Eine der häufigsten Fragen zum Thema CNC-Fräsen, die von Konstrukteuren und Einkaufsabteilungen gestellt wird, betrifft die Wahl zwischen 3-Achsen- und 5-Achsen-Bearbeitung. Obwohl beide Technologien zu den grundlegenden Fertigungsverfahren in der modernen Industrie gehören, unterscheiden sie sich hinsichtlich ihres Leistungsumfangs, ihrer Kosten und ihrer Wirtschaftlichkeit bei konkreten Projekten. Wann ist eine 5-Achsen-Fräsmaschine angebracht, und wann reicht eine 3-Achsen-Fräsmaschine aus?
In diesem Artikel erfahren Sie:
Zunächst einmal die Grundlagen: Das Axialfräsen ist ein Zerspanungsverfahren, bei dem sich das Werkzeug relativ zum Werkstück entlang einer bestimmten Anzahl numerisch gesteuerter Achsen bewegt. Die Anzahl der Achsen bestimmt den Bewegungsspielraum des Werkzeugs sowie die Möglichkeiten zur Positionierung des Werkstücks relativ zur Spindel. In der Praxis bedeutet dies den Umfang an Geometrien, die ohne zusätzliche Umrüstungen und Spannvorrichtungen gefertigt werden können.
Moderne Produktionsbetriebe nutzen sowohl klassische 3-Achsen-Bearbeitungszentren als auch hochmoderne mehrachsige Werkzeugmaschinen. Darüber hinaus ergänzen sich beide Technologien zunehmend im Rahmen eines einzigen Produktionsprozesses, wobei die Wahl von der Komplexität des Projekts und der erwarteten Produktivität abhängt.
Linearachsen sind die grundlegenden Bewegungsrichtungen des Werkzeugs: X, Y und Z. Sie ermöglichen die Bewegung des Werkzeugs in drei zueinander senkrechten Richtungen, wodurch die Bearbeitung von ebenen Flächen, Taschen, Nuten oder Bohrungen möglich ist. Beim klassischen 3-Achs-Fräsen bleibt das Werkstück unbeweglich, während sich das Werkzeug um es herum bewegt.
Drehachsen (A und B) ermöglichen das Neigen und Drehen des Werkstücks oder der Spindel. Dadurch kann das Werkzeug die Oberfläche in jedem beliebigen Winkel bearbeiten, was den Umfang der möglichen Bearbeitungen erheblich erweitert und die Anzahl der erforderlichen Einrichtvorgänge verringert.
Beim indexierten Fräsen wird das Werkstück in einem bestimmten Winkel ausgerichtet und die Bearbeitung in einer festgelegten Position durchgeführt. Diese Lösung bildet eine Brücke zwischen 3- und 5-Achs-Bearbeitung und ermöglicht oft eine erhebliche Verkürzung des Bearbeitungsprozesses, ohne dass eine vollständige simultane Bearbeitung erforderlich ist.
Das 5-Achsen-Fräsen – sowohl indexiert als auch simultan – ermöglicht hingegen die gleichzeitige Bewegung des Werkzeugs in allen Achsen. Dadurch ist eine reibungslose Führung des Werkzeugs über komplexe räumliche Oberflächen sowie das Erreichen einer hohen Oberflächenqualität möglich.
Das 3-Achsen-Fräsen eignet sich für Geometrien, die nur aus einer Richtung zugänglich sind, während die 5-Achsen-Bearbeitung die Fertigung von Unterschnitten, Freiformflächen und komplexen Körpern ermöglicht. Dieser Unterschied ist entscheidend bei der Herstellung moderner Bauteile mit hohem Komplexitätsgrad.
Die 3-Achs-Fräsbearbeitung bildet nach wie vor die Grundlage der CNC-Fertigung und ist bei vielen Projekten die wirtschaftlichste Lösung. Genau aus diesem Grund dominiert die 3-Achs-Fräsbearbeitung für Serienfertigungen nach wie vor in der Maschinenbau-, Automobil- und Haushaltsgeräteindustrie.
3-Achsen-Fräsen – Anwendungsbereiche:
Obwohl das 3-Achs-Fräsen oft die optimale Lösung ist, führt die Weiterentwicklung industrieller Konstruktionen zu einem steigenden Bedarf an modernen 4- und 5-Achs-Bearbeitungszentren, die komplexe Projekte realisieren können.
5-Achsen-Fräsen – Anwendungsbereiche:
Bei der Analyse der CNC-Produktionskosten dürfen wir nicht nur den Preis pro Maschinenbetriebsstunde berücksichtigen. Hier muss die Summe vieler technologischer und organisatorischer Faktoren einbezogen werden. Daher sollte die Kostenanalyse stets den gesamten Lebenszyklus eines Projekts umfassen – von der CAM-Vorbereitung über die Bearbeitung bis hin zur Qualitätskontrolle und Logistik.
5-Achs-Maschinen sind im Betrieb teurer, verkürzen jedoch häufig die Gesamtfertigungszeit. Infolgedessen können die Gesamtkosten für die Fertigung eines Bauteils ähnlich hoch oder manchmal sogar höher sein als bei der 5-Achs-Bearbeitung. Genau aus diesem Grund muss die Analyse der Stundenkosten stets im Zusammenhang mit der tatsächlichen Produktivität und der Anzahl der Bearbeitungsschritte betrachtet werden.
Die Anschaffung moderner Bearbeitungszentren ist eine der größten Investitionen in einem Produktionsbetrieb. 5-Achs-Maschinen sind deutlich teurer, ermöglichen jedoch gleichzeitig die Umsetzung anspruchsvollerer Projekte und verkürzen die Produktionszeit. Langfristig bedeutet dies die Möglichkeit, anspruchsvollere Branchen zu bedienen – wie die Luftfahrt-, Medizin- oder Automobilindustrie –, in denen die Margen höher und die Qualitätsanforderungen strenger sind.
Die CAM-Programmierung für die 5-Achs-Bearbeitung ist anspruchsvoller und zeitaufwändiger, da sie fortgeschrittenes technologisches Wissen sowie Erfahrung in der Planung von Werkzeugstrategien erfordert. Die Erstellung kollisionsfreier Werkzeugbahnen, die Optimierung der Neigungswinkel oder die Auswahl der räumlichen Bearbeitungsstrategie sind Prozesse, die die Vorbereitungsphase der Produktion erheblich verlängern können.
Andererseits ermöglicht ein gut vorbereitetes 5-Achsen-Programm, die Anzahl der Bearbeitungsschritte zu reduzieren, die Bearbeitungszeit zu verkürzen und die Oberflächenqualität zu verbessern. In der Serienfertigung verteilen sich die Programmierkosten auf eine große Anzahl von Werkstücken, wodurch ihr Einfluss auf den Stückpreis schnell abnimmt. Daher führt in vielen Projekten ein höherer Arbeitsaufwand in der CAM-Phase zu realen Einsparungen in der Fertigung.
In vielen Projekten ergibt sich der Vorteil der mehrachsigen Bearbeitung nicht aus den Arbeitskosten pro Stunde, sondern aus der Gesamteffizienz des Prozesses. Dabei sind folgende Aspekte zu beachten:
Es ist jedoch nicht so, dass das 5-Achsen-Fräsen immer die bessere Wahl ist. Geben wir das Wort einem Experten. Paweł Chojnacki, der bei RADMOT die Position des Leiters der Fräsabteilung innehat, betont:
„Es stimmt, dass unsere Kunden zunehmend auf die mehrachsige Bearbeitung umsteigen, da diese die Durchlaufzeiten verkürzt und das Fehlerrisiko verringert. Andererseits betrachten wir bei RADMOT das 3-, 4- und 5-Achs-Fräsen als sich ergänzende Technologien – entscheidend ist die richtige Auswahl des Verfahrens für das jeweilige Projekt. Es ist schwer, eindeutig zu beantworten, welche Technologie besser ist, deshalb betonen wir in Gesprächen mit Kunden immer, wie wichtig eine Beratung vor der Auftragsbestätigung ist.“
Diese Technologie ist keine universelle Lösung für jedes Projekt, wird jedoch in vielen Fällen zum entscheidenden Faktor für die Wettbewerbsfähigkeit der Produktion. Die größten Vorteile ergeben sich dann, wenn die Reduzierung der Bearbeitungsschritte, die Qualitätsverbesserung und die Verkürzung der Durchlaufzeit einen realen Einfluss auf die Stückkosten und den Liefertermin haben.
In der Praxis bedeutet dies: Je komplexer das Bauteil, je kürzer die Durchlaufzeit und je höher die Qualitätsanforderungen, desto größer ist die Rechtfertigung für den Einsatz der 5-Achs-Technologie. In modernen Betrieben, die mit modernen 4- und 5-Achs-Bearbeitungszentren ausgestattet sind, ist diese Entscheidung oft Teil einer Produktionsstrategie, die auf anspruchsvolle Branchen und Präzisionsfertigung ausgerichtet ist.
Teile, die auf einer 3-Achsen-Maschine mehrere Positionierungen erfordern, sind eines der offensichtlichsten Beispiele dafür, wo 5 Achsen echte Vorteile bieten. Jede zusätzliche Positionierung birgt das Risiko von Ausrichtungsfehlern, verlängert die Produktionszeit und erhöht die Kosten für die Qualitätskontrolle. Die Bearbeitung in einer einzigen Aufspannung reduziert diese Probleme erheblich und verbessert die Wiederholbarkeit und Stabilität des Prozesses.
Zudem vereinfacht der Wegfall zahlreicher Einrichtungsvorgänge die Produktionslogistik und verkürzt die Rüstzeiten.
Bei kleinen und mittleren Serien haben die Rüstkosten einen großen Einfluss auf den Stückpreis des Werkstücks. Die 5-Achs-Bearbeitung ermöglicht es, die Anzahl der Bearbeitungsschritte zu reduzieren, was die Produktionszeit verkürzt und den Bedarf an Sonderwerkzeugen verringert. Dadurch wird diese Technologie besonders attraktiv für die Prototypenfertigung und die Mittelserienfertigung.
Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, schnell auf Konstruktionsänderungen zu reagieren.
Die Durchlaufzeit eines Auftrags ist heute einer der wichtigsten Wettbewerbsfaktoren. Die 5-Achsen-Bearbeitung ermöglicht eine erhebliche Verkürzung des Produktionsprozesses durch die Reduzierung der Arbeitsschritte, die Verringerung von Umrüstzeiten und eine erhöhte Automatisierung. Bei vielen Projekten kann der Unterschied in der Durchlaufzeit sogar mehrere Dutzend Prozent betragen.
Eine Verkürzung der Produktionszeit bedeutet zudem eine schnellere Markteinführung des Produkts und ein geringeres Risiko von Unterbrechungen in der Lieferkette.
Hervorzuheben ist, dass die umfassende CNC-Bearbeitung bis zu 500 x 700 x 350 mm es ermöglicht, die Vorteile beider Technologien in einem einzigen Produktionsprozess zu vereinen.
Ist das 5-Achsen-Fräsen immer besser?
Nicht immer. Bei einfachen Werkstücken sind 3 Achsen wirtschaftlicher. 5 Achsen lohnen sich vor allem bei komplexer Geometrie.
Um wie viel teurer ist die Bearbeitung mit 5 Achsen?
Die Arbeitskosten pro Stunde sind höher, aber die Gesamtkosten des Projekts sind oft vergleichbar. Dies liegt an der kürzeren Produktionszeit und der geringeren Anzahl an Bearbeitungsschritten.
Welche Teile erfordern zwingend eine 5-Achs-Bearbeitung?
Teile mit Unterschnitten, Freiformflächen und räumlicher Geometrie. Dies gilt unter anderem für Turbinen, Formen und Implantate.
Kann die 5-Achsen-Bearbeitung durch mehrere 3-Achsen-Einrichtungen ersetzt werden?
Technisch gesehen ja, doch dies erhöht das Fehlerrisiko und verlängert die Produktionszeit. In vielen Fällen ist dies weniger rentabel.
Wie lange dauert es, die 5-Achsen-Programmierung zu erlernen?
Die Grundlagen lassen sich in wenigen Monaten erlernen, doch volle Beherrschung erfordert jahrelange Praxis. Die mehrachsige Programmierung gehört zu den anspruchsvollsten Kompetenzen in der CNC-Branche.