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Fräsgerechtes Konstruieren – Grundlagen

Verfahrensgerechtes Konstruieren

Fertigungsgerechtes Konstruieren bedeutet, bereits in der Konstruktionsphase die Fertigung des Bauteils zu berücksichtigen. Dabei gilt es, die Fertigungsverfahren, die für die Herstellung des Bauteils notwendig sind, zu kennen und deren Anforderungen und Grenzen zu beachten. Je nach Konstruktion ist es auch möglich ein Bauteil mit verschiedenen Fertigungskonzepten herzustellen. Es ist häufig sinnvoll, diese Konzepte miteinander zu vergleichen, um aus Funktions-, Qualitäts- und Kostensicht die beste Lösung zu finden. Neben der Einzelteilfertigung sollte zudem die montagegerechte Gestaltung berücksichtig werden, um den Zusammenbau zum Gesamtsystem möglichst reibungslos und kostengünstig zu gestalten.

“Good practise” der Frästeilkonstruktion

Mit der Berücksichtigung einiger grundlegenden Konstruktionsprinzipien lassen sich Frästeile fertigungs-, bzw. verfahrensgerecht gestalten. Die Beachtung dieser Kriterien spart Entwicklungszeit durch wegfallende Iterationsschleifen, reduziert die Fertigungskosten und kann unter Umständen die Herstellung des Bauteils überhaupt erst ermöglichen. 

Generell gilt es, sog. „Overengineering“ zu vermeiden, sich also zu überlegen, welche die notwendigen Eigenschaften und Features sind, die das Bauteil benötigt, um seine Funktion zu erfüllen. Durch die Reduzierung auf das Notwendige können meist auch Bearbeitungsschritte eingespart werden. Für das Fräsen bedeutet eine geringere Bauteilkomplexität in der Regel kürzere Bearbeitungszeiten und somit niedrigere Bauteilkosten. Konkret heißt das beispielsweise, Freiformflächen zu vermeiden, das Bauteil aus einfachen geometrischen Grundkörpern aufzubauen und wo möglich (außer bei Innentaschen, siehe unten) auf Rechtwinkligkeit zurückzugreifen. Dieses Prinzip der anforderungsgerechten Gestaltung gilt auch für die Materialauswahl. Weichere Werkstoffe und Legierungen beispielsweise sind einfacher zu bearbeiten und die Frästeile können mit geringerem Zeitaufwand und günstigeren Werkzeugen hergestellt werden, sofern die Funktion keinen Werkstoff explizit bedingt (siehe auch Abschnitt Werkstoffe). 

Im Bearbeitungsprozess entsteht bedingt durch den rotierenden Fräser bei Innenkonturen, Taschen und vergleichbaren Geometrien immer ein Radius, „scharfe Innenecken“ sind nicht direkt im Fräsprozess herstellbar. Es sollten daher von vornherein Radien vorgesehen werden. Dabei gilt in der Regel: je größer der Radius, desto größer kann das Fräswerkzeug gewählt werden, was wiederum einen größeren Materialabtrag und somit kürzere Bearbeitungszeiten ermöglicht. 

Innentaschen beim CNC-Fräsen

Hinterschnitte sind mittels Fräsen bis auf wenige Ausnahmen nicht Herstellbar und sind daher zu vermeiden. Ausnahmen stellen beispielweise T-Nuten dar, die mit speziellen Fräsern gefertigt werden können. 

Dünnwandige Elemente und Wandstärken unter 1 mm (Richtwert; Untergrenze hängt im Einzelfall von verschiedenen Faktoren ab) sollten vermieden werden. Während der Fräsbearbeitung können niedrige Wandstärken zu Schwingungen neigen und unter Umständen zu Qualitätseinbußen führen. 

Vertiefungen und Taschen sollten für den Fräsprozess nicht übermäßig tief ausgeführt werden, da unter Umständen Spezialwerkzeuge für deren Herstellung notwendig sind. Zudem besteht die Gefahr, dass auf Grund der großen Tiefe ein möglicher Kontakt zwischen Werkzeugaufnahme und Frästeil die Erzeugung der Vertiefung verhindert. Als Richtwert kann ein Verhältnis von Tiefe zu Länge von ca. 3:1 herangezogen werden. 

Zur Fräsbearbeitung muss das Halbzeug mittels geeigneter Spanntechnik in der Maschine befestigt werden. Dieses Aufspannen benötigt Zeit, in welcher die Fräsbearbeitung pausieren muss und bedarf zudem meist ein Eingreifen des Maschinenbedieners. Bei modernen CNC-Maschinen ist das Spannen häufig der einzige manuelle Arbeitsschritt und wirkt sich daher deutlich auf die Bearbeitungszeit und auf die Kosten aus (weiterführende Informationen zu Maschinen und Anlagen im Abschnitt Fräsmaschinen). Idealerweise wird ein Frästeil daher nur einmal zu Beginn der Bearbeitung aufgespannt und kann in dieser Position vollständig bearbeitet werden. Wenn dies nicht möglich ist, ist jedoch darauf zu achten, dass die Anzahl der Umspannvorgänge auf ein Minimum reduziert wird. 

Das Fräsen bietet die Möglichkeit, komplexe Teile aus einem Stück zu fertigen. Dies spart zusätzliche Bearbeitungs- und Montageschritte und verbessert die Toleranzen des Gesamtsystems. 

Literatur und Links

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