CNC-bewerking Uitgelegd: Precisieproductie voor Metaal- en Kunststofonderdelen

CNC-bewerking is vandaag de dag de meest voorkomende subtractieve productietechnologie en een uiterst flexibele en robuuste manier om maatwerk metalen en kunststofonderdelen te produceren. Met behulp van CAD-modellen verwijderen CNC-machines precies materiaal uit een massief blok met een verscheidenheid aan snijgereedschappen.

Over het algemeen produceert CNC-bewerking onderdelen met strakke toleranties en indrukwekkende materiaaleigenschappen. Het is geschikt voor éénmalige taken en lage tot middelgrote volume productie (tot 1.000 onderdelen), dankzij zijn hoge herhaalbaarheid. Het kent wel meer ontwerprestricties dan 3D-printen, deels door de subtractieve aard van de technologie.

In deze introductieve gids geven we u een overzicht van de basisprincipes van de technologie en hoe deze relateren tot belangrijke voordelen en beperkingen. We leggen ook de belangrijkste verschillen uit tussen de twee hoofdtypen CNC-machine-opstellingen: frezen en draaien.

CNC-bewerking: De productie- & ontwerpgids

Essentiële bonus: download onze gratis gids over CNC-bewerking en leer alles wat u moet weten over deze subtractieve technologie in ruim 40 pagina's.

Hoe werkt CNC-bewerking? Laten we praten over frezen en draaien

De twee hoofdtypes CNC (computer numerical control) bewerkingsystemen zijn frezen en draaien. Vanwege de kenmerken van elk machinetype zijn frezen en draaien elk uniek ideaal voor het vervaardigen van verschillende geometrieën.

Laten we uitleggen hoe onderdelen gefabriceerd worden met deze twee verschillende machine-opstellingen.

Hoe werkt CNC-frezen?

CNC-frezen is de meest populaire CNC-machinearchitectuur. In feite is de term CNC-frezen vaak synoniem met CNC-bewerking. CNC-freesmachines gebruiken rotationele snijgereedschappen om materiaal te verwijderen van een onderdeel gemonteerd op de machinebed.

De meeste CNC-freesystemen hebben 3 lineaire vrijheidsgraden: de X-, Y- en Z-assen. Geavanceerdere systemen hebben 5 vrijheidsgraden via rotatie van het bed en/of het gereedschapshoofd (A- en B-assen). 5-assige machines kunnen onderdelen produceren met hoge geometrische complexiteit en kunnen de noodzaak voor meerdere machineerfases elimineren.

Hier is een overzicht van hoe een CNC-freesmachine een CAD-model omzet in een maatwerkonderdeel.

• De operator zet een CAD-model om in een reeks opdrachten die door de CNC-machine geïnterpreteerd worden (G-code).

• Een blok materiaal – dit heet de blank of het werkstuk – wordt op maat gezaagd en op het bouwplatform geplaatst, met behulp van een spanklem of door het direct op het bed te monteren.

• Het is belangrijk om het werkstuk precies te positioneren en uit te lijnen om nauwkeurige onderdelen te produceren. U kunt speciale meetinstrumenten (tastvoelers) gebruiken om te helpen met positionering en uitlijning.

• Gespecialiseerde snijgereedschappen, draaiend op zeer hoge snelheden (duizenden RPM), verwijderen materiaal uit het blok. Eerst verwijdert de machine materiaal snel met een lagere nauwkeurigheid om een benaderende geometrie te bereiken. Vervolgens neemt het een paar hogere nauwkeurigheid passes om het eindonderdeel te produceren.

• Als het model kenmerken heeft die niet bereikt kunnen worden door het snijgereedschap in een enkele opstelling, moet de operator het werkstuk omdraaien en deze stappen herhalen.

Na bewerking moet u een gefreesd onderdeel ontgraten. Ontgraten is het handmatige proces van het verwijderen van kleine defecten van een afgerond onderdeel. Deze defecten, doorgaans gevonden op scherpe randen, komen door materiaalvervorming tijdens bewerking. Bijvoorbeeld, wanneer een boor de verste zijde van een doorgaand gat verlaat, zal het vlekken achterlaten die verwijderd moeten worden.

Vervolgens wilt u de kritische afmetingen van het onderdeel inspecteren als toleranties gespecificeerd waren in de technische tekening. Nadat u deze stap voltooid hebt, is uw onderdeel klaar voor gebruik of voor nabewerking. Er is veel te ontdekken over nabewerking voor CNC-bewerkte onderdelen (zowel gefreesd als gedraaid), dus we raden aan uw kennis te verfrissen en/of op te voeren.

Hoe werkt CNC-draaien?

CNC-draaimachines gebruiken stationaire snijgereedschappen om materiaal te verwijderen van een onderdeel, gemonteerd op een roterende spanklem. Dit is een ideale manier om onderdelen met symmetrie langs hun middenas te vervaardigen. Gedraaide onderdelen worden doorgaans sneller en tegen lagere kosten geproduceerd dan gefreesde onderdelen.

Doorgaans worden CNC-draaisystemen – ook wel draaibanken genoemd – gebruikt om cilindrische onderdelen te creëren. Moderne multi-assige CNC-draaicentra, uitgerust met CNC-freesgereedschappen, kunnen niet-cilindrische onderdelen vervaardigen. Deze systemen combineren de hoge productiviteit van CNC-draaien met de mogelijkheden van CNC-frezen en kunnen een zeer groot bereik aan geometrieën met rotatiesymmetrie vervaardigen, zoals nokassen en radiale compressorwielen.

Hier is een overzicht van hoe een CNC-draaimachine onderdelen vervaardigt.

• De operator genereert G-code vanuit een CAD-model en laadt de machine met een cilinder voorraadmateriaal (blank).

• Het onderdeel begint met hoge snelheid te draaien en een stationair snijgereedschap volgt een profiel, progressief materiaal verwijderend tot u de ontworpen geometrie heeft.

• Interne snijgereedschappen en centrumboormachines kunnen gebruikt worden om gaten langs de middenas van het werkstuk te boren.

• Als u het onderdeel moet omdraaien of verplaatsen, moet u dit proces herhalen. Anders, zodra u klaar bent met het verwijderen van materiaal, zou het onderdeel klaar moeten zijn voor gebruik of verdere nabewerking.

Omdat de grens tussen CNC-frezen en draaisystemen vervaagt, zal de rest van deze gids zich voornamelijk richten op CNC-frezen, aangezien het het vaker gebruikte productieproces is.

Een snelle gids tot CNC-bewerkingsparameters

De meeste bewerkingsparameters worden bepaald door de machineoperator wanneer ze G-code genereren. De belangrijkste parameters die we willen behandelen zijn de bouwwgrootte en nauwkeurigheid van CNC-machines.

CNC-machines hebben een relatief groot bouwgebied, met name in vergelijking met 3D-printers. CNC-freesystemen kunnen onderdelen bewerken met afmetingen tot 2.000 x 800 x 100 mm (78" x 32" x 40"), met CNC-draaisystemen die onderdelen kunnen bewerken met een diameter tot Ø 500 mm (Ø 20'').

U kunt onderdelen vervaardigen met hoge nauwkeurigheid en strakke toleranties met CNC-bewerking. CNC-machines kunnen zelfs toleranties halen van minder dan de helft van de diameter van een gemiddeld menselijk haar (± 0,025 mm of .001''). Als geen tolerantie gespecificeerd is in de technische tekening, zal een operator doorgaans het onderdeel bewerken met een nauwkeurigheid van 0,125 mm (.005'').

Wat zijn de meest voorkomende snijgereedschappen voor CNC-bewerking?

Om een breed scala aan geometrieën te creëren, gebruiken CNC-machines veel verschillende snijgereedschappen. Hier zijn enkele van de meest gebruikelijke bewerkingsgereedschappen voor frezen.

De platte kop, bolle kop en bolkop gereedschappen worden gebruikt om sleuwen, grepen, kaviteiten en andere verticale wanden te bewerken. Omdat ze elk verschillende geometrische mogelijkheden hebben, kunnen ze veel verschillende typen kenmerken bewerken. Bolkopgereedschappen worden ook veel gebruikt in 5-assige CNC-bewerking om oppervlakken met kromming en vrijvormgeometrieën te vervaardigen.

Boormachines zijn uiteraard het meest gebruikte gereedschap om gaten snel en efficiënt te maken. U kunt alle standaard boordiameters hier vinden. Om gaten met niet-standaard diameters te maken, kunt u een plongeer platte kop gereedschap gebruiken (volgende een helingpad).

De diameter van de schacht van sleufsnijder is kleiner dan de diameter van hun snijrand, wat deze freesgereedschappen in staat stelt T-sleuwen en andere onderdoorsnedes te snijden door materiaal van de zijkanten van een verticale wand te verwijderen.

Gewindetappen worden gebruikt om gewindegaten te vervaardigen. Om een draad te maken, is precieze controle van de rotatie- en lineaire snelheid van de tap vereist. Machinewerkplaatsen vertrouwen nog steeds vaak op handmatig tappen.

Vlakfreeskoppen worden gebruikt om materiaal van grote, vlakke oppervlakken te verwijderen. Ze hebben een grotere diameter dan eindfreesgereedschappen, dus ze vereisen minder passes om grote gebieden te bewerken. Dit vermindert de totale bewerkingstijd voor het produceren van onderdelen met vlakke oppervlakken. Operators zullen vaak een vlakfreessstap nemen tijdens de bewerkingscyclus om de afmetingen van het blok voor te bereiden.

U vindt een even uitgebreid bereik aan snijgereedschappen die gebruikt worden in CNC-draaien, die al uw bewerkingsbehoeftes dekken zoals vlaksnijden, draadschnijden en greepjes snijden.

CNC-bewerking van onderdelen met geometrische complexiteit: wat zijn de ontwerprestricties?

Hoewel CNC-bewerking indrukwekkende ontvrijheid biedt, kunnen draai- en freesmachines niet elke geometrie vervaardigen. In tegenstelling tot 3D-printen, hoe complexer het ontwerp, hoe duurder het om te bewerken. Dit komt door de extra stappen die vereist zijn voor complexere onderdelen.

De belangrijkste restricties die geassocieerd zijn met CNC-bewerking, hebben te maken met de geometrie van elk individueel snijgereedschap. De geometrie van het gereedschap bepaalt de stralen van een onderdeel, en de meeste CNC-snijgereedschappen zijn cilindrisch gevormd en hebben een beperkte snijlengte. Deze factoren maken scherpe interne hoeken bijzonder uitdagend.

Toegankelijkheid voor gereedschappen is een andere grote restrictie met CNC-bewerking. Bijvoorbeeld, 3-assige systemen kunnen maar een bepaald niveau van onderdeelcomplexiteit bereiken. Als u ontwerpt voor een 3-assige machine, zullen alle onderdeelkenmerken alleen direct van boven bereikbaar zijn. 5-assige systemen bieden superieure flexibiliteit, omdat de hoek tussen het onderdeel en het gereedschap aangepast kan worden om toegang te krijgen tot moeilijker bereikbare gebieden van het werkstuk.

Daarnaast zijn onderdelen met dunne wanden of andere fijne kenmerken bijzonder moeilijk voor CNC-machines. Dunne wanden zijn gevoelig voor trillingen en kunnen breken door de kracht van draaien of frezen. We raden aan metalen onderdelen te ontwerpen met een minimale wanddikte van 0,8 mm en kunststofonderdelen met een wanddikte van 1,5 mm.

Begrijpen hoe complex u uw onderdeel kunt ontwerpen voor verschillende typen machines, evenals welke restricties u in gedachten moet houden, is cruciaal om ervoor te zorgen dat uw onderdelen eruitkomen zoals ontworpen en aan de kwaliteitsstandaard die u zoekt. Voor extra richtlijnen over hoe ontwerp u veel tijd en geld kan besparen op CNC-bewerking, bekijk dit artikel.

Wat zijn de kenmerken van CNC-bewerking?

Een sleutelsterkte van CNC-bewerking is zijn capaciteit om consistent robuuste onderdelen te produceren uit een zeer brede selectie van materialen. CNC-machines kunnen praktisch elk technisch materiaal aan.

In tegenstelling tot 3D-printen, hebben onderdelen vervaardigd via CNC-bewerking volledig-isotrope fysieke eigenschappen die identiek zijn aan de eigenschappen van het bulkmateriaal waaruit ze bewerkt zijn.

CNC-bewerking betreft voornamelijk metalen voor zowel prototyping als grotere productieruns. Het is doorgaans moeilijker om kunststoffen te bewerken, aangezien ze lagere stijfheid en smelttemperaturen hebben, hoewel een veelvoorkomend use case waar we merit in zien, is CNC-bewerking van functionele prototypes uit kunststof voordat men begint met groterschalige productieruns met spuitgieten.

Hoeveel kosten CNC-bewerkingsmaterialen?

Er zijn een hoop materialen beschikbaar voor CNC-bewerking, wat betekent dat de kosten काफी variëren tussen materialen. Elk materiaal komt met een andere prijs, en de fysieke eigenschappen van elk materiaal beïnvloeden de totale bewerkingskosten.

Aluminium 6061 is de meest economische optie als u kiest voor metalen onderdelen, met een benaderende bulkkost van $25 voor een blank met afmetingen 150 x 150 x 25 mm. ABS is de goedkoopste optie, met een kost van ongeveer $17 voor een blank van dezelfde grootte. En wat de gemakkelijkheid van bewerking betreft die de kosten beïnvloedt, is roestvrij staal een goed voorbeeld. Het is veel harder dan aluminium en daardoor moeilijker te bewerken, wat de totale kosten verhoogt.

Hier is een uitgebreid overzicht van de meest populaire materialen die we op het Hubs-platform aanbieden en hun belangrijke kenmerken.

Materiaal	Kenmerken	Kostenvergelijking
Aluminium 6061	Goede sterkte-gewichtverhouding, uitstekende bewerkbaarheid, lage hardheid	$
Roestvrij staal 304	Uitstekende mechanische eigenschappen, bestendig tegen corrosie & zuur, relatief moeilijk te bewerken	$$$
Messing C360	Hoge duktiliteit, uitstekende bewerkbaarheid, goede corrosiebestendigheid	$$
ABS	Uitstekende slaanweerstand, goede mechanische eigenschappen, gevoelig voor oplosmiddelen	$$
Nylon (PA6 & PA66)	Uitstekende mechanische eigenschappen, hoge toughness, slechte vochtbestendigheid	$$
POM (Delrin)	Hoge stijfheid, uitstekende thermische & elektrische eigenschappen, relatief bros	$$

Hoe kan ik meer leren over materialen voor CNC-bewerking?

Er is veel te leren over al de materialen die Hubs aanbiedt voor CNC-bewerking. Om een diepe duik te maken in individuele materialen of sets van materialen, bekijk deze gespecialiseerde video's, beschikbaar op ons Youtube-kanaal.

Nabewerking en oppervlakteafwerkingen voor CNC-bewerking

CNC-bewerkte onderdelen die recht van de machine komen, zullen doorgaans zichtbare gereedschapssporen hebben, wat niet altijd wenselijk is afhankelijk van uw onderdeeleisen. Er zijn veel nabewerkingsmethoden die gebruikt kunnen worden om het uiterlijk van het oppervlak van een onderdeel te verbeteren en de slijt-, corrosie- en chemische bestendigheid te vergroten. Anodiseren, korrelstraalen en poedercoating zijn alle gangbare methoden voor het afwerken van uw maatwerkonderdelen.

Omdat dit een meer algemene gids is, gaan we niet diep in op nabewerking en oppervlakteafwerkingen. U kunt de meest voorkomende technieken en afwerkingen voor CNC-bewerking verkennen in deze handige uitleg.

Wat zijn de voordelen en nadelen van CNC-bewerking?

Hoewel CNC-bewerking een haalbare en zelfs ideale productieproces is voor veel toepassingen die spannen van prototyping tot middelgrote productie van eindgebruiksonderdelen, is het niet zonder gebreken. In deze sectie behandelen we de voordelen en beperkingen van dit subtractieve bewerkingsproces.

CNC-bewerking biedt uitstekende nauwkeurigheid en herhaalbaarheid. Zowel frezen als draaien kunnen onderdelen produceren met zeer strakke toleranties, wat CNC ideaal maakt voor high-end toepassingen zoals in de luchtvaart-, aviatie- en automobielindustrie. De meeste materialen die in CNC-bewerking gebruikt worden, hebben uitstekende en volledig-isotrope fysieke eigenschappen en zijn geschikt voor de meeste technische toepassingen.

In het algemeen is CNC-bewerking het meest kosteneffectieve productieproces voor het produceren van lage tot middelgrote aantallen metalen onderdelen. Dit betekent dat u CNC kunt gebruiken voor enkele prototypes of om tot 1.000 eenheden te produceren.

Hoewel deze voordelen CNC-bewerking een aantrekkelijke optie maken voor ingenieurs, maakt de subtractieve aard van de technologie bepaalde complexere geometrieën zeer duur of zelfs onmogelijk om te vervaardigen.

Uit financieel perspectief is de opstartkost van CNC-bewerking veel hoger dan die van 3D-printen. Als u op zoek bent naar low-cost prototypes van kunststof, dan kan 3D-printen een betere optie zijn waar opzet betreft.

Levertijden voor CNC-bewerking neigen ertoe langer te zijn dan voor 3D-printen, aangezien de gemiddelde levertijd voor CNC 10 dagen is vergeleken met de veel lagere 2-5 dagen voor 3D-printen. CNC-machines zijn niet zo wijd beschikbaar als 3D-printers, omdat ze meer deskundige kennis vereisen om effectief te bedienen.

Wat zijn Hubs' vuistregels voor CNC-bewerking?

Laten we de sleutelparameters opsplitsen die te overwegen zijn voor CNC-bewerking van zowel metalen als kunststof maatwerkonderdelen.

Sleutel CNC-parameter	Wat Hubs zegt
Dimensionele nauwkeurigheid	Typisch: ± 0,125 mm (.005'') Maximum: ± 0,02 mm (.0008'')
Minimale wanddikte	Metalen: 0,75 mm (0,030") Kunststoffen: 1,5 mm (0,060")
Maximale bouwwgrootte	Frezen: 2000 x 800 x 100 mm (78'' x 32'' x 40'') Draaien: Ø 500 mm (Ø 20'')

Veelgestelde vragen

Wat is de beste toepassing van CNC-bewerking?

CNC-bewerking is ideaal voor éénmalige productietaken en voor lage tot middelgrote volume productie van diverse honderden tot 1000 onderdelen. We raden aan CNC-bewerking te gebruiken om uw metalen prototypes te produceren, aangezien het de meest prijsconcurrentieve optie is. Ook moet u voor CNC-bewerking kiezen wanneer uw onderdelen zeer strakke toleranties moeten hebben.

Wat zijn de meest voorkomende CNC-bewerking snijgereedschappen?

CNC-machines gebruiken een verscheidenheid aan snijgereedschappen om een breder bereik aan onderdeelgeometrieën te bereiken. Deze gereedschappen omvatten boormachines, sleufsnijder, gewindetappen, vlakfreeskoppen en platte kop, bolle kop en bolkop gereedschappen.

Welke industrieën gebruiken CNC-bewerking het meest?

CNC-bewerking is een wijd toegepast subtractief productieproces. Een groot aantal industrieën vertrouwt op CNC, waaronder luchtvaart, automobiel, aviatie, transport en andere integrale sectoren. Vliegtuigonderdelen moeten bijvoorbeeld met een enorme mate van precisie geproduceerd worden om te garanderen dat de hele machine perfect functioneert zoals ontworpen.

Is CNC-bewerking volledig geautomatiseerd?

CNC-bewerking is grotendeels geautomatiseerd en betrouwbaar op vooraf geprogrammeerde software. CAD-software stelt de afmetingen van een onderdeel in, die CNC-machines gebruiken om fysieke onderdelen te produceren. In het algemeen is zeer weinig menselijke ingrip nodig, hoewel sommige complexe processen een extra handje kunnen vereisen als het onderdeelontwerp uniek complex is. Over het algemeen maakt near-complete automatisering CNC-bewerking een herhaalbaar, betrouwbaar productieproces.