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CNC-Prototypenbearbeitung: Alles, was Sie wissen müssen

Tauchen Sie ein in die CNC-Prototypenbearbeitung – ein präziser Prozess mit Computersteuerung für funktionale Prototypen. Entdecken Sie Typen, Produktionsschritte, Anwendungen und Vorteile.
HITOP / Der Blog / <a href="https://hitopindustrial.com/de/cnc-prototypenbearbeitung/" title="CNC-Prototypenbearbeitung: Alles, was Sie wissen müssen">CNC-Prototypenbearbeitung: Alles, was Sie wissen müssen

Das Wesentliche bei der Produktion ist die Umsetzung einer Idee in ein greifbares Produkt. Hier kommen Prototypen ins Spiel. Sie sind wie echte Versionen einer Idee, die Ingenieuren und Designern helfen, ihre Kreationen zu testen und zu verbessern. Es ist interessant festzustellen, dass es verschiedene Methoden gibt, mit denen Sie Prototypen erstellen können. Prototypen, Und CNC-Prototypenbearbeitung ist besonders. 

CNC-Prototypenbearbeitung verstehen

CNC-Prototypenbearbeitung

Wie der Name schon sagt, wird zur Herstellung eines Prototyps eine CNC-Maschine (Computerized Numerical Control) verwendet. Ziel des Prozesses ist es, ein physisches und funktionales Modell zu erstellen, das dem Endprodukt in Aussehen, Verhalten oder beidem ähnelt. Hersteller verwenden diese Technik, um Fehler zu beheben, bevor sie in größerem Maßstab produzieren. Abgesehen davon, dass es hilft, Fehler zu beseitigen, senkt es auch die Gesamtkosten.   

Arten von Prototypen

Visueller Prototyp

Dieser aus Schaumstoff, Ton oder Kunststoff hergestellte Prototyp ist nicht funktionsfähig, vermittelt Ihnen aber eine visuelle Vorstellung davon, wie das Produkt aussehen wird. Designer verwenden solche Modelle, um das Aussehen des Produkts zu beurteilen. 

Proof-of-Concept-Prototyp

Ein unvollständiger Prototyp, der zwar funktioniert, aber nicht genau dem Endprodukt entspricht. Im Grunde hilft dieses Modell dabei, die Idee zu etablieren und zu beurteilen, ob sie unter realen Bedingungen gut funktioniert. Schaumstoff, Karton und 3D-gedruckt Zu ihrer Herstellung werden Einzelteile verwendet. 

Präsentationsprototyp

Sorgfältig erstellter Prototyp, der für Marketingzwecke oder zur Vorführung vor potenziellen Investoren konzipiert wurde. Metall, Glas, hochwertiger Kunststoff oder andere hochwertige Materialien werden zur Herstellung dieses detaillierten Prototyps verwendet. 

Funktionierender Prototyp

Ein funktionales Produkt, das genauso funktioniert wie das Endprodukt. Für die Herstellung werden hochwertige Materialien wie Glas, Metall oder hochwertiger Kunststoff verwendet.

CNC Prototypenfertigung

Schritt 1: Designidee und 3D-Dateierstellung

  • Produktdesigner und Ingenieure führen Brainstormings durch und skizzieren verschiedene Designkonzepte. Dabei konzentrieren sie sich auf Funktionalität, Ästhetik und Herstellbarkeit.
  • Der Entwurf wird mithilfe einer CAD-Software in ein detailliertes 3D-Modell umgesetzt. Dieses Modell definiert alle Abmessungen, Merkmale und Toleranzen des endgültigen Prototyps.

Schritt 2: Produktionsablauf und CNC-Programmierung

  • Ingenieure legen die optimale Reihenfolge der Bearbeitungsvorgänge fest. Dabei berücksichtigen sie Werkzeugwechsel, Materialabtragseffizienz und die Minimierung des Maschinenwegs.
  • Basierend auf der Sequenz generiert eine spezielle Software G-Code-Anweisungen. Diese teilen der CNC-Maschine mit, wie sie ihre Werkzeuge bewegen, Einstellungen anpassen und letztendlich den Prototyp erstellen soll.

Schritt 3: Produktion (Bearbeitung)

  • Das gewählte Material (Kunststoff, Metall, Holz etc.) wird auf dem Maschinenbett befestigt.
  • Verschiedene Schneidwerkzeuge wie Bohrer, Fräser und Schaftfräser werden programmgesteuert ausgewählt und während des Prozesses automatisch ausgetauscht.
  • Die CNC-Maschine befolgt die G-Code-Anweisungen akribisch und entfernt Stück für Stück Material, um die gewünschten Merkmale und Geometrien des Prototyps zu bilden.

CNC-Prototyping-Vorgänge

Mahlen

CNC-Fräsmaschine

Mahlen ist ein subtraktiver Prototypenherstellungsprozess, bei dem ein rotierendes zylindrisches Werkzeug mit mehreren Schneidzähnen Material von einem festen Block entfernt und die gewünschte Form erzeugt. Mit dem Verfahren können komplexe Geometrien, Konturen, Schlitze und komplizierte Merkmale mit Materialien wie Metallen, Kunststoffen und Holz erzeugt werden. 

Verwendete Maschinen: 3-Achs-, 4-Achs- und 5-Achs-Fräsmaschinen werden häufig verwendet.

Anwendungen: Prototypen mit komplizierten Details, funktionalen Komponenten und präzisen Abmessungen, wie Getriebe, Gehäuseeinheiten und elektronische Komponenten.

Drehen

Beim Drehen, auch Drehbearbeitung genannt, wird ein zylindrisches Werkstück gegen ein stationäres Schneidwerkzeug gedreht. Das Werkzeug entfernt Material, während sich das Werkstück dreht, und bringt es in die gewünschte Form. Damit können Wellen, Buchsen und Zahnräder hergestellt werden. Es kann auch für die wiederholte Bearbeitung identischer Teile verwendet werden.

Verwendete MaschinenDrehwerkzeuge wie etwa Revolverdrehmaschinen mit Werkzeughaltern für den automatischen Werkzeugwechsel und Langdrehmaschinen für die Bearbeitung langer, schlanker Teile.

Anwendungen: Prototypen für Kolben, Lager und Befestigungsmaterial.

Drehmaschine, CNC-Prototypenbearbeitung

Mehrachsige Bearbeitung

5-Achsen-CNC-Maschine

Bei der mehrachsigen Bearbeitung kommen Maschinen mit mehr als drei Bewegungsachsen zum Einsatz. Dadurch kann sich das Schneidwerkzeug dem Werkstück aus verschiedenen Winkeln nähern und komplexe Geometrien bearbeiten. Das Verfahren eignet sich perfekt für komplexe Teile mit komplizierten Merkmalen und Hinterschnitten. 

Maschinen: 4-Achsen- und 5-Achsen-Maschinen, wobei einige fortschrittliche Maschinen bis zu 9 Achsen erreichen.

Anwendungen: Prototypen für Formen, medizinische Implantate und komplexe mechanische Komponenten.

Einsatzmöglichkeiten der CNC-Prototypenbearbeitung in verschiedenen Branchen

Schifffahrtsindustrie

Die Branche verlangt die Herstellung von Wassertransportmitteln in großem Maßstab und mit hochwertiger Handwerkskunst. Deshalb ist Automatisierung mit CNC-Bearbeitung erforderlich, um die Anforderungen zu erfüllen. Vom Rumpf bis zur Innenausstattung sind diese Geräte in der Lage, alles zu erledigen. Zum Beispiel CNC-Fräsen, Elektroerosive Bearbeitungund andere derartige Techniken helfen beim Entwurf und der Entwicklung von Bootsteilen für den Bau. 

Automobilindustrie

Bevor ein neues Automodell in Produktion geht, werden mehrere Prototypen erstellt und getestet. Zur Erstellung dieser Prototypen wird CNC-Bearbeitung eingesetzt, sodass Ingenieure das Design, die Funktionalität und die Leistung des Autos testen können. Von großen Motorteilen bis hin zu kleinen Zahnrädern kann die CNC-Bearbeitung alles herstellen. Ein Beispiel hierfür ist ein Verbrennungsmotor, bei dem mehrere CNC-Bearbeitungsprozesse zum Einsatz kommen. Dazu kann die Umwandlung großer Metallblöcke in Motorkarosserieteile oder die Herstellung von Kolben und Zylindern gehören. 

Luft- und Raumfahrt

Man geht davon aus, dass die Anforderungen der Luft- und Raumfahrtindustrie das Wachstum und die Entwicklung der CNC-Industrie vorangetrieben haben. Dennoch erfordert die erstere Ausrüstung, die mit einem Fokus auf Sicherheit und hohe Qualität hergestellt wird, etwas, das CNC erfüllen kann. Sie werden also auf mehrere Komponenten stoßen, die in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden und mit CNC entwickelt wurden, wie z. B. Antennen, Fahrwerk, Verteiler, Buchsen und mehr.

Elektronik 

In der Elektronikindustrie sind häufig Kleinserien gefragt, die konsistent sein müssen. Die CNC-Bearbeitung eignet sich gut für die Bearbeitung von Innen- und Außenteilen in der Unterhaltungselektronikbranche. Das beste Beispiel hierfür sind Metalllegierungsgehäuse von Smartphones. Für deren Herstellung werden häufig CNC-Fräsmaschinen und CNC-Fräser eingesetzt. Weitere elektronische Komponenten, die davon profitieren, sind Leiterplatten, Vorrichtungen, Gehäuse und Kühlkörper. 

Militär- und Verteidigungsindustrie

Ihre Bedürfnisse ähneln denen der Luft-und Raumfahrtindustrie und kann in der militärischen Forschungs- und Entwicklungsabteilung von großem Nutzen sein. Letzteres wird bekanntermaßen zur Herstellung von Flugzeugen, Kriegsfahrzeugen und vielen weiteren Anwendungen eingesetzt. Der Grund für die Verwendung liegt in der Fähigkeit der CNC-Maschine, nahtlos mit den härtesten Materialien zu arbeiten. 

Medizinbranche

Um die Herstellung von Teilen mit Mikropräzision zu gewährleisten, werden in der Medizinbranche CNC-Maschinen eingesetzt. Von Metallen bis hin zu Kunststoffen können verschiedene Materialien verwendet werden, die die Medizinbranche nutzen kann. Beispielsweise kann das CNC-Bearbeitungsverfahren für Biopsieröhrchen, Implantathalter, Prothesen, chirurgische Scheren und mehr verwendet werden. Diese erfordern enge Toleranzen und sollten hochgenau und präzise funktionieren. 

Öl- und Energieindustrie

Seine Verwendung beschränkt sich nicht nur auf die Herstellung von Prototypen für zerbrechliche Gegenstände; es wird auch für Produkte mit hoher physikalischer Festigkeit verwendet, wie etwa im Öl- und Energiesektor. Die Industrie braucht Teile, die dabei helfen können, Produkte tief im Erdkern abzubauen. Im Energiesektor hilft es, negative Auswirkungen auf die Umwelt zu reduzieren. 

Vorteile der CNC-Prototypenbearbeitung

Für einen Hersteller bietet der Einsatz der CNC-Prototypenbearbeitung im Fertigungsprozess eine Reihe von Vorteilen. Sehen wir uns einige davon an. 

Umfangreiches Materialsortiment

Diese Maschinen sind mit einer Reihe von Materialien kompatibel, und das Beste daran ist, dass die meisten von ihnen langlebig sind. Dazu gehören Aluminium, Edelstahl, Zink, Stahl, Magnesium, Titan, Messing, Kupfer und Bronze. 

Qualität und Konsistenz

Im Gegensatz zu anderen Maschinen, die auf Menschen und ihre Fähigkeiten angewiesen sind, arbeiten CNC-Maschinen nach Anweisung. Darüber hinaus können sie den Vorgang wiederholen, ohne Änderungen am Prototyp vorzunehmen. Dies hilft bei der Herstellung neuer Iterationen aus dem vorhandenen Prototyp. Dies bedeutet auch, dass dieselbe Maschine zur Herstellung der Endprodukte verwendet werden kann. 

Erschwinglich

Da CNC-Maschinen kleine Stückzahlen von Prototypen herstellen können, kann der Hersteller prüfen, wie das Produkt aussehen oder funktionieren wird. So können sie Geldverluste vermeiden, da sie alle Fehler beheben können, die in einer kleinen Charge auftreten.  

Spart Zeit

Da keine Formen und andere Voraussetzungen hergestellt werden müssen, spart CNC-Maschinen Zeit. Außerdem können Designs schneller geändert werden, da nur Änderungen in der CAD- und CAM-Software erforderlich sind und die Maschine den Rest selbst erledigt. 

Warum CNC-Bearbeitung statt 3D-Druck wählen?

Zweifellos sind CNC-Maschinen dem 3D-Druck bei der Prototypenentwicklung überlegen. Hier sind einige Gründe dafür:

  • Mit CNC-Bearbeitung hergestellte Teile sind präziser, da die Maschine engere Toleranzen einhalten kann.
  • Der schichtweise Aufbauprozess in 3d Drucken macht es schwierig, das rohe Potenzial von Hochleistungswerkstoffen voll auszuschöpfen. Andererseits bleiben durch die CNC-Bearbeitung die Festigkeit und Stabilität dieser Werkstoffe erhalten. 

Vorbereiten von CAD-Modellen für die CNC-Prototypenbearbeitung: Einige Tipps

Sie können Ihr Design für die Fertigung jederzeit verbessern, da dies Ihre Chancen auf die Herstellung eines erfolgreichen Prototyps erhöht. Folgendes können Sie tun:  

Hohlräume, Kanten, Löcher und Wände sorgfältig umsetzen.

Maschinen unterliegen Einschränkungen, und das gilt auch für CNC-Maschinen. Daher wird empfohlen, die verschiedenen Abschnitte Ihres CAD-Modells sorgfältig zu optimieren. 

Tiefe und Durchmesser der Hohlräume: Die meisten Schaftfräser können nur das Drei- bis Vierfache ihres Durchmessers schneiden. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, sollten Sie die Kavitätstiefe innerhalb dieser Grenze halten.

Kanten: Berücksichtigen Sie den Durchmesser des Schneidwerkzeugs, wenn Ihr Design Ecken hat.

CNC-Prototypenbearbeitung, CAD-Modelle

Löcher: Standardbohrer haben Einschränkungen, achten Sie also auf die benötigte Größe und Tiefe. Wenn Ihr Loch einen präzisen Durchmesser erfordert, sollten Sie Reibahlen und Bohrwerkzeuge in Betracht ziehen.  

Wandstärke: Dünne Wände neigen zum Vibrieren, was dazu führen kann, dass das Schneidwerkzeug die Oberflächengüte beeinträchtigt. Halten Sie die Wandstärke daher mindestens 0,8 mm oder mehr.

Wählen Sie CAD-Software mit Bedacht aus.

Diese CAD-Anwendung hat die Entwicklung zahlreicher CAD-Softwareanwendungen vorangetrieben. Einige davon sind zweifellos effektiv, während andere zu komplex sind, um sie zu verstehen und zu bedienen. Wählen Sie daher die richtigen CAD-Anwendungen für Ihre spezifische Branche. Beispielsweise funktioniert die für den Maschinenbau und die Blechbearbeitung entwickelte Software möglicherweise nicht für die Architektur und umgekehrt. 

Checkliste im Voraus erstellen

Erstellen Sie eine Checkliste für die Designs und Funktionen, die Sie im endgültigen Prototyp wünschen. Dies spart Ihnen später Zeit und Mühe, wenn das Design geändert werden muss. 

Machen Sie einfache Zeichnungen

Während es mehrere Methoden gibt, einen Prototyp zu entwerfen, ist die Vereinfachung von Entwürfen die beste Strategie, um den Bearbeitungsprozess zu minimieren. Teilen Sie beispielsweise die Zeichnung in zwei Teile auf und setzen Sie diese später zusammen, wenn der Entwurf kompliziert ist.

Wie wählen Sie verschiedene Schneidwerkzeuge bei der CNC-Bearbeitung aus?

Beachten Sie bei der Auswahl von Schneidwerkzeugen für die CNC-Bearbeitung Folgendes:

  • Materialart: Dies ist wichtig, da Werkzeugmaterialien und -geometrien je nach Material variieren.
  • Mechanische Eigenschaften des Materials. Wenn die Schnittgeschwindigkeit nicht optimal ist, werden sowohl die Schneidleistung als auch die Lebensdauer des Werkzeugs beeinträchtigt. Beispielsweise erfordert ein hartes Material eine andere Schnittgeschwindigkeit als ein weiches Material. 
  • Schneidleistung. Um die Leistung des Werkzeugs zu verbessern, überprüfen Sie dessen Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe. Prüfen Sie auch, ob es der von Ihnen angewendeten Schneidkraft standhält. 
  • Schnittstabilität. Sie hilft, Vibrationen und Resonanzen zu vermeiden. Um dies sicherzustellen, prüfen Sie die Steifigkeit und Stabilität des Werkzeugs.
  • Lebensdauer des Werkzeugs: Je länger die Haltbarkeit, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit eines Austauschs oder einer Reparatur. Dies hilft auch, Geld zu sparen. 
  • Kosten: Bewerten Sie das Preis-Leistungs-Verhältnis des Schneidwerkzeugs. Stellen Sie sicher, dass ein günstiges Gleichgewicht zwischen dem Preis des Werkzeugs und seiner Leistung besteht. 

Abschiedsgedanken

CNC-Prototypen können sich als eine Investition erweisen, die Sie später nicht bereuen werden. Wenn Sie also Pläne haben, Verbessern Sie Ihre Fertigung, dann denken Sie nicht weiter darüber nach. Diese Maschine wird Ihren Weg vom Pixel zum Prototypen einfach und lohnenswert machen. Und vergessen Sie Ihr Ziel nicht aus den Augen; das ist die wichtigste Überlegung! 

FAQs

Wie sieht der normale Arbeitsablauf bei der CNC-Prototypenbearbeitung aus?

Der Prozess beinhaltet 

  • 3D-CA3D-CAD-Modellerstellung
  • CAM-Programmierung 
  • Maschineneinrichtung
  • Bearbeitungsprozess 
  • Endbearbeitung und Inspektion

Wie viel kostet die CNC-Prototypenbearbeitung?

Die Kosten für die CNC-Prototypenbearbeitung hängen von mehreren Faktoren ab, darunter:

  • Art des Materials
  • Arbeitskosten
  • Teiledesign 
  • Geometrie
  • Präzision und Toleranzen 

Wie lange dauert die Erstellung eines CNC-Prototyps?

Die Bearbeitungszeit für CNC-Prototypen kann je nach Komplexität des Designs und Arbeitsauslastung der Maschine zwischen einigen Tagen und einigen Wochen variieren.

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