Das CNC-Prototyping ist ein wichtiger Teil der Entwicklung neuer Produkte, da es dabei hilft, zu beurteilen, ob ein Design wie erwartet aussieht und funktioniert. Die CNC-Prototyping-Technologie wird seit mehr als 70 Jahren entwickelt und ist seit langem die tragende Säule der modernen Produktion und aus jeder Branche nicht mehr wegzudenken. CNC-Prototyping ermöglicht die Herstellung von Prototypen in relativ kurzer Zeit und zu geringen Kosten.
Beim CNC-Prototyping handelt es sich um den Prozess der schnellen Erstellung hochwertiger Prototypen mithilfe von CNC-Werkzeugmaschinen. Produktdesigner und Ingenieure erstellen häufig Prototypen für zukünftige Produktionsläufe. Der CNC-Bearbeitungsprozess hilft bei der Erstellung des endgültigen Teils, das eine visuelle und funktionale Darstellung des Endprodukts bieten soll. Mit anderen Worten: Beim CNC-Prototyping wird das physische Ergebnis eines digitalen Designs erzielt. Konstrukteure können Konstruktionsfehler durch CNC-Prototyping leicht erkennen und beseitigen, bevor sie mit der Massenfertigung beginnen. Natürlich wird die Produktion kostengünstiger, wenn Konstruktionsfehler bereits in der Prototyping-Phase beseitigt werden.
Warum eignet sich die CNC-Bearbeitung für das Prototyping?
Die CNC-Bearbeitung ist ein idealer Prozess für die Prototypenerstellung. Erstens bietet das Verfahren ein hohes Maß an Genauigkeit und Präzision, da Computer zur Steuerung der Bewegung des Werkzeugs und zur Erkennung des Werkstücks eingesetzt werden. Diese Computersteuerungen berücksichtigen jeden Aspekt des Entwurfs und stellen sicher, dass Prototypen genau nach den endgültigen Teilespezifikationen erstellt werden und identische Teile wiederholt hergestellt werden.
Ein weiterer Grund, warum CNC für die Prototypenerstellung gut geeignet ist, ist seine Geschwindigkeit. Das CNC-Prototyping unterscheidet sich stark von Prozessen wie dem Spritzguss, bei dem Hersteller und Produktentwickler Wochen oder sogar Monate warten müssen, bis die Formen fertig sind.
CNC-Prototyping-Prozess
Mithilfe eines CNC-Systems beginnt die Prototypenerstellung mit der Erstellung eines 3D-CAD-Modells des endgültigen Teils und der Konvertierung in eine CAM-Datei. CAM-Dateien enthalten G-Code, einschließlich vieler verschiedener Anweisungen, die die Bewegung der CNC-Maschine während der Prototyperstellung steuern. Die CNC-Maschine schneidet das Material gemäß diesen Anweisungen. Dank des CNC-Systems gibt es während des gesamten Prototyping-Prozesses nur sehr wenig menschliche Aufsicht. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber der herkömmlichen Bearbeitung, die zeitaufwändig ist und eine genaue Überwachung erfordert.
Im Gegensatz zum 3D-Druck handelt es sich beim CNC-Prototyping um eine subtraktive Methode, die weniger Material erfordert. Einzelne Teile des Originalblocks werden nach und nach ausgeschnitten, bis die gewünschte Form entsteht. Da die CNC-Maschine von einem Computer gesteuert wird, zeichnet sich der Prozess durch eine hohe Präzision aus. Darüber hinaus können komplexe Designs und komplizierte Geometrien für die schnelle Prototypenerstellung auch problemlos CNC-bearbeitet werden.
CNC-Prototyping-Operationen
Abhängig vom Design des Endteils können Rapid-Hersteller unterschiedliche CNC-Prototyping-Vorgänge nutzen. Welcher konkrete Vorgang zu wählen ist, hängt in der Regel von mehreren Faktoren ab, darunter unter anderem Designspezifikationen und verwendete Materialien. AN-Prototype fasst die folgenden gängigen Bearbeitungsvorgänge für CNC-Prototypen zusammen, die auf jahrelanger Erfahrung in der CNC-Bearbeitung basieren.
CNC-Fräsen, der häufigste Vorgang der CNC-Bearbeitung, bezeichnet die Erstellung von Prototypen mithilfe einer CNC-Fräsmaschine. Der CNC-Fräsprozess ist ein subtraktiver Prozess, da die Maschine Material vom Werkstück entfernt, um Prototypen unterschiedlicher Geometrie zu erstellen. Fräsmaschinen verfügen über mehrschneidige Schneidwerkzeuge, die jeweils scharfe Schnitte unterschiedlicher Form und Länge an einem rotierenden Werkstück ausführen. Die Schnitttiefe und das Bewegungsprofil des Werkzeugs sowie der von der Maschine verwendeten Achsen hängen von der Komplexität der Konstruktion ab. Um eine höhere Schnittgenauigkeit zu erreichen, sind CNC-Fräsmaschinen außerdem mit zusätzlichen Achsen ausgestattet, um ihre Bewegungsfähigkeiten zu verbessern, beispielsweise 4-Achsen- und 5-Achsen-CNC-Maschinen.
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Durch die 5-Achsen-CNC-Bearbeitung können komplexe Teile mit mehreren Seitenmerkmalen in einer einzigen Aufspannung bis zu fünf Seiten bearbeitet werden. Dies bringt enorme Vorteile im Hinblick auf eine deutlich höhere Auslastung der CNC-Maschinen, kürzere Rüst- und Zykluszeiten sowie eine verbesserte Qualität. Durch die 5-Achsen-CNC-Bearbeitung können hochpräzise Teile mit äußerst komplexen Geometrien hergestellt werden.
Bei der CNC-Swiss-Bearbeitung handelt es sich um eine Fertigungstechnik, bei der ein spezielles Werkzeugschneiden zum Einsatz kommt, um Metall- oder Kunststoffrohlinge in komplexe, schlanke oder empfindliche Komponenten zu bearbeiten, die enge Toleranzen erfordern. CNC-Schweizer Bearbeitungstechnologie wird häufig in der Medizinindustrie, Luft- und Raumfahrt, IT, Elektronik, Energie- und Kraftstoffsystemen, Präzisionsuhren und der militärischen Verteidigung eingesetzt.
Vorteile des CNC-Prototypings
Das CNC-Prototyping bietet Hunderte von Vorteilen. Lassen Sie uns einige davon auflisten:
1. Hohe Genauigkeit und Präzision
Die CNC-Bearbeitung ermöglicht die Herstellung von Prototypen mit hoher Präzision, Toleranz und Genauigkeit. Diese Präzision und Genauigkeit ist auf die Steuerung der Bewegung des Schneidwerkzeugs durch den Computer zurückzuführen. Aufgrund der Genauigkeit und Präzision des CNC-Bearbeitungsprozesses haben die meisten Fehler oder Mängel in den hergestellten Prototypen ihren Ursprung im Design selbst.
2. Wirtschaftlichkeit
Durch CNC-Prototyping können Produktdesigner auf lange Sicht Geld sparen. Dies liegt daran, dass etwaige Mängel und Irrtümer bereits im Prototypen korrigiert werden können, anstatt in der Masse der in der Produktionsphase produzierten Endteile ausgeschlossen zu werden.
Darüber hinaus erfordern zukünftige Änderungen nur geringfügige Änderungen an der CAD-Datei, anstatt ein neues Design von Grund auf zu erstellen.
3. Konsistenz und Wiederholbarkeit
CNC-Prototyping ist sehr wiederholbar. CNC-prototypisch gefertigte Teile sind konsistent und ahmen das Original genau nach, egal wie viele Kopien hergestellt werden. Dies unterscheidet sich stark von anderen Prototyping-Verfahren wie dem Spritzguss, bei dem die Form nach vielen Wiederholungen an Wert verliert, während dies bei der CNC-Bearbeitung von Prototypen nicht der Fall ist.
4. Vielseitigkeit der Materialien
Im Vergleich zu anderen Herstellungsverfahren wie 3D-Druck und Spritzguss können beim CNC-Prototyping mehr Materialien verwendet werden, von Kunststoffen über Holz bis hin zu den stärksten Metallen und sogar Keramik. Zu den Materialoptionen, die für CNC-Prototyping-Dienste geeignet sind, gehören:
5. Die CNC-Bearbeitung ist schnell
Die CNC-Bearbeitung für die Massenproduktion begann in den 1970er Jahren. Mit der Weiterentwicklung von Maschinen und Software ist sie heute eine der schnellsten und zuverlässigsten Methoden zur Herstellung komplex geformter Teile aus Metallen und Hartkunststoffen. Einmal CNC-programmiert, kann eine gute Fräse oder Drehmaschine Stahl oder Aluminium mit erstaunlicher Geschwindigkeit bearbeiten und so einen Metallrohling in wenigen Minuten in ein fertiges Teil verwandeln.
Einschränkungen des CNC-Bearbeitungs-Prototypings
Obwohl die CNC-Bearbeitung eine der besten Strategien zur Herstellung von Prototypen ist, weist sie dennoch gewisse Einschränkungen auf. Zu diesen Einschränkungen gehören:
langjähriger Erfahrungsschatz
Vor der Prototypenerstellung einer CNC-Bearbeitung ist es ratsam, über technische Kenntnisse im Design zu verfügen CAD Dateien und wie man daraus CAM-Dateien generiert. Die Installation und Programmierung von CNC-Werkzeugmaschinen erfordert ein gewisses Maß an technischem Fachwissen und langjähriger Programmiererfahrung. Darüber hinaus sind Testverfahren, innovative Ansätze und kreative Visionen für das CNC-Prototyping unerlässlich. Nicht alle CNC-Bearbeitungsdienstleister können die CNC-Programmierung fehlerfrei durchführen.
Materialabfall
Beim CNC-Prototyping handelt es sich um einen subtraktiven Prozess, bei dem beim Prototyping Material aus Stangen- oder Blechmaterial geschnitten wird. Je mehr Teile hergestellt werden, desto mehr Material wird verschwendet, was die Materialkosten in die Höhe treibt. Außerdem entstehen Ihnen möglicherweise zusätzliche Kosten und mehr Material wird verschwendet, da Sie nicht sicher sind, ob der CNC-Prototyp beim ersten Versuch perfekt sein wird. Auch wenn eine kleine Menge Prototypen alle technischen Anforderungen erfüllt, sind die Chancen, dass sie verkauft werden, relativ gering. Daher erhöhen sie die Menge an Materialabfall.
Geometrische Einschränkungen
Eine der größten Hürden beim CNC-Prototyping-Prozess ist die Unfähigkeit, die Geometrie im Inneren des Prototyps zu bearbeiten, beispielsweise scharfe Ecken im Inneren des Teils. CNC-Werkzeugmaschinen bearbeiten überwiegend nur die Außenseite des Werkstücks. Daher kann die Entwicklung eines Prototyps mit internen Komponenten mittels CNC-Prototyping eine Herausforderung sein. Sie können jedoch einen alternativen Prototyping-Prozess wie den 3D-Druck wählen, um einen Prototyp mit internen Komponenten zu erstellen. Der 3D-Druck ist ideal für die Herstellung der Innengeometrie eines Prototyps, da er vom inneren Bereich des Werkstücks bis zum äußeren Bereich arbeiten kann.
Teurer als 3D-Druck
Im Allgemeinen kostet die Herstellung von CNC-Prototypen mehr als 3D-Druckverfahren. Dies ist einer der Hauptgründe, warum sich ein Ingenieur für die Herstellung eines Prototyps für das 3D-Druckverfahren entscheidet, selbst wenn er beabsichtigt, für das Endteil eine CNC-Bearbeitung zu verwenden. Es ist verständlich, wenn Unternehmen in der (frühen) Prototyping-Phase Kosten sparen müssen.
Anwendungen des CNC-Prototypings
CNC-Prototyping wird in fast allen Präzisionsbearbeitungsindustrien eingesetzt. In den meisten dieser Branchen benötigen sie immer einen funktionsfähigen Prototyp oder . Am besten passen CNC-gefräste Prototypen. Meistens eignen sich CNC-Bearbeitungswerkzeuge besser für diese funktionalen Prototypen, die Festigkeit, mechanische Stabilität oder andere Eigenschaften erfordern, die additive Verfahren nicht bieten können, weshalb sie in diesen Branchen eingesetzt werden.
Die Luft- und Raumfahrtindustrie ist eine der Branchen mit einer hohen Nutzungsrate von CNC-Prototypen. Maschinenbauer im Luft- und Raumfahrtbereich nutzen dieses Verfahren, um funktionsfähige Prototypen mit hoher Präzision und Genauigkeit zu entwickeln. Darüber hinaus nutzen Ingenieure CNC-Prototyping, um die Funktionalität bearbeiteter Komponenten und anderer Innovationen in der Luft- und Raumfahrtindustrie zu testen. Es trägt dazu bei, die Zuverlässigkeit dieser Komponenten sicherzustellen und Fehlfunktionen des Flugzeugs während des Fluges zu verhindern. Typische Komponenten eines Flugzeugs, die mit CNC-Prototyping-Techniken hergestellt werden, sind Flügel, Buchsen, Verteiler usw.
Die medizinische Industrie hat einen hohen Bedarf an Teilen und medizinischen Geräten mit engen Toleranzen und Präzision. Die Medizinbranche profitiert vom CNC-Prototyping, da es mit einer Vielzahl von CNC-bearbeiteten Materialien kompatibel ist. Darüber hinaus besteht im Zuge der Weiterentwicklung der Medizintechnik ein Bedarf an medizinischen Komponenten mit engsten Toleranzen wie Prothesen, implantierten Stents, chirurgischen Scheren, Biopsieschläuchen und mehr. CNC-Maschinen fertigen hochwertige Funktionsprototypen mit außergewöhnlicher Präzision und Genauigkeit für die Medizinindustrie.
Die Automobilindustrie ist eine der Branchen mit dem höchsten Einsatz von CNC-gefrästen Prototypen mit engeren Toleranzen und hoher Präzision. Zahnräder, Räder, Bremsen und Aufhängungskomponenten sind typische Beispiele für CNC-Prototyping. Darüber hinaus erfordern diese Automobilkomponenten engste Toleranzen, um eine optimale Fahrzeugleistung und -sicherheit zu gewährleisten. Die Automobilindustrie entwickelt Prototypen und testet ihre Funktionalität durch den Einbau in Fahrzeuge, um sicherzustellen, dass sie ihren beabsichtigten Zweck erfüllen. Allerdings kann die Erstellung eines Automobilprototyps, der den beabsichtigten Zweck und die Spezifikationen erfüllt, ohne CNC-Prototyping eine Herausforderung sein. Die CNC-Bearbeitung ist für die Entwicklung von Automobilprototypen nach präzisen Spezifikationen verantwortlich. CNC-Prototyping fertigt auch Teile für andere Fahrzeuge wie Boote, Lieferwagen und mehr.
Die Erdölindustrie hat einen hohen Bedarf an Teilen mit überlegener Festigkeit, die tief in der Erdoberfläche abgebaut werden können, um Ressourcen zu gewinnen. Ingenieure verwenden häufig CNC-Fräsprototypen oder andere kundenspezifische CNC-Bearbeitungsprozesse, um diese Teile entsprechend den Anforderungen herzustellen.
Militärindustrie
Forschungs- und Entwicklungsabteilungen profitieren vom Einsatz von CNC-Prototyping-Verfahren im militärischen Bereich. Die militärische Forschung und Entwicklung nutzt diese Fertigungstechnik zur Entwicklung von Flugzeugen, Kampffahrzeugen und anderen CNC-bearbeiteten Teilen. Ingenieure und Produktentwickler in der Verteidigungsindustrie verlassen sich auf die CNC-Bearbeitung von Prototypen, da diese eine schnelle Prototypenerstellung und Teilefertigung unabhängig von der Härte des Materials ermöglicht. CNC-bearbeitete Prototypen eignen sich hierfür hervorragend. Beispiele für für diese Branche hergestellte Ausrüstung sind Flugzeugteile, Transportkomponenten, Kommunikationskomponenten, Munition und mehr.
Tipps für das CNC-Prototyping
CNC-Prototyping ist eine zuverlässige Methode für Hersteller, um vor der Massenproduktion sicherzustellen, dass Teile den Anforderungen und der Genauigkeit entsprechen. AN-Prototype fasst einige Vorschläge für die Bearbeitung von CNC-Prototypen als Referenz zusammen.
Reduzieren Sie die Komplexität von Prototypen
Obwohl ein komplexes Design nach einer guten Idee klingt, ist es in Wirklichkeit nicht ganz so. Beim CNC-Prototyping ist zu beachten, dass die Kosten der CNC-Bearbeitung umso höher sind, je höher die Komplexität ist. Zusätzlich zu den Kosten nimmt die Einrichtung einer Maschine für ein Design, das mehrere Winkel und Hinterschneidungen erfordert, viel Zeit in Anspruch, was den Zeitaufwand für die CNC-Bearbeitung erhöht. Daher verlängern komplexe Designs die Entwicklungszeit, wodurch die Produktentwicklungskosten steigen und die Markteinführungszeit verzögert wird.
Standardtoleranz
Standardtoleranzen sind in der Regel die beste Vorgehensweise beim CNC-Prototyping. Um engere Toleranzen zu erreichen, sind möglicherweise spezielle Schneidwerkzeuge und zusätzliche Vorrichtungen erforderlich, was sich auf die Kosten der CNC-Bearbeitung auswirkt. Normalerweise ist es am besten, einen erfahrenen Ingenieur an Ihrem Entwurf arbeiten zu lassen, um festzustellen, welches Toleranzniveau für Ihren Produktprototyp am besten geeignet ist.
Design unter Berücksichtigung der Werkzeuggeometrie
Da das Bearbeitungsprogramm rotierend abläuft, sollten Sie bei der Prototyp-CNC-Bearbeitung die axialen Eigenschaften des Schneidwerkzeugs oder des bearbeiteten Objekts berücksichtigen. Die meisten Schneidwerkzeuge haben eine begrenzte Schnittlänge und sind kreisförmig. Daher hat die Geometrie des Werkzeugs einen Einfluss auf alle Schneidvorgänge.
Arbeiten Sie mit einem erfahrenen CNC-Prototypenbauer zusammen
Darüber hinaus sollten Sie mit einem erfahrenen CNC-Prototyping-Spezialisten zusammenarbeiten. Weil sie sich auf die Rationalisierung des Prozesses zur Erstellung hochwertiger Prototypen konzentrieren können. Experten berücksichtigen auch die geometrischen Randbedingungen des Bearbeitungsprozesses, der zur Herstellung des gewünschten Prototyps erforderlich ist. Ohne einen erfahrenen Prototypenbauer kann es schwierig sein, die Vorteile der Entwicklung von Prototypen mithilfe der CNC-Bearbeitung zu nutzen.
Vergleich zwischen CNC-Bearbeitungsprototypen und Spritzgussprototypen
Obwohl beide Prototypen eine visuelle Darstellung des Endprodukts bieten, unterscheiden sie sich erheblich voneinander. Hier ist ein Vergleich zwischen den beiden Arten von Archetypen.
Teiletoleranz
Die Teiletoleranzen für spritzgegossene Prototypen liegen im Bereich von ±. 0.1 bis 0.7 mm. Der Grund dafür liegt in der Schrumpfung nach der Injektion. Andererseits weist der CNC-Maschinenprototyp eine extrem hohe Toleranz von ±0.01 mm auf, was die Präzision und Genauigkeit des Bearbeitungsprozesses beweist.
Prototypenmaterial
Spritzgegossene Prototypen bestehen in der Regel aus Kunststoff oder Elastomeren. Dies liegt daran, dass der Produktionsprozess erfordert, dass geschmolzenes Material in Formen gegeben wird, um Prototypen zu formen. Im Gegensatz dazu können CNC-bearbeitete Prototypen je nach dem vom Designer gewählten Material aus Holz, Kunststoff oder Metall bestehen.
Oberflächenqualität
Trotz der Präzision des Spritzgussverfahrens können die hergestellten Prototypen geringfügige Mängel wie Verzug, Einfallstellen, Fließlinien, Bindenähte usw. aufweisen. Diese Mängel können sich negativ auf das Erscheinungsbild der spritzgegossenen Prototypen auswirken. Andererseits weisen CNC-bearbeitete Prototypen aufgrund der breiten Palette an Werkzeugen, die im CNC-Bearbeitungsprozess verwendet werden, eine bessere Oberflächengüte auf.
Vergleich zwischen CNC-Prototyping und 3D-Druck
Obwohl es sich bei beiden um Prototyping-Verfahren handelt, unterscheiden sie sich stark in den Ansätzen und Lösungen, die sie bieten. Darüber hinaus haben beide Verfahren ihre Vor- und Nachteile.
Materialverbrauch
3D Druck verursacht deutlich weniger Materialabfall als beim CNC-Prototyping. Denn beim 3D-Druck werden nur die Materialien verwendet, die im Herstellungsprozess benötigt werden. Bei der CNC-Bearbeitung hingegen wird überschüssiges Material vom Block entfernt, um die gewünschte Form zu erreichen.
Prototyping-Kosten
Das CNC-Verfahren ist teurer als der 3D-Druck. Der Preisunterschied ist auf die Anzahl der Zubehörteile zurückzuführen, die für die optimale Funktion der CNC-Maschine erforderlich sind. Dieses Zubehör reicht von Vorrichtungen und Schneidwerkzeugen bis hin zu Schneidflüssigkeitszufuhrsystemen. Darüber hinaus wirken sich die hohen Anschaffungskosten von CNC-Maschinen auf die Kosten für Prototypen aus, die im Rahmen des Bearbeitungsprozesses hergestellt werden, und machen sie teurer.
Begleitmaterial
Die CNC-Bearbeitung unterstützt eine breite Palette von Materialien, von Holz und Kunststoff bis hin zu Metallen und Legierungen. Beim 3D-Druck hingegen werden im Allgemeinen Thermoplaste bevorzugt, da sie sich leicht erhitzen und formen lassen.
Teiletoleranz und Zähigkeit
CNC-Maschinen haben eine Toleranz von ±0.01 mm, während 3D-Drucktechnologien der nächsten Generation wie DMLS (Direct Metal Laser Sintering) eine Toleranz von ±0.1 mm haben. Darüber hinaus entstehen beim CNC-Prototyping Teile, die stabiler sind als beim 3D-Druck.
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CNC-Prototyp-Galerie