Obwohl Mehr-Achs-Bearbeitung seit mindestens den 50er und 60er Jahren der Standardbetriebsprozess für die meisten Hersteller und industriellen Betriebe ist, ist die Hinzufügung weiterer gleichzeitiger Achsen nach wie vor eine der bahnbrechendsten Innovationen in der Industrie. Die Methode selbst der gleichzeitigen und Mehr-Achs-Fräs- und CNC-Bearbeitung ist ein ingenieurtechnisches Wunder, da sie viele Fähigkeiten der modernen Industrie ermöglicht hat. Durch die Ergänzung weiterer Teile und Komponenten an industriellen Fräsmaschinen wurde die Entwicklung von 5-Achs-Weiterentwicklungen ermöglicht, was sie zu einem der am häufigsten angewandten Herstellungsverfahren macht und die bedeutenden Entwicklungen der modernen Fertigung markiert.
Heutzutage Mehr-Achs-Bearbeitung, insbesondere 5-Achs-Fräsmaschinen und CNC-Maschinen, sind üblicher geworden, da die Hinzufügung mehrerer Achsen mehr oder weniger die Norm ist. Diese Maschinen werden zur Herstellung von Teilen und Komponenten für verschiedene Branchen verwendet und sind hauptsächlich mit der Produktion von Metallteilen (oder anderen Materialien) mit komplexen Formen, präzisen Messungen und umfangreichen Details verbunden. Bis heute ist die Mehr-Achs-Bearbeitung ein Industriestandard, und 5-Achs-CNC-Maschinen stellen die wichtigste Ergänzung dar, um die Bearbeitung und CNC-Fräsung entlang mehr als der Haupt-3-Achsen zu ermöglichen.
Was ist 5-Achs-Bearbeitung?
Als Herstellungs- und Bearbeitungsverfahren sind Mehr-Achs-Maschinen, insbesondere 5-Achs-CNC-Maschinen, Werkzeuge, die es ermöglichen, das Werkstück entlang mehrerer Achsen zu manipulieren. Diese Maschinen entfernen überschüssiges Material vom Werkstück während des Fräsprozesses. Zusätzlich zu den regulären 3 Achsen (x, y, z) können 5-Achs-Maschinen das Substrat auch entlang der zusätzlichen vierten und fünften Achsen bewegen, indem sie die Spindel rotieren. 5-Achs-Maschinen, wie die meisten Mehr-Achs-CNC- und Fräsmaschinen, werden durch 3 Hauptkomponenten definiert.
Die physikalischen oder Bearbeitungskapazitäten beziehen sich in der Regel auf die Spindeldrehzahl, das Drehmoment und die Achsenausrichtung. In CNC-Anwendungen sind das CNC-Antriebssystem (Positionsüberwachung, Kugelumlaufspindeln und Servomotoren) und die Steuerung (Datenübertragung und -verarbeitungssysteme) ebenso bedeutend.
Trotz des klaren Vorteils von Mehr-Achs-CNC-Maschinen sind sie vor allem für komplexe Operationen, Teile und Komponenten mit filigranen Designs und engen Toleranzen nützlich. Diese können jedoch Präzisions- und Anpassungsgrade erreichen, die mit traditionellen Verfahren nicht möglich sind. Mit den fortlaufenden Fortschritten in computergestützter Fertigung, wird das Potenzial der 5-Achs-Bearbeitung nur noch mit mehr Anwendungen kompatibel sein, die möglich sind, und den Prozess in Bezug auf Präzision und erforderliche Arbeit verbessern.
Varianten von 5-Achs-Maschinen
5-Achs-CNC-Maschinen können in Form variieren, wobei jede für spezifische Anwendungen angepasst ist. Diese verschiedenen Varianten können jeweils leicht unterschiedliche Manipulationen erreichen. Sie unterscheiden sich hauptsächlich in den wichtigsten Parametern von Mehr-Achs-Maschinen, insbesondere in der Anzahl und Ausrichtung der Drehachsen. Die 5-Achs-Bearbeitung ähnelt der traditionellen 3-Achs-Bearbeitung, wobei der Hauptunterschied die zwei zusätzlichen Rotationsachsen der Werkstückrotation sind, die eine größere Flexibilität beim Schneiden bieten. Abhängig von der spezifischen Konfiguration einer 5-Achs-Maschine können sie auch eine breitere Palette von Operationen wie Fräsen und Drehen ausführen. Jede dieser Varianten hat spezifische Vorteile und gängige Einsatzbereiche.
3+2 Achsen-Maschinen
Als Untertyp von 5-Achs-Maschinen kann diese Art von Mehr-Achs-Maschinen die meisten Ergebnisse erzielen, die auch mit regulären 5-Achs-Maschinen erreicht werden. Diese Konfiguration kann durch Anbringen eines schwenkbaren Drehtisches an eine vertikale Maschine erreicht werden. Das Hauptmerkmal von 3+2-Achs-Maschinen ist, dass das Werkstück während des gesamten Prozesses stationär und fixiert bleibt, wobei die Schneidwerkzeug stattdessen entlang zweier zusätzlicher Achsen bewegt werden kann.
Dieser Prozess kann tatsächlich Schnitte entlang des Werkstücks von allen Seiten machen. Diese Konfiguration kann die Orientierung und Positionierung des Werkstücks noch anpassen, muss jedoch während des Betriebs stationär bleiben; eine Methode, die als Positions-5-Achs-Bearbeitung bekannt ist. Dieser Prozess kann oft kosteneffizient sein, da er eine bessere Substratstabilität ermöglicht und mit mehreren Schneidwerkzeugen kompatibel ist. Dennoch ist er oft weniger effizient bei komplexeren Designs.
4+1 Achsen-Maschinen
Dies ist eine weitere Konfiguration der 5-Achs-Bearbeitungsmethoden, die stationäre Achsen verwenden. Bei dieser Methode wird nur eine einzelne Drehachse, die das Substrat hält, in einer festen Orientierung gehalten. Diese Konfiguration ist im Wesentlichen eine Vereinfachung der regulären 5-Achs-CNC-Bearbeitung, die die dynamischen Bewegungen von drei Translationsachsen und einer Rotationsachse nutzt. Diese Methode kann auch als oberflächenunabhängige Bearbeitung beschrieben werden, da der Schnittwinkel nicht unbedingt durch den Oberflächenwinkel bestimmt wird. 4+1-Achs-Maschinen können einen konstanten Winkel beibehalten, was die Stabilität des Werkstücks erhöht und die Geschwindigkeitsänderungen minimiert, die oft bei oberflächenabhängiger Bearbeitung auftreten. Diese Methode ist jedoch auf eine begrenzte Anzahl zylindrischer Formen beschränkt.
Simultane 5-Achs-Maschinen
Dies bezieht sich auf die regulären 5-Achs-CNC-Maschinen. Es ist ein oberflächenabhängiger Bearbeitungsprozess, bei dem das Schneidwerkzeug immer senkrecht zum Substrat steht und die Bewegung des Schneidwerkzeugs entlang der drei primären Achsen sowie die Rotation des Werkstücks entlang der drei Rotationsachsen ermöglicht. Diese Konfiguration würde es dem Schneid- oder Fräswerkzeug ermöglichen, Material in schwer zugänglichen Bereichen mit anderen 5-Achs-Konfigurationen zu entfernen. Die aktuellen Fortschritte in der Mehr-Achs-Bearbeitung haben die Bedienung von 5-Achs-Maschinen erleichtert und ihren Prozess zeiteffizienter gemacht. Diese Methode ist besonders effektiv für komplexe Teile.
Vorteile und Nachteile
Es gibt viele Eigenschaften von 5-Achs-Maschinen, die sie bei Herstellern sehr begehrt gemacht haben. Die Arbeit einer 5-Achs-Maschine ist unverkennbar und ihr Potenzial wächst nur durch den Einsatz mehrerer Schneidwerkzeuge sowie durch technologische Fortschritte und Mehr-Achs-Bearbeitung. Dennoch gibt es weiterhin Herausforderungen bei ihrer industriellen Anwendung.
Der prominenteste Vorteil von 5-Achs-Maschinen ist die erhöhte Genauigkeit und die erleichterte Erstellung komplexer Geometrien. Die Achsen können schwer zugängliche Bereiche präzise erreichen und komplexe Schnittwinkel, Konturen und Unterkanten erstellen, die sonst schwierig waren und mehrere Maschinen erforderten.
Ein weiterer Hauptvorteil ist die zentrale Einrichtung, die Mehr-Achs-Maschinen bieten. Bei den meisten 3-Achs-Maschinen wird das Werkstück mit verschiedenen Geräten bearbeitet, und der Übergang kann oft zu einem Verlust der Ausrichtung führen. Die zentrale Einzel-Einrichtung von 5-Achs-Maschinen kann für mehrere Anwendungen angepasst werden, was eine gründliche Bearbeitung des Substrats ohne erneute Überprüfung von Parametern und Messungen gewährleistet.
Diese Maschinen können auch die Zeit zur Bearbeitung von Komponenten mit komplexen Formen verkürzen. Zusätzlich hat das kurze Schneidwerkzeug, das häufig bei 5-Achs-CNC-Maschinen verwendet wird, Vibrationen beim Betrieb bei hohen Schnittgeschwindigkeiten reduziert, was eine deutlich bessere Oberflächenbeschaffenheit erzeugen kann.
Trotz der offensichtlichen Vorteile von 5-Achs-Maschinen in Bezug auf Qualität und Effizienz bestehen die Herausforderungen dieses Verfahrens hauptsächlich aufgrund der Kosten und manchmal der Komplexität der Prozesse. Besonders die Kosten für eine 5-Achs-Maschine sind recht hoch. Da die meisten Anwendungen computergestützte Prozesse implementieren, können die erforderliche Software ebenfalls die Kosten erhöhen. Zudem ist die Wartung von 5-Achs-Maschinen nicht nur teuer, sondern auch anspruchsvoll hinsichtlich der Fähigkeiten der Bediener.
Der Betrieb einer 5-Achs-CNC-Maschine erfordert eine komplexe Programmierung, um die mehreren Achsen und das Schneidwerkzeug zu steuern. Die Trajektorien und Bewegungen jeder Komponente müssen während des gesamten Prozesses berechnet und überwacht werden, um präzises Schneiden zu gewährleisten und Kollisionen sowie Werkzeuginterferenzen zu vermeiden. Ein solch komplexer Prozess erfordert verschiedene geometrische Operationen und hochqualifizierte Arbeitskräfte. Daher kann er die Arbeitskosten erheblich erhöhen sowie das Fehlerpotenzial steigern.
Verwendung von 5-Achs-Maschinen
Die meisten industriellen Geräte und Komponenten werden durch Zerspanungsprozesse hergestellt, jedoch sind komplexere Designs, anspruchsvolle Teile mit sehr präzisen Messungen oft die Domäne von 5-Achs-CNC-Maschinen und Mehr-Achs-Bearbeitung im Allgemeinen. Dies macht 5-Achs-Fräsen und -Bearbeitung perfekt für Branchen wie Energie und Luft- und Raumfahrt. Letztere erfordert insbesondere mehrere Komponenten mit komplexen Formen und präzisen Messungen. Die Spindeln und die hochgradig anpassbare Ausrichtung einer 5-Achs-CNC-Maschine können bestimmte Bereiche anvisieren, extreme Schnittbedingungen bewältigen und fein abgestimmte Designs umsetzen.
Dieses Verfahren der Mehr-Achs-CNC-Bearbeitung hat kürzlich den Standard in der Herstellung von Teilen für die Automobilindustrie gesetzt. Die Einführung der Mehr-Achs-Bearbeitung revolutionierte die Automobilproduktion, indem sie die Herstellung von Motoren mit engeren Toleranzen und somit mehr Leistung ermöglichte und die Zuverlässigkeit der Fahrzeuge steigerte. Heutzutage kann eine 5-Achs-CNC-Maschine zur Herstellung von Getrieben, Antriebsachsen sowie Motorengehäusen und Felgen verwendet werden.
Mit dem jüngsten Wachstum von Robotik und automatisierter Industrieausrüstung sind 5-Achs-Maschinen weit verbreitet für die Herstellung maßgeschneiderter Robotik-Teile. Dazu können Effektor, Speichereinheiten und kundenspezifische Vorrichtungen gehören. Die möglichen Einsatzbereiche der Mehr-Achs-Bearbeitung erweitern sich zunehmend. Mit den jüngsten Durchbrüchen in Industrie und Technologie wird diese CNC-Methode mehr Projekte ermöglichen, die zuvor schwierig und komplex waren.
Fazit
5-Achs-Fräsen und CNC-Maschinen sind heute ein Grundpfeiler der modernen Fertigung und Industrie. Sie können komplexe Teile und Geometrien mit präzisen Messungen herstellen. Sie sind optimal für Komponenten mit engen Toleranzen und hoher Widerstandsfähigkeit und können den Ablauf der meisten Fertigungsprozesse erheblich verbessern. Der Ansatz der Einzel-Einrichtung bei 5-Achs-Maschinen ist heute ein optimaler Parameter für das vertikale Bearbeitungszentrum. Die Präzision und hohe Genauigkeit, die mit diesen Maschinen erreicht werden, werden in naher Zukunft zum Standard werden. Mit dem Fortschritt der Mehr-Achs-Bearbeitung wird ihr Potenzial erheblich erweitert.
