Kundenspezifische Herstellung von Metallteilen mit 5-Achsen-Bearbeitung

Kundenspezifische Herstellung von Metallteilen mit 5-Achsen-Bearbeitung

Autor:PFT, Shenzhen

Abstrakt:Die moderne Fertigung erfordert in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Medizin und Energie zunehmend komplexere und hochpräzise Metallkomponenten. Diese Analyse untersucht die Möglichkeiten moderner 5-achsiger CNC-Bearbeitung (Computerized Numerical Control) zur Erfüllung dieser Anforderungen. Anhand von Benchmark-Geometrien, die für komplexe Impeller und Turbinenschaufeln repräsentativ sind, wurden Bearbeitungsversuche durchgeführt, bei denen 5-achsige mit herkömmlichen 3-achsigen Methoden an Titan (Ti-6Al-4V) und Edelstahl (316L) in Luft- und Raumfahrtqualität verglichen wurden. Die Ergebnisse zeigen eine 40–60 % kürzere Bearbeitungszeit und eine Verbesserung der Oberflächenrauheit (Ra) um bis zu 35 % bei der 5-achsigen Bearbeitung, was auf weniger Rüstzeiten und eine optimierte Werkzeugausrichtung zurückzuführen ist. Die geometrische Genauigkeit für Merkmale mit einer Toleranz von ±0,025 mm stieg durchschnittlich um 28 %. Obwohl die 5-achsige Bearbeitung im Vorfeld erhebliche Programmierkenntnisse und Investitionen erfordert, ermöglicht sie die zuverlässige Herstellung bisher nicht realisierbarer Geometrien mit überragender Effizienz und Oberflächengüte. Diese Möglichkeiten machen die 5-achsige Technologie unverzichtbar für die hochwertige, komplexe kundenspezifische Metallteilfertigung.

1. Einleitung
Das unermüdliche Streben nach Leistungsoptimierung in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt (die leichtere, stabilere Teile verlangt), der Medizin (die biokompatible, patientenspezifische Implantate benötigt) und der Energiebranche (die komplexe Komponenten zur Flüssigkeitshandhabung braucht) hat die Grenzen der Komplexität von Metallteilen verschoben. Die herkömmliche 3-Achsen-CNC-Bearbeitung ist durch begrenzten Werkzeugzugang und mehrere erforderliche Aufspannungen eingeschränkt und hat mit komplizierten Konturen, tiefen Hohlräumen und Merkmalen, die zusammengesetzte Winkel erfordern, zu kämpfen. Diese Einschränkungen führen zu Genauigkeitseinbußen, längeren Produktionszeiten, höheren Kosten und Designbeschränkungen. Bis 2025 ist die Fähigkeit, hochkomplexe Präzisionsmetallteile effizient herzustellen, kein Luxus mehr, sondern eine Wettbewerbsnotwendigkeit. Die moderne 5-Achsen-CNC-Bearbeitung, die die gleichzeitige Steuerung von drei linearen Achsen (X, Y, Z) und zwei Rotationsachsen (A, B oder C) bietet, stellt eine bahnbrechende Lösung dar. Diese Technologie ermöglicht es dem Schneidwerkzeug, sich dem Werkstück in einer einzigen Aufspannung aus praktisch jeder Richtung zu nähern, wodurch die mit der 3-Achsen-Bearbeitung verbundenen Zugangsbeschränkungen grundlegend überwunden werden. Dieser Artikel untersucht die spezifischen Fähigkeiten, quantifizierten Vorteile und praktischen Implementierungsaspekte der 5-Achsen-Bearbeitung für die kundenspezifische Produktion von Metallteilen.

2. Methoden
2.1 Design und Benchmarking
Mit der CAD-Software Siemens NX wurden zwei Benchmark-Teile entworfen, die die üblichen Herausforderungen der kundenspezifischen Fertigung verkörpern:

Laufrad:Mit komplexen, gedrehten Blättern mit hohem Seitenverhältnis und engen Abständen.

Turbinenschaufel:Mit zusammengesetzten Krümmungen, dünnen Wänden und präzisen Montageflächen.
Diese Konstruktionen enthielten absichtlich Hinterschnitte, tiefe Taschen und Merkmale, die einen nicht-orthogonalen Werkzeugzugriff erforderten, und zielten speziell auf die Einschränkungen der 3-Achsen-Bearbeitung ab.

2.2 Materialien und Ausrüstung

Materialien:Titan in Luft- und Raumfahrtqualität (Ti-6Al-4V, geglühter Zustand) und Edelstahl 316L wurden aufgrund ihrer Relevanz für anspruchsvolle Anwendungen und ihrer ausgeprägten Bearbeitungseigenschaften ausgewählt.

Maschinen:

5-Achsen:DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (Heidenhain TNC 640-Steuerung).

3-Achsen:HAAS VF-4SS (HAAS NGC-Steuerung).

Werkzeuge:Zum Schruppen und Schlichten kamen beschichtete Vollhartmetallfräser (verschiedene Durchmesser, Kugelkopf- und Flachkopffräser) von Kennametal und Sandvik Coromant zum Einsatz. Die Schnittparameter (Geschwindigkeit, Vorschub, Schnitttiefe) wurden anhand der Empfehlungen des Werkzeugherstellers und kontrollierter Testschnitte je nach Material und Maschinenkapazität optimiert.

Werkstückspannung:Maßgefertigte, präzise gefertigte modulare Vorrichtungen gewährleisteten eine stabile Klemmung und wiederholbare Positionierung beider Maschinentypen. Bei den 3-Achsen-Versuchen wurden die zu drehenden Teile manuell mit Präzisionsdübeln neu positioniert, um typische Werkstattabläufe zu simulieren. Bei den 5-Achsen-Versuchen wurde die volle Drehfähigkeit der Maschine innerhalb einer einzigen Vorrichtung genutzt.

2.3 Datenerfassung und -analyse

Zykluszeit:Direkt von Maschinentimern gemessen.

Oberflächenrauheit (Ra):Gemessen mit einem Mitutoyo Surftest SJ-410-Profilometer an fünf kritischen Stellen pro Teil. Pro Material-/Maschinenkombination wurden drei Teile bearbeitet.

Geometrische Genauigkeit:Gescannt mit einem Koordinatenmessgerät (KMG) Zeiss CONTURA G2. Kritische Abmessungen und geometrische Toleranzen (Ebenheit, Rechtwinkligkeit, Profil) wurden mit CAD-Modellen verglichen.

Statistische Analyse:Für die Zykluszeit und Ra-Messungen wurden Durchschnittswerte und Standardabweichungen berechnet. Die CMM-Daten wurden auf Abweichungen von den Nennmaßen und Toleranzeinhaltungsraten analysiert.

Tabelle 1: Zusammenfassung des Versuchsaufbaus

3. Ergebnisse & Analyse
3.1 Effizienzgewinne
Die 5-Achsen-Bearbeitung ermöglichte erhebliche Zeiteinsparungen. Beim Titan-Impeller reduzierte die 5-Achsen-Bearbeitung die Zykluszeit im Vergleich zur 3-Achsen-Bearbeitung um 58 % (2,1 Stunden gegenüber 5,0 Stunden). Bei der Turbinenschaufel aus Edelstahl war eine Reduzierung um 42 % (1,8 Stunden gegenüber 3,1 Stunden) zu verzeichnen. Diese Einsparungen resultierten hauptsächlich aus dem Wegfall mehrerer Aufspannungen und der damit verbundenen manuellen Handhabungs- und Umspannzeiten sowie aus der Ermöglichung effizienterer Werkzeugwege mit längeren, kontinuierlichen Schnitten durch eine optimierte Werkzeugausrichtung.

3.2 Verbesserung der Oberflächenqualität
Die Oberflächenrauheit (Ra) verbesserte sich durch die 5-Achsen-Bearbeitung kontinuierlich. Auf den komplexen Schaufeloberflächen des Titan-Impellers sanken die durchschnittlichen Ra-Werte um 32 % (0,8 µm gegenüber 1,18 µm). Ähnliche Verbesserungen wurden bei der Turbinenschaufel aus Edelstahl beobachtet (Ra um 35 % reduziert, durchschnittlich 0,65 µm gegenüber 1,0 µm). Diese Verbesserung ist auf die Fähigkeit zurückzuführen, einen konstanten, optimalen Schneidkontaktwinkel aufrechtzuerhalten und die Werkzeugvibration durch eine höhere Werkzeugsteifigkeit bei kürzeren Werkzeugverlängerungen zu reduzieren.

3.3 Verbesserung der geometrischen Genauigkeit
Die KMG-Analyse bestätigte die überlegene geometrische Genauigkeit bei der 5-Achsen-Bearbeitung. Der Anteil kritischer Merkmale, die innerhalb der strengen Toleranz von ±0,025 mm lagen, stieg deutlich an: um 30 % beim Titan-Laufrad (92 % Konformität gegenüber 62 %) und um 26 % beim Edelstahl-Laufrad (89 % Konformität gegenüber 63 %). Diese Verbesserung ist direkt auf die Eliminierung kumulativer Fehler zurückzuführen, die durch mehrere Aufspannungen und manuelles Neupositionieren im 3-Achsen-Prozess entstehen. Merkmale mit komplexen Winkeln zeigten die größten Genauigkeitssteigerungen.

*Abbildung 1: Vergleichende Leistungskennzahlen (5-Achsen vs. 3-Achsen)*

4. Diskussion
Die Ergebnisse verdeutlichen die technischen Vorteile der 5-Achs-Bearbeitung für komplexe, kundenspezifische Metallteile. Die deutliche Verkürzung der Zykluszeit führt direkt zu niedrigeren Stückkosten und einer höheren Produktionskapazität. Die verbesserte Oberflächengüte reduziert oder eliminiert Nachbearbeitungsschritte wie Handpolieren. Dies senkt Kosten und Lieferzeiten weiter und verbessert gleichzeitig die Teilekonsistenz. Die verbesserte geometrische Genauigkeit ist entscheidend für Hochleistungsanwendungen wie Luft- und Raumfahrttriebwerke oder medizinische Implantate, bei denen Funktion und Sicherheit der Teile an erster Stelle stehen.

Diese Vorteile ergeben sich vor allem aus der Kernkompetenz der 5-Achs-Bearbeitung: Die simultane Mehrachsenbewegung ermöglicht die Bearbeitung in einer einzigen Aufspannung. Dadurch werden rüstbedingte Fehler und Bearbeitungszeiten vermieden. Darüber hinaus verbessert die kontinuierlich optimale Werkzeugausrichtung (bei Aufrechterhaltung der idealen Spanlast und Schnittkräfte) die Oberflächengüte und ermöglicht, sofern die Werkzeugsteifigkeit dies zulässt, aggressivere Bearbeitungsstrategien, was zu Geschwindigkeitsgewinnen beiträgt.

Für die praktische Umsetzung müssen jedoch gewisse Einschränkungen berücksichtigt werden. Die Investitionskosten für eine leistungsfähige 5-Achsen-Maschine und die entsprechenden Werkzeuge sind deutlich höher als für eine 3-Achsen-Maschine. Die Programmierkomplexität steigt exponentiell an; die Generierung effizienter, kollisionsfreier 5-Achsen-Werkzeugwege erfordert hochqualifizierte CAM-Programmierer und anspruchsvolle Software. Simulation und Verifizierung sind vor der Bearbeitung unerlässlich. Die Vorrichtung muss sowohl stabil als auch ausreichend Spiel für den vollen Drehweg bieten. Diese Faktoren erhöhen die erforderlichen Qualifikationen von Bedienern und Programmierern.

Die praktische Bedeutung ist klar: Die 5-Achsen-Bearbeitung eignet sich hervorragend für hochwertige, komplexe Komponenten, bei denen die Vorteile in Bezug auf Geschwindigkeit, Qualität und Leistungsfähigkeit den höheren Betriebsaufwand und die höheren Investitionen rechtfertigen. Für einfachere Teile ist die 3-Achsen-Bearbeitung nach wie vor wirtschaftlicher. Der Erfolg hängt von Investitionen in Technologie und qualifiziertes Personal sowie von robusten CAM- und Simulationstools ab. Eine frühzeitige Zusammenarbeit zwischen Konstruktion, Fertigungstechnik und Maschinenwerkstatt ist entscheidend, um die 5-Achsen-Möglichkeiten bei der Konstruktion von Teilen für die Herstellbarkeit (DFM) voll auszuschöpfen.

5. Fazit
Moderne 5-Achsen-CNC-Bearbeitung bietet im Vergleich zu herkömmlichen 3-Achsen-Methoden eine nachweislich bessere Lösung für die Herstellung komplexer, hochpräziser kundenspezifischer Metallteile. Die wichtigsten Ergebnisse bestätigen:

Signifikante Effizienz:Reduzierung der Zykluszeit um 40–60 % durch Einzelaufspannung und optimierte Werkzeugwege.

Verbesserte Qualität:Verbesserungen der Oberflächenrauheit (Ra) um bis zu 35 % durch optimale Werkzeugausrichtung und -kontakt.

Überlegene Genauigkeit:Durchschnittlich 28 % höhere Einhaltung kritischer geometrischer Toleranzen innerhalb von ±0,025 mm, wodurch Fehler durch mehrere Setups vermieden werden.
Die Technologie ermöglicht die Herstellung komplexer Geometrien (tiefe Hohlräume, Hinterschnitte, zusammengesetzte Kurven), die mit der 3-Achsen-Bearbeitung nicht praktikabel oder gar nicht möglich sind, und trägt so den sich wandelnden Anforderungen der Luft- und Raumfahrt, der Medizin und des Energiesektors Rechnung.

Um die Rentabilität der 5-Achsen-Bearbeitung zu maximieren, sollten sich Hersteller auf hochkomplexe und hochwertige Teile konzentrieren, bei denen Präzision und Lieferzeit entscheidende Wettbewerbsfaktoren sind. Zukünftige Arbeiten sollten die Integration der 5-Achsen-Bearbeitung mit prozessbegleitender Messtechnik für Echtzeit-Qualitätskontrolle und Closed-Loop-Bearbeitung untersuchen, um die Präzision weiter zu steigern und Ausschuss zu reduzieren. Die kontinuierliche Forschung an adaptiven Bearbeitungsstrategien, die die 5-Achsen-Flexibilität für schwer zerspanbare Materialien wie Inconel oder gehärtete Stähle nutzen, bietet ebenfalls wertvolle Impulse.