CNC-Konstruktionshandbuch

Allgemeine Designtipps

Vermeiden Sie dünne Wände: Hierbei handelt es sich eher um eine Richtlinie zum Seitenverhältnis als um eine spezifische Dickenbeschränkung. Generell gilt, dass die Höhe der aufstehenden Mauern das Dreifache ihrer Gesamtdicke nicht überschreiten sollte.

Oft sind dünne Wände erforderlich, die jedoch Schwierigkeiten bei der Bearbeitung mit sich bringen.

• Während des Schneidens vibrieren sie wahrscheinlich, wodurch das Rattern der Oberfläche zunimmt
• Es besteht die Gefahr, dass sie sich vom Fräser wegbewegen, sodass mehr und dünnere Schnitte erforderlich sind, um die Maßhaltigkeit aufrechtzuerhalten
• Wenn sie andere Elemente eines Designs unterstützen, sind diese Elemente zunehmend anfällig für Fehler und Qualitätsprobleme

Die standardmäßige Mindestdicke für Wände beträgt als allgemeine Richtlinie 0.8 mm für Metalle und 1.5 mm für Kunststoffe. Dies sind jedoch keine festen Grenzwerte. Wenn eine Wand an mehreren Seiten gestützt wird, kann die Gesamtdicke problemlos reduziert werden.

Wenn dünne und schlecht unterstützte Wände konstruktionsbedingt erforderlich sind, sollten Sie erwägen, das bearbeitete Teil durch eine geschnittene oder zweidimensional bearbeitete Blechkomponente zu ersetzen.

Vermeiden Sie Merkmale, die nicht per CNC bearbeitet werden können

Nicht jedes Merkmal eignet sich für die CNC-Bearbeitung. Durch das Verständnis der Maschinenfunktionen, der Fräsertypen und der Komponentenspanneinstellungen kann die Einbeziehung von Funktionen verhindert werden, die nicht programmiert/geschnitten werden können.

Ein gutes Beispiel für ein Merkmal, das ein CNC-Prozess nicht reproduzieren kann, sind interne gebogene Galerien. Wenn solche Merkmale unbedingt erforderlich oder unvermeidbar sind, können Sie erwägen, das Teil zu teilen, um die Galerie in zwei Hälften zu machen, oder einen Teil oder die gesamte Komponente aus Metall in 3D zu drucken, um ansonsten unmögliche Merkmale zu ermöglichen.

Vermeiden Sie zu enge Toleranzen

Eine allgemeine Toleranz, die an den Maschinenprozess angepasst ist, ermöglicht die schnellste Verarbeitung. Wenn engere Toleranzen erforderlich sind, sollten diese sorgfältig geprüft und bis zur Grenze der Konstruktion erweitert werden.

Enge Toleranzen erhöhen den Fräserverbrauch und die Bearbeitungszeit und erfordern mehr und feinere Schnitte sowie eine genauere Prüfung. Durch Übertoleranzen steigt auch die Ausschussrate, und diese Faktoren können die Kosten erheblich erhöhen.

Reduzieren Sie Funktionen auf das Wesentliche

Eine Verringerung der Krümmung kann zu einer inakzeptablen Ästhetik führen. Wenn jedoch die Kosten eine größere Rolle spielen, ist Einfachheit der Weg, dies einzudämmen, da dadurch die Schneidezeit verkürzt wird. Auch ästhetische Merkmale können den Einsatz einer 5-Achsen-Bearbeitung erzwingen, was sowohl die Programmierkosten als auch die Maschinenzeit erhöht.

In der Regel ist es ratsam, Texte, Beschriftungen und Gravuren auf bearbeiteten Teilen auf ein Minimum zu reduzieren. Diese Merkmale sollten bei Bedarf eingebaut werden, führen jedoch zu höheren Kosten für Werkzeugwechsel und einer verringerten Schnittgeschwindigkeit.

Geprägte Texte sollten vermieden und durch „geprägten“ Text ersetzt werden, da dieser weniger Materialabtrag und weniger Arbeitsgänge erfordert. Verwenden Sie Schriftarten ohne Serifen und ziehen Sie andere Gravurverfahren in Betracht, wenn eine Schriftgröße von weniger als 20 pt erforderlich ist, da hierfür ungewöhnlich kleine Werkzeuge erforderlich sind.

Berücksichtigen Sie das Verhältnis von Tiefe zu Breite in Hohlräumen

Kavitäten, die tiefer als sechs Werkzeugdurchmesser sind, werden übermäßig tief. Streben Sie in der Regel eine Grenze von 4 x Fräserdurchmesser an.

Merkmale tiefer Bohrungen erhöhen das Risiko, dass Werkzeuge hängen bleiben, verringern die Genauigkeit, da sie eine übermäßige Werkzeugablenkung ermöglichen, erschweren das Entfernen von Spänen und erhöhen das Risiko eines Fräserbruchs erheblich.

Stumpfe Werkzeugachsen-Innenkanten mit Radius

Schneidwerkzeuge sind zylindrisch, daher können Kanten, die nicht senkrecht zur Werkzeugachse sind, nicht „scharf“ sein, obwohl einige durch erhebliche zusätzliche Prozesse möglich sind. Um den Verschleiß/die Belastung des Werkzeugs zu reduzieren, empfiehlt es sich, Innenrundungen zu verwenden, deren Radius mindestens das 1.2-fache des erwarteten Fräserradius beträgt.

Es ist nicht ratsam, kleinere Werkzeuge zu verwenden, um kleinere Radien/Rundungen an Innenecken zu erzielen, es sei denn, es ist unbedingt erforderlich. Eine Methode, dies zu vermeiden, besteht darin, in Problembereichen einen kleinen Hinterschnitt vorzunehmen, damit die virtuelle Innenecke rechtwinklig ist.

Vermeiden Sie eine zu große Gewindetiefe

Ein Gewindeschneiden von mehr als dem 3-fachen Lochdurchmesser bringt in der Regel keine Vorteile für die Festigkeit und sollte vermieden werden. Dies verringert das Risiko von Wasserhahnbrüchen, die kostspielige Folgen haben. Wenn Löcher blind gebohrt werden, ist es von Vorteil, eine ungebohrte Länge des Lochs zu lassen, um ein Durchschlagen des Lochs oder des eingeschlossenen Bohrguts zu vermeiden. Einen Hahn auf den Boden zu drücken ist eine gute Möglichkeit, ihn abzubrechen.

Reduzieren Sie kleine interne Funktionen

In der Regel sind Fräser kleiner als 2.5 mm nicht empfehlenswert, da interne Merkmale dieser Größe oder kleiner unmöglich sind. Externe Merkmale können jedoch in manchen Aspekten kleiner als der Fräser sein. Denken Sie jedoch daran, dass kleine Fräser flache Schnitte erfordern und die Bearbeitungszeit erheblich verlängern.

Versuchen Sie, Standardgrößen für Löcher zu verwenden

Halten Sie sich bei den Bohrergrößen nach Möglichkeit an ganze Millimeterschritte und versuchen Sie, die Anzahl unterschiedlicher Lochgrößen an einem Bauteil zu begrenzen. Dies vermeidet die Notwendigkeit spezieller Bohrer/Fräser (die oft maßgefertigt werden) und reduziert die Notwendigkeit von Werkzeugbewegungen senkrecht zum Fräser, die den Prozess verlangsamen.

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Spezifische Designhinweise

Allgemeine Toleranzen

Bedenken Sie beim Entwurf Ihrer Teile, dass Kanten standardmäßig entgratet werden. Wenn Sie scharfe Kanten wünschen, geben Sie dies also in einer Zeichnung an.

Gehen Sie von den folgenden allgemeinen Toleranzen aus:

Sie sollten Toleranzen für einzelne Merkmale und Maße angeben, je nachdem, wie es das Design erfordert. Beachten Sie, dass engere Toleranzen eine langsamere Verarbeitung und möglicherweise zusätzliche Werkzeugwechsel und höhere Ausschussraten erfordern.

Insbesondere die Lochbasis- und Wellenbasistoleranzen sind für die Funktion beweglicher Teile von entscheidender Bedeutung und sollten daher wie folgt spezifiziert werden.

Beachten Sie, dass enge Toleranzen bei der Kunststoffbearbeitung viel schwieriger einzuhalten sind, da die Materialien flexibel sind, es sei denn, der betreffende Kunststoff ist sehr starr - Tufnol/Garolite ist ein Kunststoff, der enge Toleranzen zulässt. Es besteht auch die Tendenz, dass innere Spannungen in Kunststoffrohlingen durch die Bearbeitung freigesetzt werden, was zu groben Verformungen/Ungenauigkeiten der Teile führt.

Materialauswahl

Der Rohling oder Materialrohling ist das Stück Rohmaterial, aus dem ein Teil geschnitten wird. Es empfiehlt sich, bei der Konstruktion für die CNC-Fertigung mehrerer Teile die von einem Lieferanten verfügbaren Rohlingsgrößen zu berücksichtigen, um Abfall zu minimieren. Die Materialkosten für ein oder mehrere Teile ergeben sich aus den BLANK-Kosten und nicht aus dem verbleibenden Materialgewicht/-volumen.

Es empfiehlt sich, bei der Bearbeitung einen Spielraum zu belassen, damit alle äußeren Rohlingsflächen bearbeitet werden, anstatt sich auf einen präzisen Schnitt und die Passung der Außenflächen zu verlassen.

Bei der Wahl des Rohlings müssen auch die Spannmethoden berücksichtigt werden, um eine minimale Anzahl von Setup-Änderungen im Nettoherstellungsprozess zu ermöglichen.

Die Auswahl der Materialien ist in erster Linie eine Designüberlegung, aber auch Faktoren wie die einfache Bearbeitung können die Wahl beeinflussen. Die Verwendung einer härteren oder weniger schnittfreudigen Werkstoffsorte, um beispielsweise den verfügbaren Rohlingsbestand einzuhalten, hat erhebliche negative Auswirkungen auf die Bearbeitungszeit, die Oberflächengüte und die Kosten.

Kunststoffe und Automatenmetalle wie Aluminium und Messing lassen sich leicht bearbeiten, was die Bearbeitungszeit und damit die Kosten senkt. Harte Materialien wie Werkzeugstähle und solche, die hart arbeiten Bei der Bearbeitung von Teilen aus rostfreiem Stahl, wie zum Beispiel bestimmten rostfreien Stählen, müssen Maschinen mit niedrigeren Werkzeugdrehzahlen und Achsenvorschubgeschwindigkeiten eingesetzt werden, was zu einer langsameren Bearbeitung führt - verbunden mit einem erheblich erhöhten Werkzeugverschleiß.

Aluminium schneidet im Allgemeinen mit etwa der vierfachen Vorschubgeschwindigkeit von Werkzeugstahl und achtmal schneller als die meisten rostfreien Stähle.

Metalloptionen für die CNC-Fertigung:

• Aluminium in verschiedenen Legierungen und Härten
• Messing
• Bronze und Marinebronze (Nickel-Aluminium-Bronze)
• Kupfer für Funkenerosionselektroden, Schützteile usw
• Edelstähle (austenitisch, martensitisch, Automatenstahl)
• Werkzeug-/Legierungsstähle in verschiedenen Härtezuständen (von freischneidend bis vollständig hart, was eine Funkenerosionsbearbeitung erfordert)
• Titan

Kunststoffoptionen für die CNC-Fertigung

• ABS
• Tufnol (faserverstärktes gegossenes Epoxidharz)
• POM (Acetal oder Delrin®)
• Kunststoffbälle
• PEEK
• PTFE
• Polycarbonate

Einschränkungen und Oberflächen

Innenradien

Beim CNC-Schneiden haben alle vertikalen Innenecken einen Radius, der gleich oder größer ist als der des Fräsers, mit dem sie hergestellt wurden. Werkzeuge/Fräser sind entweder von Natur aus rund oder schneiden rund, weil sie sich drehen. Produkt- und Komponentendesigns müssen diese Einschränkung berücksichtigen (oder gewinnbringend ausnutzen).

Wenn Sie diese Merkmale in der Entwurfsphase festlegen, ist es besser, einen Radius zu verwenden, der etwas größer ist als der Fräser, der das Merkmal bilden soll. Schaftfräser sind am effizientesten, wenn sie beim Drehen einer Innenecke weiter fräsen können. Wenn der Eckenradius mit dem Werkzeugradius übereinstimmt, stoppt der Fräser seine Bewegung, um die Richtung zu ändern, und dies kann zu Rattermarken in der Ecke führen, die im fertigen Teil schwer zu korrigieren sind.

Werkzeuge sind in sehr kleinen Radien erhältlich (normalerweise mindestens 0.5 mm), aber sie sind sowohl kurz als auch zerbrechlich. Die maximale Schnitttiefe für einen Fräser mit einem Radius von 0.5 mm beträgt 1.5 mm, was ihre Verwendbarkeit auf sehr kleine, kritische Merkmale stark einschränkt. Die daraus resultierenden größeren Werkzeuge und größeren Innenradien ermöglichen eine schnellere Bearbeitung.

Bodenfilets

Wo ein Schaft in einem Merkmal auf einen Boden trifft, beziehen sich die vertikalen Innenradien auf den Werkzeugdurchmesser (plus Kurvenzugabe). Die BODEN-Rundung sollte kleiner sein als die vertikalen Eckrundungen, damit ein Flachfräser ohne komplexe Mehrfachbearbeitung verwendet werden kann. Solche Flachfräser haben in der Regel minimale Eckradien – es kann jedoch ein Fräser mit abgerundeter Spitze verwendet werden. Der Radius am Boden wird durch den Radius der Fräserspitze festgelegt und ermöglicht schnelleres Schneiden, wenn dieser Radius eine größere Toleranz aufweist und eine KLEINER als die vertikale Rundung ist.

Hinterschneidungen

Hinterschneidungen sind manchmal unvermeidbar und haben keinen großen Einfluss auf die Bearbeitungszeit oder Werkzeugwechsel, wenn bestimmte Überlegungen beachtet werden.

• Erstellen Sie Hinterschnitte in Standardabmessungen (Millimeterschritte), um die Anfertigung individueller Werkzeuge zu vermeiden.
• Es gibt keine tatsächliche Tiefenbeschränkung für Hinterschnitte, aber flacher ist einfacher und erfordert weniger wahrscheinlich kundenspezifische Werkzeuge.
• Stellen Sie sicher, dass der Hinterschnitt auf allen Flächen erreicht werden kann. Beachten Sie die Radien aller Ecken im Überhang. Diese müssen Platz für den Schaft des Hinterschnittwerkzeugs bieten.
• Geben Sie keine Eckenradien an, die kleiner sind als die des Hinterschnittwerkzeugs.

Threads

Zum Formen von Gewinden in CNC-gefertigten Teilen werden verschiedene Techniken eingesetzt: normale Gewindebohrer, Gewindeformer und Gewindefräser. Welche Option auch immer die beste ist, befolgen Sie diese Regeln:

• Verwenden Sie das größte und gröbste Gewinde, das für diese Funktion geeignet ist. Bei kleineren Gewindedurchmessern werden schwächere Werkzeuge verwendet, die anfälliger für Brüche sind.
• Beschränken Sie den Gewindeschnitt auf das Dreifache des Durchmessers – oder wenn möglich weniger.
• Geben Sie Gewinde und Tiefen sorgfältig an, um Fehlinterpretationen bei der Bearbeitung nach Durchmesser zu vermeiden.
• Geben Sie die Tiefe der Bohrungen ohne Gewinde in Sacklöchern an, um ein Durchschlagen zu vermeiden und Schnitte zu ermöglichen.

Oberflächenveredelungen

CNC-Maschinenbauer bieten eine Vielzahl von Endbearbeitungen an:

• Die bearbeitete oder technische Oberfläche ermöglicht maximale praktische Vorschubgeschwindigkeiten und kann über die Merkmale eines einzelnen Teils hinweg variabel sein.
• Beim Kugelstrahlen entsteht durch Ablation von Granatperlen in einem Luftstrom ein mattes und gleichmäßiges Finish. Dies wird von Hand durchgeführt (außer bei großen Produktionsläufen, bei denen es automatisiert werden kann). Das Abdecken und Verschließen von Löchern, um Bereiche mit hohen Toleranzen beizubehalten, erhöht die Kosten.
• Satiniertes und klares Eloxieren erzeugt eine gleichmäßig matte oder halbglänzende Oxidoberfläche auf Aluminiumteilen – kann farbig oder klar sein.
• Hartanodisierung ist dicker und verschleiß-/korrosionsbeständiger als Satin oder Klar.
• Bei der Pulverbeschichtung handelt es sich um ein auf Pulver basierendes, elektrostatisch aufgetragenes und wärmehärtendes Lackierverfahren. Dabei handelt es sich um eine robuste Schicht, die viel widerstandsfähiger ist als lösungsmittelbasierte oder Epoxidfarben.