Grundlagen des CNC-Fräsens

Wer Bauteile für die CNC-Fertigung entwickelt oder beschafft, profitiert von einem grundlegenden Verständnis des Fertigungsverfahrens. Viele technische und wirtschaftliche Zusammenhänge lassen sich bereits besser einschätzen, wenn die Möglichkeiten und Grenzen der CNC-Bearbeitung bekannt sind.

Auf dieser Seite erhalten Sie einen praxisnahen Überblick über die Grundlagen des CNC-Fräsens – von den Einsatzmöglichkeiten des Verfahrens über erreichbare Toleranzen bis hin zum Ablauf einer CNC-Fertigung. Die Inhalte richten sich an Konstrukteure, Entwickler, Einkäufer und alle, die sich mit der spanenden Fertigung beschäftigen.

Beim CNC-Fräsen wird das Werkstück durch ein rotierendes Werkzeug bearbeitet, während das Werkstück selbst fest eingespannt bleibt. Durch die computergesteuerte Bewegung der Maschinenachsen lassen sich selbst komplexe Konturen mit hoher Präzision fertigen.

Das Verfahren eignet sich besonders für prismatische Bauteile oder rotationssymmetrische Ausgangsteile, die beispielsweise mit Bohrungen, Taschen oder Freiformflächen versehen werden. Dank moderner Bearbeitungszentren gehört das CNC-Fräsen zu den vielseitigsten Fertigungsverfahren der spanenden Bearbeitung.

Ein großer Vorteil liegt im umfangreichen Bearbeitungsspektrum. Unter optimalen Voraussetzungen kann ein Bauteil sogar allseitig in einer einzigen Aufspannung bearbeitet werden. Dadurch werden Rüstzeiten reduziert und gleichzeitig die Maßhaltigkeit verbessert.

Trotz der großen Flexibilität stößt auch das CNC-Fräsen an physikalische Grenzen. Scharfe Innenkanten können aufgrund des Werkzeugdurchmessers nicht direkt hergestellt werden. Ebenso stellen sehr tiefe oder schmale Taschen sowie schwer zugängliche Bereiche besondere Anforderungen an Werkzeug und Bearbeitungsstrategie.

Auch wenn die Bauteilgeometrie zusätzliche Fertigungsverfahren wie das Drahterodieren oder Senkerodieren erfordert, bildet das CNC-Fräsen häufig die wirtschaftliche Grundlage der Bearbeitung. Durch eine gezielte Vorbearbeitung lassen sich Materialvolumen reduzieren, Bearbeitungszeiten beim Erodieren verkürzen und die Gesamtkosten des Bauteils senken. Somit ergänzen sich beide Verfahren optimal und kommen je nach Anforderung in einer kombinierten Fertigungsstrategie zum Einsatz.

Ob ein Bauteil auf einer 3-Achs- oder 5-Achs-Fräsmaschine gefertigt wird, hängt in erster Linie von seiner Geometrie ab.

Bauteile mit überwiegend senkrechten Bearbeitungsflächen und wenigen Aufspannungen lassen sich in der Regel wirtschaftlich auf einer 3-Achs-Maschine fertigen. Dieses Verfahren ist für viele Standardbauteile vollkommen ausreichend und bietet ein gutes Verhältnis zwischen Fertigungsaufwand und Kosten.

Sobald jedoch Bearbeitungen unter verschiedenen Winkeln erforderlich sind oder komplexe Freiformflächen, Hinterschnitte oder schwer zugängliche Bereiche entstehen, spielt die 5-Achs-Bearbeitung ihre Stärken aus. Durch das Schwenken von Werkzeug oder Werkstück können mehrere Bearbeitungsrichtungen in einer Aufspannung realisiert werden. Das verbessert nicht nur die Genauigkeit, sondern reduziert häufig auch die Fertigungszeit.

Die Wahl des geeigneten Bearbeitungsverfahrens erfolgt daher immer individuell anhand der Bauteilgeometrie und der wirtschaftlich sinnvollsten Fertigungsstrategie.

Die erreichbare Genauigkeit hängt maßgeblich von der Bauteilgeometrie, der Aufspannung und den Bearbeitungsschritten ab.

Für die meisten Präzisionsbauteile lassen sich Passungen im Bereich IT7 problemlos herstellen. Mit entsprechendem Aufwand und geeigneten Fertigungsstrategien sind in bestimmten Bereichen auch IT6 oder sogar IT5 erreichbar. Bei hochgenauen Bohrungen wird hierfür häufig auf Feinbearbeitungsverfahren wie das Spindeln oder Reiben zurückgegriffen, da diese eine besonders hohe Prozesssicherheit bieten.

Nicht jede enge Toleranz ist jedoch automatisch sinnvoll. Mit steigenden Genauigkeitsanforderungen erhöhen sich Fertigungsaufwand, Prüfaufwand und damit auch die Kosten. Deshalb sollte bereits in der Konstruktion geprüft werden, welche Toleranzen tatsächlich funktionsrelevant sind.

Weitere Hinweise finden Sie in unserem Leitfaden zur Fräsgerechten Konstruktion

Die Fertigungskosten eines CNC-Frästeils werden in erster Linie durch die Bauteilkomplexität und die Stückzahl bestimmt.

Je komplexer ein Bauteil ist, desto höher sind in der Regel der Programmieraufwand, die Rüstzeiten und die Anforderungen an Werkzeuge und Spannmittel. Diese einmaligen Kosten werden auf die gesamte Losgröße verteilt.

Deshalb wirken sich Programmierung und Rüsten bei Einzelteilen oder sehr kleinen Serien besonders stark auf den Stückpreis aus. Mit steigender Stückzahl sinkt dieser Anteil erheblich. Aus der Praxis zeigt sich häufig, dass zwei Bauteile zusammen nur unwesentlich mehr kosten als ein einzelnes Werkstück.

Ein stark vereinfachtes Beispiel verdeutlicht diesen Zusammenhang: 
Bei der Fertigung eines (fiktiven) Einzelstücks entfallen 70 % der Kosten auf einmalige Aufwände wie Programmierung, Werkzeugauswahl, Vorrichtungsbau und das Einrichten der Maschine. Nur 30 % der Kosten entstehen durch die eigentliche Bearbeitung des Bauteils. 
Steigt die Losgröße auf zehn Bauteile, bleiben diese einmaligen Kosten nahezu unverändert und werden auf alle Werkstücke verteilt. Dadurch sinkt ihr Anteil am Stückpreis erheblich. In diesem Beispiel reduziert sich der Stückpreis auf rund 37 % des Preises eines Einzelstücks – obwohl jedes einzelne Bauteil mit derselben Präzision gefertigt wird.

Deshalb lohnt es sich häufig, den Bedarf für mehrere Monate zu bündeln. Bereits eine moderate Erhöhung der Losgröße kann den Stückpreis deutlich senken, ohne dass sich am Fertigungsprozess selbst etwas ändert.

Auch die Materialauswahl beeinflusst die Wirtschaftlichkeit. Werkstoffe mit hohen Eigenspannungen können zusätzliche Bearbeitungsschritte oder eine Wärmebehandlung erforderlich machen. Um Verzug zu vermeiden, sind teilweise Vorbearbeitungen oder Wärmezwischenbehandlungen notwendig, die sich auf Fertigungszeit und Kosten auswirken.