Design Tip

So lassen sich CNC-Kosten senken

Überlegungen zu Design und Werkstoff, die Ihre Bearbeitungskosten verringern

Bei der CNC-Bearbeitung gibt es Jahr für Jahr Fortschritte und Verbesserungen. Dadurch wird sie auch immer komplexer. Folglich wird es auch immer schwieriger, zu entscheiden, was beim Entwerfen von Teilen beachtet werden muss. Durch einige relativ einfachen Anpassungen des Teiledesigns und die Wahl des richtigen Materials, können jedoch Kosten gesenkt und gleichzeitig die Funktionalität der bearbeiteten Teile verbessert werden. 

Bei Protolabs verwenden wir eine Automatisierungssoftware zur Angebotserstellung. Hier werden Merkmale hervorgehoben, die beim Design für die Schnellfertigung besondere gut durchdacht werden müssen. Die Software findet Merkmale, die nicht (oder nur mit zusätzlichen Werkzeugen und Geräten) gefertigt werden können, aber auch Bereiche, die nicht unbedingt geändert werden müssen, deren Konstruktion jedoch die Bearbeitung insgesamt erleichtert könnten - Innenecken, versenkte Beschriftungen, dünne Wände, tiefe Löcher und komplexe Geometrien, um nur einige davon zu nennen. 

Nachstehend finden Sie einige Tipps, wie Sie kostengünstigere CNC-Teile entwerfen können.

Durch das Hinzufügen von Radien und Freistiche in den Ecken werden die Bearbeitungskosten reduziert
Diese Abbildung zeigt einen Freistich zur Erzielung scharfer Innenecken, in diesem Fall an einer Edelstahldose für eine Baseball-Kartensammlung. So werden rechtwinklige Ecken erzielt, die die Karten perfekt umschließen
1. Überlegungen zu Innenecken

Denken Sie an die Ecken einer CNC-bearbeiteten Tasche – vielleicht das Innere eines Elektronikgehäuses oder eine Halterung für das Gehäuse eines rechteckigen Bauteils. Beim Design wird oft übersehen, dass die Schnittlinien der vertikalen Wände perfekt scharfe Innenecken bilden sollen. Um dies zu veranschaulichen, denken Sie an die Bearbeitung einer Edelstahldose für Spielkarten. Die einzige Möglichkeit, wirklich rechtwinklige vertikale Ecken zu erzielen, welche die Karten genau umschließen, besteht im EDM oder im Zusammenschrauben mehrerer flacher Platten. Beides kann zeit- und kostenaufwendig sein.

Stattdessen spannen wir an einem unserer CNC-Bearbeitungszentren, den kleinsten Schaftfräser ein, den wir haben, um die Ecken auszufräsen. Bei Edelstahl 304 ist das ein 0,8-mm-Schaftfräser, der einen Eckradius von 0,4 mm hinterlässt. Das ist recht scharf, aber bei der Tiefe gibt es Einschränkungen. Die Länge, der meisten Schaftfräser für die Stahlbearbeitung in diesem Größenbereich, ist auf das Fünffache des Fräserdurchmessers beschränkt. Die Bearbeitung mit kleinen Schaftfräsern wie diesem ist auch eine zeitraubende und heikle Arbeit, was die Kosten für Ihr Projekt aufgrund des zusätzlichen Zeitaufwands in die Höhe treibt.

Um Grate zu verhindern und scharfe Kanten zu brechen, versuchen Konstrukteure oft, Außenkanten abzuschrägen oder abzurunden, wie Sie in der Abbildung sehen können
Um Grate zu verhindern und scharfe Kanten zu brechen, versuchen Konstrukteure oft, Außenkanten abzuschrägen oder abzurunden, wie Sie in der Abbildung sehen können

Ein budgetfreundlicherer Ansatz ist das Ausfräsen eines Freistichs an den Innenecken. Dadurch entfällt die störende Rundung, und stattdessen bleibt ein U- oder C-förmiger Freiraum. So werden auch viel tiefere Taschen möglich – wird in jeder Ecke ein 6,35 mm tiefer Freistich angebracht, sind funktionell scharfe Ecken mit bis zu 32 mm Tiefe möglich. Und durch die Wahl von Aluminium oder sogar Kunststoff statt Stahl, können die Taschentiefen verdoppelt werden. Vor allem werden auf diese Weise jedoch die Teilekosten reduziert, da größere Schaftfräser verwendet werden können und der Materialabtrag sich entsprechend erhöht.

2. Kanten selbst entgraten

Das Vermeiden des Kantenbruchs ist eine weitere kostensparende Maßnahme im Zusammenhang mit Radien. Beim Versuch, Grate zu entfernen und scharfe Kanten zu brechen, glätten Konstrukteure oft externe Schnittlinien an den Teilen durch Abfasen oder Abrunden der Kanten. Das ist verständlich und manchmal auch erforderlich, aber es kann auch teuer sein. Bei Metallteilen bietet Protolabs eine automatische Entgratungsoption an und Kunststoffe werden im bearbeiteten Rohzustand oder mit scharfen Kanten wie in der Abbildung geliefert. Wenn das Design eines Teils einen Kantenbruch erfordert, müssen wir ein zusätzliches Werkzeug (einen Kugelkopf-Fräser) einsetzen und diese Ecken mit einer 3D-Profilierbewegung der Maschine bearbeiten.

In der Regel betreiben wir diese Werkzeuge mit hohen Drehzahlen, und es werden geringe Materialmengen entfernt. Dennoch ist dies ein langwieriger Prozess, da hin- und hergefahren werden muss, bis alle Kanten glatt sind. Viele Kunden entscheiden sich dafür, Geld zu sparen, indem sie diese Teile selbst mit einer Feile, etwas Schleifpapier oder einer Schleifscheibe entgraten.

3. Weglassen versenkter Beschriftungen

Ähnlich ist eine versenkte Beschriftung, zwar ästhetisch ansprechend, erfordert jedoch einen zeitaufwendigen Vorgang, der möglichst zu vermeiden ist. Auch hier wird ein Kugelkopffräser verwendet, um die im CAD-Modell vorgesehenen Buchstaben, Zahlen und Symbole einzufräsen. Die Beschriftung sieht cool aus und wird bei maschinenbearbeiteten Teilen vielleicht aus gutem Grund gewünscht, aber sie eignet sich wohl eher für Spritzgussteile, bei denen die zusätzliche Bearbeitungszeit durch größere Stückzahlen kompensiert wird. Aufgrund der jeweiligen Werkzeugsätze gilt eine Mindestmerkmalgröße von 0,90 mm bei Metall und 0,51 mm bei Kunststoff.

Small tool diameters add machining time so consider removing text or logos from machined prototypes.
Kleine Werkzeugdurchmesser erhöhen die Bearbeitungszeit, entfernen Sie also Text oder Logos aus den bearbeiteten Prototypen
4. Vorsicht bei dünnen Wänden und Merkmalen 

Unsere Standard-Teiletoleranz beträgt +/- 0,13 mm. Merkmale mit Abmessungen von 0,51 mm oder darunter markiert unser automatisches Angebotssystem als Dünnwand-Geometrie. Beachten Sie aber, dass wir die Bearbeitung dennoch zulassen, und folglich kann das bearbeitete Teil leicht von Ihrem ursprünglichen Entwurf abweichen. Bei dünnen Wänden von 0,51 mm oder weniger, besteht die Gefahr, dass sie während des Bearbeitungsvorgangs brechen oder sich später verbiegen oder verziehen. Verstärken Sie sie so gut wie es Ihr Teiledesign erlaubt.

 

Use caution with thin-walled parts because they are subject to breakage during the machining operation or may flex or warp afterwards. Beef them up as much as your part design allows.Bei Teilen mit dünnen Wänden ist Vorsicht geboten, da sie bei der Bearbeitung brechen oder sich danach verbiegen könnten. Verstärken Sie sie so gut wie es Ihr Teiledesign erlaubt
5. Den Entwurf so einfach wie möglich halten

Sehr tiefe Taschen sind unbedingt zu vermeiden, auch wenn die Ecken mit einem Freistich versehen werden. Das Abtragen des Materials nimmt viel Bearbeitungszeit in Anspruch. Zusätzlich wird die Restspannung im Rohmaterial  zum Problem, je tiefer die Taschen und je höher die Wände werden. Es könnten Winkel oder Stützkonstruktionen verwendet werden, um diese Werkstücke zu festigen und Bewegungen aufgrund von Spannung zu verhindern, aber dies steigert wiederum die Bearbeitungskosten. Der beste Rat für Hersteller oder Designer maschinenbearbeiteter Teile ist, den Entwurf möglichst einfach zu halten.

Halten Sie den Entwurf so einfach wie möglich. Wenn das Design zu komplex wird, erwägen Sie, es in mehrere Komponenten zu splitten, die zusammengeschraubt werden können
Halten Sie den Entwurf so einfach wie möglich. Wenn das Design zu komplex wird, erwägen Sie, es in mehrere Komponenten zu splitten, die zusammengeschraubt werden können

Das gleiche Prinzip gilt auch für die Gesamtgeometrie der Teile. Versuchen Sie nicht, Ihren Teilen zu viel zuzumuten. Eine Maximierung der Materialnutzung kann zu Problemen beim Aufspannen und Bearbeiten des Werkstücks und damit zu höheren Kosten führen. Wenn das Design zu komplex wird, erwägen Sie es, in mehrere Komponenten zu splitten und diese mit Verbindungselementen zusammenzubauen. Niemand ist glücklich über Montagekosten oder die Komplexität, die mit mehreren Teilen einhergeht, aber bei schwierig zu bearbeitenden Teilen könnte dies die beste Lösung sein. Vor allem wenn Schnelligkeit wichtig ist. Strukturierte Oberflächen, Aushöhlungen (denken Sie an Kühlkörper), sehr tiefe Bohrungen (hydraulische Verteiler) und Gewinde gehören zu den notorischen Kostentreibern bei der Bearbeitung, die an Ihrem Projektbudget nagen können.

6. Alternative Werkstoffe suchen

Eine der einfachsten Möglichkeiten, um im Kostenrahmen zu bleiben, ist die Wahl eines maschinenfreundlicheren oder kostengünstigeren Materials. Unsere Werkstoffauswahl umfasst verschiedene Metalle und Kunststoffe, bei denen jeweils die individuellen technischen Eigenschaften, die Ästhetik, die Bearbeitungsmöglichkeiten und die Materialkosten berücksichtigt werden müssen. Hier einige wichtige Gesichtspunkte bei der Werkstoffwahl: 

  • Edelstahl 17-4 PH ist schwer zu schneiden. Wenn es nicht auf hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit ankommt, versuchen Sie es stattdessen mit 316L oder 304.
  • Kupfer ist ein hervorragender elektrischer Leiter, aber teurer als Aluminium. Während Aluminium ca. 60 Prozent der elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer aufweist, könnten Sie es aufgrund der Gewichts- und Kosteneinsparung letztendlich doch in Erwägung ziehen.
  • Wenn Härte wichtig ist, ist 4140 vielleicht Ihre erste Wahl, aber 1018 ist kostengünstiger und lässt sich sehr gut einsatzhärten.
  • Fräser freuen sich immer über Werkstücke aus Messing. Einem weichen Metall, das sich leicht fräsen lässt und das vielleicht genau die mechanischen-, chemischen- und Leitfähigkeitseigenschaften aufweist, die für Ihre Anwendung benötigt werden. 
  • Unsere Auswahl an Kunststoffen umfasst fast drei Dutzend Materialien. Alle lassen sich relativ leicht schneiden. Ein Faktor, der oftmals niedrigere Teilekosten bedeutet. Einige Kunststoffe bieten überlegene Verschleiß-, Korrosions- oder chemische Beständigkeit.  Andere wiederum, eignen sich für heiße Umgebungen oder offene Flammen. Und wieder andere zeichnen sich durch Festigkeits-, Stoß-oder elektrische Eigenschaften aus. In der Regel gilt: Je weicher der Werkstoff, desto größer das Risiko für die Maßhaltigkeit und die Gefahr der Fadenbildung beim Fräsen. 

Sind Sie sich unsicher, für welchen Werkstoff Sie sich entscheiden sollten? Sie können sich gerne unsere vollständige Werkstoffliste ansehen. 

Wenn Sie ein CAD-Modell auf unsere Website hochladen, berechnet unser Angebots-Tool, was problemlos produziert werden kann und was mit Risiken verbunden ist. Die Ergebnisse werden klar und deutlich im Angebot dargestellt. So haben Sie die Möglichkeit, das Teiledesign eventuell anzupassen und die Kosten neu kalkulieren zu lassen. Im Zweifelsfall können Sie sich jederzeit gerne an unsere Anwendungstechniker oder per E-Mail an [email protected] wenden.