Was versteht man unter 5-Achs-CNC-Fräsen?

Beim 5-Achs-CNC-Fräsen bewegt sich das Werkzeug gleichzeitig entlang drei linearer Achsen (X, Y, Z) und rotiert zusätzlich um zwei weitere Achsen, sodass das Werkstück in einer einzigen Aufspannung aus nahezu jedem Winkel bearbeitet werden kann. Dieses Verfahren ermöglicht die Fertigung hochkomplexer Geometrien mit einer Präzision und Effizienz, die mit konventionellen 3-Achs-Maschinen nicht erreichbar ist. Die folgenden Abschnitte beleuchten die wichtigsten Fragen rund um die Mehrachsbearbeitung, geeignete Werkstoffe, Einsatzbranchen und die sinnvolle Kombination mit dem Tieflochbohren.

Welche Vorteile bietet 5-Achs-CNC-Fräsen gegenüber 3-Achs-Fräsen?

Der entscheidende Vorteil des 5-Achs-CNC-Fräsens gegenüber dem 3-Achs-Fräsen liegt in der drastisch reduzierten Anzahl an Umspannvorgängen. Komplexe Bauteile, die auf einer 3-Achs-Maschine vier oder mehr separate Aufspannungen erfordern würden, lassen sich auf einer 5-Achs-Fräsmaschine häufig in einem einzigen Arbeitsgang vollständig bearbeiten.

Das bringt konkrete Vorteile mit sich:

• Höhere Maßhaltigkeit: Jedes Umspannen birgt das Risiko von Referenzierungsfehlern. Weniger Aufspannungen bedeuten weniger Toleranzabweichungen und damit eine durchgängig höhere Bauteilgenauigkeit.
• Kürzere Durchlaufzeiten: Rüst- und Wartezeiten zwischen einzelnen Bearbeitungsschritten entfallen, was die Gesamtfertigungszeit erheblich verkürzt.
• Bessere Oberflächenqualität: Durch den optimalen Anstellwinkel des Werkzeugs kann die Fräsbearbeitung mit günstigeren Schnittbedingungen erfolgen, was feinere Oberflächen erzeugt und den Nachbearbeitungsaufwand reduziert.
• Zugang zu Hinterschneidungen: Geometrien, die für ein 3-Achs-Werkzeug nicht erreichbar sind, lassen sich durch die Rotation der Zusatzachsen problemlos bearbeiten.
• Längere Werkzeugstandzeiten: Der optimierte Eingriffswinkel schont das Werkzeug und senkt die Werkzeugkosten über den gesamten Fertigungsprozess.

Für Bauteile mit einfachen, planaren Geometrien bleibt das 3-Achs-Fräsen wirtschaftlich sinnvoll. Sobald jedoch Freiformflächen, schräge Bohrungen oder komplexe Konturen ins Spiel kommen, bietet die Simultanfräsen-Technologie klare Wettbewerbsvorteile.

Wie funktioniert die simultane 5-Achs-Bearbeitung?

Bei der simultanen 5-Achs-Bearbeitung steuert die CNC-Steuerung alle fünf Achsen gleichzeitig und in Echtzeit. Das bedeutet, dass das Werkzeug seine Position im Raum und seinen Anstellwinkel zum Werkstück kontinuierlich und koordiniert verändert, während der Fräsvorgang läuft.

Technisch unterscheidet man zwei grundlegende Konfigurationen:

Schwenktisch-Konfiguration

Hier rotiert das Werkstück auf einem kippbaren und drehbaren Tisch, während die Spindel die drei linearen Achsen übernimmt. Diese Bauweise eignet sich besonders für kleinere bis mittelschwere Werkstücke und bietet eine hohe Steifigkeit bei der Bearbeitung.

Schwenkkopf-Konfiguration

In dieser Variante führt der Fräskopf selbst die Rotationsbewegungen aus, während das Werkstück fest auf dem Tisch eingespannt bleibt. Das ist vorteilhaft bei schweren oder sperrigen Bauteilen, bei denen eine Rotation des Werkstücks nicht praktikabel wäre.

Die CNC-Steuerung berechnet für jeden Punkt des Bearbeitungspfads die exakten Koordinaten aller fünf Achsen gleichzeitig. Das setzt leistungsfähige CAM-Software voraus, die die Werkzeugbahn kollisionsfrei plant und dabei Maschinengrenzen sowie die Werkstückgeometrie berücksichtigt. Moderne Steuerungssysteme gleichen Fehler in der Kinematik der Maschine automatisch aus, was die Wiederholgenauigkeit auch bei langen Bearbeitungszyklen sicherstellt.

Welche Werkstoffe lassen sich mit 5-Achs-CNC-Fräsen bearbeiten?

Mit 5-Achs-CNC-Fräsen lassen sich nahezu alle technisch relevanten Werkstoffe bearbeiten, sofern die Maschinenparameter, Werkzeugauswahl und Schnittbedingungen auf das jeweilige Material abgestimmt sind. Das Verfahren ist nicht an einen bestimmten Werkstoff gebunden, sondern an die Geometriekomplexität des Bauteils.

Typische Werkstoffe in der Fräsbearbeitung umfassen:

• Stähle: Baustahl, Einsatzstahl, Werkzeugstahl und Edelstahl sind Standardwerkstoffe. Hochfeste Stähle erfordern angepasste Schnittparameter und verschleißfeste Werkzeugbeschichtungen.
• Aluminium und Aluminiumlegierungen: Leicht zerspanbar und gut geeignet für hohe Schnittgeschwindigkeiten. Schweißbare Aluminiumlegierungen neigen jedoch zu Aufbauschneiden, was die Prozessführung anspruchsvoller macht.
• Titan und Titanlegierungen: Mechanisch anspruchsvoll durch geringe Wärmeleitfähigkeit und hohe Festigkeit. Erfordert scharfe Werkzeuge, niedrige Schnittgeschwindigkeiten und ausreichende Kühlung.
• Hochleistungslegierungen: Werkstoffe wie Inconel oder Nickellegierungen sind aufgrund ihrer Zähigkeit und Warmfestigkeit schwer zu zerspanen, aber mit geeigneten Werkzeugen und angepasster Strategie beherrschbar.
• Kunststoffe und Verbundwerkstoffe: Viele Thermo- und Duroplaste sowie faserverstärkte Kunststoffe lassen sich fräsen, wobei die Werkzeuggeometrie und die Kühlung entscheidend für die Oberflächenqualität sind.

Der Werkstoff beeinflusst nicht nur die Wahl des Fräswerkzeugs, sondern auch die erreichbare Oberflächengüte und Maßhaltigkeit. Kleinste Unterschiede in der Legierungszusammensetzung oder Wärmebehandlung können das Spanverhalten und damit die Prozessstabilität merklich verändern, was bei der Prozessauslegung berücksichtigt werden muss.

Für welche Branchen ist 5-Achs-CNC-Fräsen besonders geeignet?

Das 5-Achs-CNC-Fräsen ist überall dort besonders geeignet, wo Bauteile mit komplexen Geometrien, engen Toleranzen und hohen Oberflächenanforderungen in überschaubaren bis mittleren Stückzahlen gefertigt werden müssen. Es ist das bevorzugte Verfahren in technologieintensiven Branchen.

Die wichtigsten Einsatzbranchen im Überblick:

• Luft- und Raumfahrt: Strukturbauteile, Triebwerkskomponenten und Halterungen aus Titan oder Hochtemperaturlegierungen mit Freiformflächen und engen Toleranzen sind klassische Anwendungsfälle.
• Automobil- und Fahrzeugindustrie: Prototypen, Werkzeugformen und Motorkomponenten profitieren von kurzen Rüstzeiten und hoher Wiederholgenauigkeit.
• Formenbau und Werkzeugbau: Spritzguss- und Druckgussformen erfordern präzise Freiformflächen und Hinterschneidungen, die mit 3-Achs-Maschinen kaum wirtschaftlich zu fertigen sind.
• Medizintechnik: Implantate, chirurgische Instrumente und Prothesen aus biokompatiblen Werkstoffen verlangen höchste Präzision und Oberflächengüte.
• Maschinenbau: Gehäuse, Flansche und Sonderbauteile mit komplexer Innengeometrie lassen sich in einer Aufspannung vollständig fertigstellen.
• Werkzeugmaschinenindustrie: Komponenten für Fräs- und Drehmaschinen selbst werden häufig mit 5-Achs-Technologie gefertigt, da die Anforderungen an die Formgenauigkeit besonders hoch sind.

Gemeinsam ist diesen Branchen, dass Fehler in der Fertigung kostspielig sind und die Bauteilkomplexität konventionelle Verfahren an ihre Grenzen bringt. Die Leistungen in der Metallbearbeitung reichen dabei oft weit über ein einzelnes Verfahren hinaus und erfordern eine ganzheitliche Betrachtung des Fertigungsprozesses.

Wann sollte man 5-Achs-Fräsen mit Tieflochbohren kombinieren?

Die Kombination aus 5-Achs-Fräsen und Tieflochbohren empfiehlt sich immer dann, wenn ein Bauteil sowohl komplexe Außenkonturen als auch tiefe, präzise Bohrungen aufweist, die in einem durchgehenden Fertigungsprozess hergestellt werden sollen. Beide Verfahren ergänzen sich dabei technologisch sehr gut.

Typische Situationen, in denen diese Kombination sinnvoll ist:

• Kühlkanäle in Werkzeugformen: Die Außengeometrie einer Spritzgussform wird gefräst, während tiefe Kühlbohrungen mit Längen-zu-Durchmesser-Verhältnissen weit über 10:1 nur durch Tieflochbohren wirtschaftlich realisierbar sind.
• Hydraulikblöcke und Verteiler: Komplexe Außenkonturen durch Fräsen, innere Bohrungsnetze durch Tieflochbohren, oft mit dem BTA-Verfahren oder dem Einlippen-Tieflochbohren (ELB) für kleinere Durchmesser.
• Antriebswellen und Spindeln: Freigeformte Außenflächen erfordern Fräsbearbeitung, während axiale oder radiale Tiefbohrungen für Schmierung oder Gewichtsreduzierung ergänzend eingebracht werden.
• Medizintechnische Implantate: Außengeometrien aus Titan werden gefräst, Kanalbohrungen für Medikamentenzuführung oder Schraubenkanäle durch Tieflochbohren eingebracht.

Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit ist die Reihenfolge der Bearbeitung. In der Regel wird zuerst gefräst, um die Referenzflächen für die anschließenden Tiefbohrungen zu schaffen. Bei sehr tiefen Bohrungen ist zudem eine Pilotbohrung sinnvoll, um dem Tiefbohrwerkzeug einen definierten Einstich zu bieten und den Bohrungsverlauf zu stabilisieren. Typische radiale Abweichungen beim Tieflochbohren liegen bei etwa 0,1 mm pro 100 mm Bohrtiefe, wobei die Abweichung mit zunehmender Tiefe progressiv ansteigt. Diese Toleranz muss bereits in der Konstruktionsphase berücksichtigt werden.

Wer beide Verfahren aus einer Hand bezieht, vermeidet Schnittstellenprobleme zwischen verschiedenen Fertigungsdienstleistern und reduziert Transportwege, Rüstzeiten und Kommunikationsaufwand erheblich.

Wie Gutekunst Sie bei der Fräs- und Tiefbohrbearbeitung unterstützt

Wir bei Gutekunst GmbH bieten Ihnen die Kombination aus präziser Metallbearbeitung und tiefem Prozess-Know-how aus über 125 Jahren Erfahrung. Als Spezialist für Tieflochbohren und Komplettbearbeitung unterstützen wir Sie konkret mit:

• Tieflochbohrungen nach dem BTA-Verfahren und Einlippen-Tieflochbohren (ELB) für Durchmesser und Tiefen bis zu 9.500 mm
• Ergänzende Bearbeitungsschritte wie Drehen, Fräsen und Schleifen aus einer Hand, damit Sie keine Schnittstellenprobleme zwischen verschiedenen Dienstleistern haben
• Bearbeitung aller gängigen Werkstoffe, von Baustahl über Edelstahl und Aluminium bis hin zu Titan und Hochleistungslegierungen
• Prozessberatung bereits in der Konstruktionsphase, um Bohrungsverlauf, Toleranzen und Oberflächenanforderungen realistisch abzustimmen
• Qualitätsmanagement, das Termintreue und technische Präzision auch bei komplexen Einzelteilen und Serien sicherstellt

Ob Ihr Bauteil tiefe Kühlkanäle, präzise Passbohrungen oder eine Kombination aus gefrästen Außenkonturen und tiefen Innenbohrungen erfordert, wir finden gemeinsam mit Ihnen den wirtschaftlich und technisch optimalen Weg. Nehmen Sie Kontakt mit uns auf und schildern Sie uns Ihre Anforderungen. Wir beraten Sie unverbindlich und schnell.

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