Achsen, sowie zusätzlich eine vierte (Dreh-) Achse in Form eines vertikalen Drehtischs (die Drehachse verläuft in der Regel horizontal), der das Werkstück drehen kann. Der Schneidkopf kann so - abgesehen vom oberen Kopfbereich und dem unteren Teil des Halses - auf alle Seiten des Werkstücks zugreifen, ohne das Teil neu zu positionieren. Trotzdem gibt es auch hier noch Einschränkungen, beispielsweise die Tatsache, dass eine solche Maschine das Werkstück nur entlang von Linien erreicht, die senkrecht zur Achse verlaufen (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3 – Vertikaler Drehtisch zum 4-Achsen-Fräsen dreht das Werkstück, wodurch die vier Seiten des Kopfes aus einer Position heraus gefräst werden können. Um den oberen Kopfbereich und den unteren Teil des Halses zu erreichen, muss das Material jedoch neu positioniert werden.

Abbildung 3 – Vertikaler Drehtisch zum 4-Achsen-Fräsen dreht das Werkstück, wodurch die vier Seiten des Kopfes aus einer Position heraus gefräst werden können. Um den oberen Kopfbereich und den unteren Teil des Halses zu erreichen, muss das Material jedoch neu positioniert werden.


Bei 5-Achsen-Fräsmaschinen kommt eine zweite Drehachse hinzu, wodurch eine Anordnung entsteht, die einer kardanischen Aufhängung gleicht und ein Drehen des Werkstücks um zwei Drehachsen ermöglicht (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4 – Bei 5-Achsen-Fräsmaschinen gibt es unendlich viele Möglichkeiten, jeden beliebigen Punkt des Werkstücks zu erreichen.

Abbildung 4 – Bei 5-Achsen-Fräsmaschinen gibt es unendlich viele Möglichkeiten, jeden beliebigen Punkt des Werkstücks zu erreichen.


Zurück zu unserem Beispiel: Beim 4-Achsen-Fräsen könnten wir die Vorderseite, die Rückseite und die beiden Seiten des Kopfes fräsen, müssten das Werkstück jedoch neu positionieren, um den oberen Kopfbereich und den unteren Teil des Halses zu erreichen. Mit der 5-Achsen-Fräsmaschine könnten wir den oberen Kopfbereich fräsen, ohne das Werkstück neu zu positionieren. Bei Bedaf wären wir auch in der Lage, Nasenlöcher mit einem wirklichkeitsgetreuen Winkel herzustellen (siehe Abbildung 5).

Abbildung 5 – Die 5-Achsen-Fräsmaschine ermöglicht das Fräsen wirklichkeitsgetreuer Nasenlöcher, sowie des oberen Kopfbereichs, vorausgesetzt das Werkstück wird am Hals fixiert.

Abbildung 5 – Die 5-Achsen-Fräsmaschine ermöglicht das Fräsen wirklichkeitsgetreuer Nasenlöcher, sowie des oberen Kopfbereichs, vorausgesetzt das Werkstück wird am Hals fixiert.


Natürlich ergeben sich aus zusätzlichen Achsen weitere Möglichkeiten für Fräsmaschinen, doch diese Möglichkeiten haben buchstäblich ihren Preis. Erstens sind 4- und 5-Achsen-Fräsmaschinen komplexer als 3-Achsen-Systeme und allein aus diesem Grund teurer. Zweitens ergeben sich bei 4- und 5-Achsen-Fräsen unendlich viele Möglichkeiten, jeden beliebigen Punkt zu erreichen – im Gegensatz zu 3-Achsen-Systemen, bei denen auf jeden Punkt nur auf eine Weise zugegriffen werden kann. Die Erstellung von Werkzeugwegen wird dadurch weitaus komplexer. Drittens sind bei Maschinen einer bestimmten Größe mit zusätzlichen Achsen zusätzliche Komponenten erforderlich, die im Arbeitsbereich Platz benötigen und die maximale Größe von gefrästen Teilen reduzieren. Und schließlich, erhöhen zusätzliche Achsen das Ausmaß von Bearbeitungsfehlern aufgrund von Hardware-, Software oder Rundungsfehlern oder dem Verschleiß von Geräten. Bei den 4- und 5-Achsen-Systemen mit Drehachsen steigt die Fehlerhäufigkeit mit dem Abstand zur Achse, wodurch es besonders bei größeren Teilen zu Problemen kommt. Abhilfe schaffen präzisere, teurere Geräte, die jedoch wiederum teurere Teile zur Folge haben.


Die Alternative zur Verwendung von 4- oder 5-Achsen-Fräsen ist der Einsatz einer 3-Achsen-Fräse, bei der das Teil mithilfe einer Aufspannvorrichtung von sechs Seiten gefräst wird. Firstcut verwendet urheberrechtlich geschützte, speziell konzipierte Aufspannvorrichtungen, die eine schnelle und einfache Neupositionierung eines Werkstücks in der 3-Achsen-Fräsmaschine ermöglichen. Mit diesem Ansatz, lassen sich die meisten Einsatzmöglichkeiten von 4- und 5-Achsen-Systemen erreichen und er ist kostengünstiger und deutlich schneller durchzuführen, da wir 3-Achsen-Werkzeugwege automatisch generieren können. In unserem Beispiel gibt es möglicherweise kleinere Merkmale, die nicht von einer der sechs Seiten zu erreichen sind. In Ihrem interaktiven Angebot FirstQuote® werden solche Merkmale deutlich angezeigt.


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Ältere Firstcut Tipps zum Fräsverfahren lesen.