Was ist die CNC-Prototypenbearbeitung? Verfahren und Vorteile

Für kleine Unternehmen und Start-ups können herkömmliche Bearbeitungstechnologien teuer und zeitaufwändig sein. Die CNC-Prototypenbearbeitung bietet jedoch Unternehmen oder Fertigungsbetrieben, die Teile und Komponenten herstellen möchten, eine schnelle und kostengünstige Möglichkeit, bei der Präzision und Qualität erhalten bleiben.

Ein wichtiger Grund, warum die CNC-Prototypenbearbeitung zur ersten Wahl für den Prototypenbau wird, ist ihre Flexibilität. Mit dieser Methode des Prototyping ist es Herstellern möglich, Produkte innerhalb kurzer Zeit zu entwerfen, zu entwickeln und zu ändern.

Was ist die CNC-Prototypenbearbeitung?

Die CNC-Prototypenbearbeitung ist eine Kombination aus zwei wichtigen Fertigungsverfahren: Top CNC-Bearbeitung und Rapid Prototyping. Bei diesem Verfahren werden CNC-Maschinen eingesetzt, um ein CAD- oder 3D-Modell in ein physisches Modell oder einen Prototyp eines Produkts zu verwandeln.

Die CNC-Maschine fertigt den Prototyp mit präzisen Werkzeugbewegungen. Die Maschine liest die Anweisungen für den Zuschnitt des Teils aus dem G-Code, der durch die Umwandlung von CAD in CAM bereitgestellt wird. Das Ergebnis des CNC-Prototyping ist ein sehr präzises, konsistentes Teil, das den spezifischen Anforderungen entspricht.

Daher verwenden die meisten Unternehmen, die vor der Produktion einer größeren Serie eine kleine Charge von Teilen herstellen müssen, häufig die CNC-Prototypenbearbeitung. Das Prototyping ermöglicht es Unternehmen, das Aussehen ihrer Produkte zu bestimmen, sie zu testen und sicherzustellen, dass sie wie geplant funktionieren.

Warum CNC-Technologien für das Prototyping wählen?

Es gibt mehrere Gründe, warum die CNC-Bearbeitung von Prototypen ideal für das Prototyping ist. Einer dieser Gründe ist der Einsatz von computergesteuerten Steuerungen. Diese automatisierten Steuerungen erleichtern die Überwachung der Bewegung des Werkstücks und des Schneidwerkzeugs und sorgen für ein hohes Maß an Genauigkeit und Präzision bei der Prototypenherstellung. Automatisierte Steuerungen berücksichtigen jedes Element Ihres Entwurfs, um sicherzustellen, dass der erstellte Prototyp eine gute Nachbildung ist.

Die Geschwindigkeit der CNC-Bearbeitung macht sie auch zu einem ausgezeichneten Verfahren für die Herstellung von Prototypen, im Gegensatz zu traditionellen Verfahren wie dem Spritzguss, der sehr zeitaufwändig sein kann.

Vorteile der CNC-Bearbeitung bei der Herstellung von Prototypen

Die CNC-Bearbeitung vereinfacht das Prototyping und steigert gleichzeitig die Qualität der hergestellten Prototypen. Hier sind einige Vorteile der CNC-Bearbeitung für das Prototyping.

Größere Auswahl an Materialien

Im Gegensatz zu anderen Fertigungstechniken wie dem 3D-Druck kann die CNC-Prototypenbearbeitung ein breites Spektrum an gut bearbeitbaren Materialien verarbeiten, darunter zähe Metalle wie Titan und Legierungen sowie Kunststoffe und Holz. Folglich ist es möglich, dasselbe Material sowohl für den Prototypenbau als auch für das Endprodukt zu verwenden, was einen erheblichen Vorteil darstellt.

Die CNC-Prototypenbearbeitung kann für Materialien wie PS, LDPE, HDPE, PC, PP, PMMA, POM, PA GF, PC GF, ABS und Teflon sowie für Metalle und Metalllegierungen wie Stahl, Edelstahl, Titan, Aluminium, Zink, Messing und Bronze eingesetzt werden.

Wiederholbar und konsistent

Ein CNC-Prototyp ist in hohem Maße wiederholbar, was bedeutet, dass jedes Endprodukt, das von CNC-Bearbeitung von Acryl ist ein exaktes Duplikat jedes anderen, das nach dem gleichen Verfahren hergestellt wurde.

Hohe Genauigkeit und Präzision

Die CNC-Bearbeitung bietet enge Toleranzen und hohe Genauigkeit, da die Bewegung der CNC-Bearbeitungswerkzeuge präzise gesteuert wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die Teile und Prototypen für den vorgesehenen Zweck geeignet sind. Da der CNC-Bearbeitungsprozess genau ist, wissen die Hersteller außerdem, dass etwaige Mängel am hergestellten Prototyp aus der Entwurfsphase und nicht aus dem eigentlichen Produktionsschritt stammen.

Kostengünstig

Mit der Zeit senkt die CNC-Prototypenbearbeitung die Kosten für die Hersteller. Die Entdeckung von Fehlern oder Defekten in einer kleinen Charge von Prototypen ist wirtschaftlicher als die Behebung von Problemen in der großen Menge der endgültigen Teile, die während der Fertigungsphase produziert werden.

Außerdem sind für spätere Überarbeitungen in der Regel nur geringfügige Anpassungen der CAD-Dateien erforderlich, was Kosten für die Konstruktion spart.

Flexibilität und Iterabilität

Für die CNC-Bearbeitung von Prototypen sind weder eine Form noch andere zeitaufwändige Vorbedingungen erforderlich, was das Verfahren schnell macht. Bearbeitungszentren können Prototypen schnell herstellen, indem sie sie anpassen, erneut den CNC-Bearbeitungsprozess durchlaufen lassen und die CAM/CAD-Dateien bearbeiten.

Beschränkungen des Prototyping mit CNC-Bearbeitung

Obwohl die CNC-Bearbeitung von Prototypen eine der besten Methoden zur Herstellung von Prototypen ist, hat sie einige Nachteile.

Fachwissen

Das Entwerfen einer CAD-Datei und das Erstellen einer CAM-Datei daraus erfordert technisches Fachwissen. Außerdem ist eine gewisse Erfahrung bei der Bedienung und Einrichtung der CNC-Maschine erforderlich.

Außerdem setzen nicht alle Hersteller, die CNC-Metallbearbeitung können ohne entsprechende Ausbildung CNC-Prototypen herstellen. Aus diesem Grund ist es immer eine gute Idee, die Bearbeitung von CNC-Prototypen in die Hände von Fachleuten zu legen.

Teurer als 3D-Druck

Die CNC-Bearbeitung von Prototypen kann aufgrund der damit verbundenen Material- und Maschinenkosten deutlich teurer sein als der SLS-3D-Druck. Beim Prototyping steht jedoch oft die funktionale Perfektion im Vordergrund und nicht die Kostenminimierung, weshalb die Kosten manchmal sehr hoch sein können.

Materialabfälle

Bei der CNC-Bearbeitung handelt es sich um ein subtraktives Verfahren, bei dem in der Prototyping- oder Produktionsphase Material vom Werkstück abgetragen wird. Folglich steigen die Materialkosten mit der Menge des im gesamten Fertigungsprozess verwendeten Materials.

Außerdem kann dies zu einem erhöhten Materialabfall und damit verbundenen Kosten führen, insbesondere weil es sehr unwahrscheinlich ist, dass ein Prototyp beim ersten Versuch perfekt ist.

Geometrische Beschränkungen

Da die CNC-Prototypenbearbeitung in erster Linie von außen erfolgt, kann die Erstellung von Innengeometrien sehr schwierig sein. Für Innengeometrien eignen sich andere Fertigungstechnologien wie der 3D-Druck, der sich hervorragend für die Herstellung von Innengeometrien eignet, besser.

Schritt-für-Schritt-Anleitung für CNC-Rapid-Prototyping-Verfahren

Der Prozess der Erstellung von CNC-gefrästen Prototypen umfasst mehrere Schritte. Hier finden Sie eine ausführliche Beschreibung der einzelnen Schritte.

Schritt 1: Entwurfsidee

Die wichtigste Phase bei der CNC-Prototypenbearbeitung ist die Erstellung des CAD-Modells. Sie müssen mehrere makellose Entwürfe für das Produkt erstellen. Design for Testing (DFT), Design for Manufacturing (DFM) und Product Dimensioning and Placement sind einige Beispiele für diese Brainstorming-Sitzungen. Die Phase der Entwurfsidee ist von entscheidender Bedeutung, denn wenn sie richtig durchgeführt wird, vereinfacht sie die anderen Phasen.

Schritt 2: Erzeugen einer 3D-Datei

Für die CNC-Bearbeitung ist eine 3D-Datei, wie ein CAD-Modell, erforderlich. Deshalb ist es wichtig, die genehmigten Entwürfe in eine maschinenlesbare 3D-Datei zu konvertieren. Die Maße, Eigenschaften und die Ästhetik des endgültigen Werkstücks werden durch diese 3D-Modellkonstruktionen bestimmt.

Schritt 3: Reihenfolge der Bearbeitungsreihenfolge

Bei der Bearbeitung von CNC-Prototypen kommen verschiedene Fertigungstechniken zum Einsatz, darunter CNC-FräsenCNC-Drehen und CNC-Bohren. Daher sollten Sie die Reihenfolge, in der die Teile bearbeitet werden sollen, anhand des spezifischen Werkstücks festlegen.

Schritt 4: CNC-Programmierung

Die Hersteller stellen die Abfolge der CNC-Produktionsprozesse und die Betriebsanweisungen für die Werkzeuge mit einer CNC-Anwendung bereit. G-Code und M-Code spielen eine wichtige Rolle bei der Information der CNC-Maschinen über Werkzeugauswahl, Bahnführung, Laufnummern, Schnitttiefen und Vorschubraten.

Schritt 5: Prototyping

Sobald die Programmierung abgeschlossen ist, wird sie in die numerische Steuertafel der CNC-Prototypenbearbeitung eingegeben. Das Prototyping beginnt nahtlos, wenn das Werkstück auf dem Werkzeug montiert und die Maschine in den Betriebsmodus versetzt ist. Prototypen können Versuchsprodukte oder voll funktionsfähige Produkte sein. Hersteller erstellen voll funktionsfähige Prototypen, indem sie die Komponenten einzeln fräsen und dann nach den Grundsätzen des Design for Assembly (DFA) zusammensetzen.

Schritt 6: Prüfung

Die Prüfung ist die letzte und kritischste Phase der CNC-Prototypenbearbeitung. Ziel ist es, nach Fehlern zu suchen, das Fehlerpotenzial zu bewerten und die Betriebsfähigkeit des Werkstücks zu testen. Produktexperten führen strenge Tests an dem CNC-Prototyp durch und geben ihn frei, bevor sie mit der Produktion beginnen. Erfüllt ein Prototyp nicht alle Spezifikationen, wird ein alternatives Prototypendesign ausgewählt und bearbeitet.

Verschiedene Arbeitsschritte bei der CNC-Bearbeitung von Prototypen

Für die Herstellung von Prototypen stehen den Herstellern mehrere CNC-Bearbeitungsverfahren zur Verfügung. Die Wahl der CNC-Bearbeitung für die Herstellung von Prototypen hängt oft von Faktoren wie Materialart und Konstruktionsspezifikationen ab. Nachfolgend finden Sie typische Bearbeitungstechniken, die im CNC-Prototypenbau eingesetzt werden.

CNC-Fräsen

Bei diesem Verfahren wird eine Fräsmaschine zur Herstellung von Prototypen eingesetzt, indem Material von einem Werkstück abgetragen wird. Die CNC-Fräsmaschine ist mit einem Mehrpunktschneidewerkzeug ausgestattet, das sich dreht, um präzise Schnitte in verschiedenen Längen und Formen auf dem Werkstück auszuführen.

Präzisionsmerkmale wie genaue Geometrie, enge Toleranzen und hervorragende Oberflächengüten lassen sich mit dem CNC-Fräsen leicht herstellen. Es eignet sich besonders gut für die Herstellung komplizierter Löcher, Vertiefungen und dreidimensionaler Kurven.

CNC-Drehen

Bei diesem Verfahren wird ein Drehwerkzeug für die CNC-Prototypenbearbeitung eingesetzt. Sie eignet sich für die Herstellung komplexer Prototypen und Fertigprodukte mit zylindrischen Merkmalen. Bei dieser Bearbeitung rotiert das Werkstück in der Nähe des stationären Drehmeißels.

Die Drehmaschine verwendet im Gegensatz zur Fräsmaschine ein Einpunktschneidwerkzeug, um Material von der Stange zu entfernen und zylindrische Teile herzustellen. CNC-Drehen ist ideal für die Herstellung von Schlitzen, Gewinden und Verjüngungen an den Innenkanten eines Prototyps sowie für lineare Merkmale auf der Oberfläche.

Mehrachsen-Bearbeitung

Diese flexible Prototyping-Methode, bei der mehr Achsen als bei herkömmlichen Verfahren zum Einsatz kommen, eignet sich hervorragend für die Erstellung von Prototypen mit komplexen Spezifikationen. Bei diesem Verfahren werden Maschinen mit vier, fünf oder sogar neun Achsen eingesetzt, um die gewünschten Ziele zu erreichen.

Anwendungen von CNC-gefrästen Prototypen

Eine Prototyping-Methode, die sich in allen Branchen durchgesetzt hat, ist die CNC-Prototypenbearbeitung. Nachfolgend sind einige Branchen aufgeführt, die dieses Verfahren häufiger als andere einsetzen.

Medizinische Industrie

In diesem Sektor werden Geräte und Teile benötigt, die unglaublich genau und präzise sind. Die medizinische Industrie profitiert von der Materialauswahl, die die CNC-Prototypenbearbeitung bietet, da sie Teile aus Metall und Kunststoff benötigt.

Außerdem steigt mit dem Fortschritt in der Medizintechnik der Bedarf an Teilen mit engen Toleranzen. Die medizinische Industrie nutzt die CNC-Bearbeitung für die Herstellung von Prototypen wie Prothesen, Biopsieröhrchen, chirurgische Scheren, Implantathalter und vieles mehr.

Autoindustrie

Die Herstellung von Fahrzeugprototypen, die durchgängig den geforderten Spezifikationen entsprechen, wäre ohne CNC-Prototypenbearbeitung nur schwer möglich. Die Automobilindustrie benötigt Teile und Komponenten mit hoher Genauigkeit und engen Toleranzen, die von Rädern und Aufhängungen bis hin zu Bremsen und Getrieben reichen können. Um die Sicherheit des Fahrzeugs zu gewährleisten, müssen all diese Teile unglaublich präzise Toleranzen einhalten.

Militärische Industrie

In der Militärindustrie wird diese Technologie vor allem in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung (F&E) eingesetzt. Die militärische F&E setzt die CNC-Prototypenbearbeitung ein, um Teile für Flugzeuge, Fahrzeuge und andere Ausrüstungen herzustellen. Die Methode wird bevorzugt, weil sie die schnelle Herstellung von Teilen ermöglicht, unabhängig von der Zähigkeit der Materialien.

Luft- und Raumfahrtindustrie

Die CNC-Prototyping-Technologie erfüllt in der Luft- und Raumfahrtindustrie zwei Hauptfunktionen. Die erste ist die Herstellung von Komponenten, die extrem genau und präzise sind. Die zweite Funktion ist das Testen dieser Komponenten und anderer Innovationen der Luft- und Raumfahrt, um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß funktionieren.

Überlegungen und Tipps für die CNC-Prototyping-Bearbeitung

Für ein erfolgreiches CNC-Prototyping müssen mehrere wesentliche Faktoren berücksichtigt werden, da die Hersteller auf die CNC-Prototypenbearbeitung angewiesen sind, um Teile zu fertigen, die strenge Normen und Anforderungen erfüllen.

Standardtoleranzen verwenden

Engere Toleranzen erfordern oft zusätzliche Spannvorrichtungen und spezielle Schneidwerkzeuge, was die Kosten für die CNC-Bearbeitung erhöht. Daher ist die Verwendung von Standardtoleranzen in der Regel der bessere Ansatz. Am besten wenden Sie sich an den CNC-Service-Experten, der die Konstruktion Ihres Bauteils verwaltet, um das geeignete Toleranzniveau für Ihre Prototypen zu bestimmen.

Reduzierung der Komplexität des Prototypenentwurfs

Eine weitere wichtige Überlegung ist die Komplexität Ihres Entwurfs. Denken Sie daran, dass die Kosten für die CNC-Bearbeitung umso höher sind, je komplexer Ihr Prototypentwurf ist. Außerdem dauert das Einrichten der Maschine für ein Modell mit verschiedenen Winkeln und Hinterschneidungen länger, wodurch sich die Entwicklungszeit verlängert. Daher ist es ratsam, Ihren Prototyp zu vereinfachen, um einen Anstieg der Produktionskosten und der Markteinführungszeit zu vermeiden.

Berücksichtigen Sie die Werkzeuggeometrie

Da es sich beim CNC-Prototyping um einen Rotationsschnitt handelt, sollten Sie die axialen Eigenschaften der Schneidwerkzeuge überprüfen. Berücksichtigen Sie die Form des Werkzeugs und vermeiden Sie scharfe Ecken bei Ihrem Prototyping. Bei dieser Methode werden in der Regel kreisförmige Schneidinstrumente mit begrenzter Schnittlänge verwendet, was sich aufgrund der Werkzeuggeometrie auf die Schneidvorgänge auswirkt.

Wanddicke berücksichtigen

Berücksichtigen Sie bei der Entwicklung Ihres Entwurfs die Wandstärke des Prototyps, da eine unzureichende Wandstärke zu mechanischer Instabilität oder zum Versagen Ihres CNC-gesteuerten Prototyps oder Produkts führen kann. Als allgemeine Regel gilt, dass die Wandstärke Ihrer Metallteile mindestens 0,8 mm und die Wandstärke von Kunststoffteilen nicht weniger als 1,5 mm betragen sollte.

Partnerschaft mit einem Experten für die Herstellung von CNC-Prototypen

Die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen CNC-Bearbeitungsprofi ist wichtig für den Erfolg Ihres Prototyping-Projekts. Fertigungsexperten konzentrieren sich auf die Optimierung der Bearbeitungsprozesse, um qualitativ hochwertige Prototypen herzustellen. Ohne die Unterstützung eines erfahrenen Prototypenherstellers wäre es jedoch schwierig, die Vorteile der CNC-Bearbeitung für den Prototypenbau voll auszuschöpfen.

Vergleich zwischen CNC-Prototyping und 3D-Druck

Experten diskutieren häufig darüber, welche der beiden Technologien - CNC-Bearbeitung oder 3D-Druck - für das Prototyping besser geeignet ist. Im Folgenden wird zusammengefasst, wie sich die beiden Technologien auf der Grundlage kritischer Faktoren unterscheiden.

Technik Arbeitsprinzip

Bei der CNC-Bearbeitung handelt es sich um ein subtraktives Fertigungsverfahren, bei dem ein Produkt entsteht, indem überschüssiges Material mit einem Schneidewerkzeug von einem Werkstück entfernt wird. Im Gegensatz dazu ist der 3D-Druck ein additives Verfahren. Er beginnt bei Null und baut das Produkt auf, indem er nach und nach Material hinzufügt und formt.

Materialien

Mit der CNC-Technologie kann eine Vielzahl von Materialien bearbeitet werden, darunter Metalle, Holz und Polymere, während der 3D-Druck aufgrund des Erhitzungs- und Formgebungsprozesses des Materials, der am häufigsten für thermoplastische Prototypen verwendet wird, in Bezug auf die Materialkompatibilität eingeschränkt ist.

Inanspruchnahme

Da die CNC-Bearbeitung subtraktiv ist, fällt tendenziell mehr Abfall an. Wiederverwertbare Abfallmaterialien können jedoch verkauft werden, um die Kosten auszugleichen. Im Gegensatz dazu führt die CNC-Prototypenbearbeitung als additives Fertigungsverfahren zu einer besseren Materialausnutzung.

Möglichkeiten der Geometrie

CNC-gefräste Teile werden in der Regel von außen nach innen gefertigt, was die Herstellung von Teilen mit komplizierter Innengeometrie erschwert. Im Gegensatz dazu werden 3D-gedruckte Teile von innen nach außen gefertigt, was komplexe Innengeometrien ermöglicht.

Vergleich zwischen CNC-gefrästen Prototypen und spritzgegossenen Prototypen

Obwohl diese beiden Arten von Prototypen eine visuelle Darstellung des fertigen Produkts bieten, sind sie unterschiedlich. Hier ist der Vergleich:

Für das Prototyping verwendetes Material

Prototypen, die im Spritzgussverfahren hergestellt werden, bestehen in der Regel aus Polymeren oder Gummi. Das liegt daran, dass die Prototypen während des Produktionsprozesses durch das Gießen geschmolzener Materialien in eine Form geformt werden. Bei der CNC-Bearbeitung hingegen werden Werkzeuge aus Metall verwendet, die sich hervorragend für die Herstellung von Prototypen aus Metall, Kunststoff oder Holz eignen, je nachdem, für welches Material sich der Hersteller entscheidet.

Qualität der Oberfläche

Das Spritzgießen ist ein präzises Verfahren, aber die hergestellten Prototypen können kleine Fehler wie Strahlen, kurze Schüsse, Lücken, Fließlinien, Einfallstellen und Verformungen aufweisen. Diese Fehler beeinträchtigen das Aussehen von Prototypen, die im Spritzgussverfahren hergestellt wurden.

Bei der Bearbeitung von CNC-Prototypen wird jedoch häufig eine bessere Oberflächengüte erzielt, da während des Prozesses anspruchsvollere Werkzeuge eingesetzt werden.

Teiletoleranz

Die auf CNC-Maschinen gefertigten Prototypen haben eine Toleranz von ± 0,01 mm, was für die Genauigkeit und Präzision des Bearbeitungsprozesses spricht.

Im Spritzgussverfahren hergestellte Prototypen weisen Bauteiltoleranzen von ± 0,1 bis 0,7 mm auf. Das relativ geringe Toleranzniveau bei spritzgegossenen Prototypen ist auf die Schrumpfung nach dem Spritzguss zurückzuführen.

Produktionsvolumen

Mit ihrer Fähigkeit, präzise Prototypen flexibel und ohne Formen herzustellen, ist die CNC-Bearbeitung ideal für die Kleinserienproduktion. Im Gegensatz dazu ist das Spritzgießen besser für die Großserienproduktion geeignet, da es eine erhebliche Vorabinvestition für die Herstellung von Formen erfordert. Sobald die Form jedoch hergestellt ist, sinken die Kosten pro Einheit drastisch.

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FAQs

Gibt es bessere Möglichkeiten für das Prototyping als die CNC-Bearbeitung von Prototypen?

Je nach den Besonderheiten des Projekts kann es bessere Lösungen als die CNC-Prototypenbearbeitung geben. Für komplizierte, einzigartige Objekte bietet die CNC-Bearbeitung eine unvergleichliche Genauigkeit. Für einfachere Entwürfe oder schnelle Iterationen kann der 3D-Druck jedoch schneller und kostengünstiger sein.

Wie lange dauert es, einen Prototyp für die CNC-Bearbeitung zu erstellen?

Prototypen für die CNC-Bearbeitung können oft innerhalb weniger Stunden bis Tage fertiggestellt werden. Herkömmliche Prototyping-Methoden können Wochen oder sogar Monate dauern.

Welche Faktoren beeinflussen die Kosten des CNC-Prototyping?

Die Komplexität des Designs, die Toleranzen und die Materialwahl beeinflussen die Kosten für das CNC-Prototyping. Der Typ der verwendeten CNC-Maschine und die gewählte Option der Oberflächenbearbeitung sind weitere Faktoren.

Welche Materialien werden für CNC-Prototypen verwendet?

Für CNC-Metallprototypen werden Metalle wie Kupfer, Messing, Titan, Zink, Magnesium, rostfreier Stahl und Aluminium verwendet. Zu den Kunststoffen, die sich für das CNC-Prototyping von Kunststoffen eignen, gehören Acryl, ABS, PP, Nylon, PC, Teflon, HDPE und LDPE.