Fünf-Achs-CNC-Fräsmaschine für den Formen- und Modellbau

Was ist eine 5-Achs-CNC-Fräsmaschine?

Zunächst wollen wir uns das Konzept der Fünf-Achs-Fräsmaschinen genauer ansehen. Je nach Bearbeitungsmethode lassen sie sich in „3+2“, „4+1“ und „Fünf-Achs-Verkettung“ unterteilen. Wie lassen sich diese Methoden also verstehen?

Aus professioneller Sicht bedeutet „3+2“ die Hinzufügung zweier Achsen zu einer dreiachsigen (X-, Y- und Z-Achse) CNC-Fräse. Diese beiden Achsen sind die Kipp- bzw. Drehachsen zum Spannen von Werkstücken und werden als A- und C-Achse bezeichnet. Es ist wichtig zu beachten, dass diese beiden Achsen nicht bei allen fünfachsigen CNC-Fräsen als A- und C-Achsen bezeichnet werden. Dies hängt mit der Definition und Drehrichtung des jeweiligen CNC-Systems zusammen. Sie können auch als A- und B-Achse oder B- und C-Achse bezeichnet werden.

„4+1“ steht für vier Achsen plus eine Achse. Die Hardware bleibt dabei unverändert. 4+1 beschreibt die Koppelfähigkeit. Viele glauben fälschlicherweise, dass sich nur eine der Achsen A oder C des Rundspannfutters bewegen kann, was jedoch nicht der Fall ist. Tatsächlich bedeutet 4+1 „Fünf-Achs-Vier-Koppelung“. Das heißt, während des Bearbeitungsprozesses können vier der fünf Achsen der Maschine gleichzeitig gekoppelt werden, während die verbleibende Achse für die Positionierung dient. Beispielsweise können sich die Achsen X, Y, A und C koordiniert bewegen, während die Z-Achse stillsteht; oder umgekehrt können sich die Achsen X, Y, Z und A bewegen, während die C-Achse stillsteht.

Fünf-Achsen-Fünf-Gelenk-System bedeutet, dass die fünf Achsen gleichzeitig zusammenarbeiten und die Bearbeitungsaufgaben an jedem Winkel und jeder gekrümmten Oberfläche außer der Spannfläche gleichzeitig erledigen können.

Strukturtyp einer Fünf-Achs-CNC-Fräsmaschine

Es gibt viele Arten von Fünf-Achsen-Konstruktionsstrukturen, die gängigsten sind:

• Doppeldrehtisch-Bauart: Auf der Werkbank ist eine bidirektionale Drehachse installiert. Die um die X-Achse rotierende Achse wird als A-Achse, die um die Z-Achse rotierende Achse als C-Achse bezeichnet. Aufgrund der begrenzten Tragfähigkeit und des Rotationsradius der Drehachse eignet sich diese Bauart für die Bearbeitung kleiner und mittelgroßer Werkstücke.

• Tisch mit beweglichem Doppelschwenkkopf: Bei dieser Konstruktion ist der Werkstücktisch beweglich, der Portalrahmen hingegen fest. Die Spindel ist auf einem Schwenkkopf montiert, der sich um die Z-Achse (C-Achse) drehen lässt. Zusätzlich ist eine A-Achse vorhanden, die sich um die X-Achse dreht. Der 5-Achs-Gravierkopf, der sich um 360° um die C-Achse und ±110° um die A-Achse drehen kann, ermöglicht die Bearbeitung komplexer Materialformen. Die meisten Formteile werden mit Maschinen dieser Bauart gefertigt.

• Einarmige Schwenk- und Drehachse: Diese Maschinenkonstruktion verfügt über eine um 360° drehbare Achse auf dem Werkstück und eine um 180° schwenkbare Achse auf der Spindel. Die Drehachsenkonstruktion dieser Werkzeugmaschine zeichnet sich durch hohe Belastbarkeit und Rotationsgenauigkeit aus. Jeweils zwei der Achsen A, B und C können kombiniert werden, um vielfältige Bearbeitungsanforderungen zu erfüllen. Sie eignet sich besonders für rotierende und kastenförmige Produkte wie Metallmotoren, nichtmetallische Figuren, Statuen usw.

• Portalrahmen in Brückenbauweise: Diese Konstruktion besteht aus einer Einheit aus Y- und Z-Achse sowie einem schwenkbaren Fünf-Achs-Bearbeitungskopf, der sich in X-Richtung auf dem festen Tisch bewegt und Werkstücke mit komplexen Formen bearbeitet, die auf dem Werktisch fixiert sind. Diese Konstruktion zeichnet sich durch hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten aus und eignet sich für die Fünf-Achs-Bearbeitung großer Produkte.

Die oben genannten Modelle können eine Fünf-Achs-Fünf-Gelenk-Konstruktion realisieren, ob diese Funktion jedoch tatsächlich erreicht werden kann, hängt davon ab, ob das eingesetzte CNC-System dies unterstützt und ob es über die RTCP-Funktion verfügt.

Preis einer Fünf-Achs-CNC-Fräse

Viele denken unbewusst, dass Fünf-Achs-Maschinen teuer sind. Das stimmt aber nicht. Der Preis hängt von Material, Größe und Präzisionsanforderungen des zu bearbeitenden Produkts ab. Eine kleine Fünf-Achs-CNC-Fräse für den Heimgebrauch kostet nur 2,600 US-Dollar. Nur große Fünf-Achs-Bearbeitungszentren oder solche für die Metallbearbeitung sind sehr teuer. Der durchschnittliche Kaufpreis einer Fünf-Achs-CNC-Fräse für die Bearbeitung von nichtmetallischen Formen liegt bei 32,850 US-Dollar. Optional ist auch eine Maschine mit automatischem Werkzeugwechsel erhältlich; dieses Funktionsset kostet 2,300 US-Dollar. Alternativ kann man sich für eine Maschine mit Doppeltisch entscheiden. Während ein Produkt bearbeitet wird, kann das Material für das nächste vorbereitet werden; dieses Funktionsset kostet durchschnittlich 4,280 US-Dollar.

Es ist zu beachten, dass der Preis für diese Maschine relativ hoch ist. Der durchschnittliche Kaufpreis einer hochpräzisen, großen 5-Achs-Werkzeugmaschine mit 5 Gelenken für die Metallbearbeitung liegt bei 328,570 US-Dollar. Für ein genaues Angebot, das Ihren Anforderungen entspricht, können Sie sich an den Anbieter wenden.

Funktionsprinzip eines Fünf-Achs-Bearbeitungszentrums

Zunächst einmal unterscheidet sich die Arbeitsweise der 5-Achs-CNC-Werkzeugmaschine von der herkömmlicher CNC-Werkzeugmaschinen. Herkömmliche CNC-Werkzeugmaschinen können sich nur in den drei Achsen X, Y und Z bewegen, während die 5-Achs-CNC-Werkzeugmaschine zusätzlich zwei Drehwinkel steuern kann. Dadurch sind komplexere Bearbeitungsaufgaben möglich, wie beispielsweise die Gravur dreidimensionaler gekrümmter Oberflächen oder die Bearbeitung spiralförmiger Oberflächen.

Das Herzstück der 5-Achs-Steuerung ist das CNC-System, das die synchrone und koordinierte Bewegung der fünf Achsen präzise programmiert. Die drei linearen Achsen X, Y und Z ermöglichen es dem Werkzeug, das Werkstück von vorn, hinten, links, rechts sowie von oben und unten zu bearbeiten. Die Achsen A, B und C ermöglichen Winkeländerungen des Werkstücks oder Werkzeugs durch Drehung um diese drei Achsen. Die konkrete Umsetzung hängt von der Konstruktion der Werkzeugmaschine und den Anforderungen an die Werkstückbearbeitung ab. Mit dieser Art von Werkzeugmaschine kann das Werkzeug das Werkstück aus verschiedenen Winkeln bearbeiten, was eine sehr hohe Bearbeitungsflexibilität gewährleistet. Durch die Reduzierung der Spannzeiten wird zudem die Bearbeitungsgenauigkeit sichergestellt, und die hochpräzise und effiziente Bearbeitung komplexer Formen ist möglich. Dies macht die Maschine ideal für die Fertigung hochpräziser und komplexer Teile oder Formen.

Kurz gesagt, das Prinzip der 5-Achs-CNC-Werkzeugmaschine besteht darin, die lineare und rotatorische Bewegung der fünf Achsen über das Steuerungssystem zu regeln, um die Bearbeitung des Werkstücks in verschiedenen Winkeln zu ermöglichen. Sie verwendet nur 5 Achsen, da dies die Mindestanzahl ist, die für die Bearbeitung in jedem Winkel erforderlich ist. Je weniger Achsen benötigt werden, desto einfacher und kompakter ist die Werkzeugmaschine und desto leichter lässt sich ihre dynamische und statische Steifigkeit gewährleisten. Dynamische und statische Steifigkeit sind für CNC-Werkzeugmaschinen mit hohen Präzisionsanforderungen von entscheidender Bedeutung.

Im Allgemeinen ermöglicht ein 5-Achs-Bearbeitungszentrum mit 5 Gelenken die Rundumbearbeitung des Werkstücks mit Ausnahme der Spannfläche. Bei manchen Werkstücken, die auch an der Spannfläche bearbeitet werden müssen, ist jedoch ein erneutes Spannen erforderlich. Um die Genauigkeit des wiederholten Spannens zu gewährleisten, wird eine zusätzliche mechanische Vorrichtung benötigt, die den Positionierfehler beim wiederholten Spannen ausgleicht. Diese Vorrichtung verfügt über mehrere bewegliche Achsen, die nicht an der Schnittbewegung beteiligt sind und als Hilfsachsen bezeichnet werden. Maschinen dieser Art mit mehr als 5 Achsen werden als Mehrachsen-Werkzeugmaschinen mit 5 Gelenken bezeichnet, beispielsweise 7-Achs- oder 9-Achs-Werkzeugmaschinen mit 5 Gelenken. Die Anzahl der verbundenen Achsen ist der entscheidende Faktor für eine Mehrachsen-CNC-Werkzeugmaschine. Normalerweise ist die praktische Bedeutung von mehr als 5 verbundenen Achsen gering, da 5 Achsen und 5 Gelenke unabhängig von der Komplexität des Werkstücks für eine hochpräzise Rundumbearbeitung ohne tote Winkel ausreichen. Bei einer Mehrachsen-CNC-Drehmaschine sind alle Achsen außer den fünf Hauptachsen Hilfsachsen. Ihr Hauptzweck ist die Steigerung der Bearbeitungseffizienz und die Sicherstellung der Werkstückgenauigkeit. Ob diese Hilfsachsen miteinander verbunden werden können oder nicht, ist unerheblich.

Vergleich von Drei-, Vier- und Fünf-Achsen-Systemen

Eine 3-Achs-CNC-Fräse eignet sich für einfache ebene Fräsarbeiten, während eine 4-Achs-CNC-Fräse zusätzlich Rotationsmöglichkeiten für zylindrische und 3D-Fräsarbeiten bietet. Eine 5-Achs-CNC-Fräse bietet höchste Flexibilität und ermöglicht die gleichzeitige multidirektionale Bearbeitung komplexer Geometrien in einer einzigen Aufspannung.

3-Achsen-CNC-Fräser

Die 3-Achs-Bearbeitung ist die grundlegendste Bearbeitungsart bei CNC-Fräsmaschinen. Sie nutzt drei unabhängige Linearachsen (X, Y und Z), um die Bewegung des Schneidwerkzeugs direkt oder indirekt zu steuern. Dadurch sind horizontale Bewegungen (links/rechts und vorwärts/rückwärts) sowie vertikale Bewegungen (aufwärts/abwärts) möglich. Dies ermöglicht die Bearbeitung der meisten hochpräzisen geometrischen Grundformen, wie z. B. 2D- und 2.5D-Gravuren, Nutenfräsen, Oberflächenfräsen und Bohren. Allerdings kann eine 3-Achs-CNC-Fräsmaschine in einer Aufspannung nur eine Werkstückoberfläche bearbeiten. Für die Bearbeitung mehrerer Oberflächen oder gekrümmter Flächen ist diese Maschinenart nicht geeignet.

4-Achsen-CNC-Fräsmaschine

A Vierachs-CNC-Fräsmaschine besitzt eine zusätzliche Rotationsachse im Vergleich zu einem Drei-Achs-CNC-FräseDiese Rotationsachse verleiht der vierachsigen CNC-Fräsmaschine zusätzliche Rotationsfreiheitsgrade. Durch Drehen des Werkstücks oder Werkzeugs können mehrere Oberflächen oder Winkel des Materials bearbeitet werden, wodurch sich das Anwendungsspektrum erweitert. Sie wird häufig bei geometrischen Formen mit Biegemerkmalen eingesetzt, beispielsweise beim Gravieren von Zylinderoberflächen, beim Schneiden von Blechkanten und beim Bohren.

5-Achsen-CNC-Fräser

Eine Fünf-Achs-Maschine basiert auf der Drei-Achs-Maschine und verfügt über zwei zusätzliche Achsen, wodurch sie komplexere Bearbeitungsaufgaben bewältigen kann. Die drei Linearachsen führen lineare Interpolationsbewegungen aus, während die beiden Rotationsachsen Winkel während der Bearbeitung dynamisch verändern können. Dadurch lassen sich diverse schwer zu bearbeitende, gekrümmte Geometrien, enge Hohlraumstrukturen und komplexe Bauteile mit Überhängen bearbeiten. Sie ist sehr leistungsstark. Fast alle Fünf-Achs-Drehmaschinen sind mit der RTCP-Funktion ausgestattet, die die Kompensation anhand des Spindelhubs und der mechanischen Koordinaten des Drehtisches automatisch berechnet. Bei der Programmierung müssen lediglich die Werkstückkoordinaten berücksichtigt werden. Natürlich ist auch die Fünf-Achs-Bearbeitungstechnik nicht perfekt. Ihr relativ hoher Preis könnte die größte Herausforderung für ihre Vermarktung darstellen.

Der Unterschied zwischen 3+2-, 4+1- und 5-Achs-Gelenkketten

Bei diesen drei Maschinentypen handelt es sich allesamt um Fünf-Achs-Maschinen. Worin bestehen also die Unterschiede zwischen ihnen?

3+2

Die 3+2-Achsen-Bearbeitung nutzt die Zwei-Achsen-Positionierung und die XYZ-Achsenverkettung. Sie ermöglicht die Bearbeitung von mehrdimensionalen Fasen, Bohrungen usw., jedoch nicht die direkte Bearbeitung gekrümmter Oberflächen. Im Gegensatz zur Fünf-Achsen-Bearbeitung, bei der zunächst eine Drei-Achsen-Verkettung und anschließend die Zwei-Achsen-Positionierung erfolgt, ist die Programmierung einfacher. Die Drei-Achsen-Bearbeitung ist eine Bearbeitung mit verteilter Positionierung. Dabei können sich Positionierungsfehler akkumulieren, die Präzisionskontrolle ist schwieriger und sie eignet sich für die Bearbeitung einfacher Formen oder komplexer Bauteile.

4+1

Die 4+1-Maschine, auch Fünf-Achs-Vier-Gelenk-Maschine genannt, nutzt drei lineare Achsen (XYZ) und eine Drehachse für die Bearbeitung. Die zweite Drehachse dient ausschließlich der Positionierung. Sie eignet sich für die Bearbeitung komplexer, gekrümmter Oberflächen, z. B. von Bauteilen und Schaufeln. Die Gelenkachsen interpolieren Bewegungen und ermöglichen so die präzise Bearbeitung komplexer Oberflächen. Bei der Programmierung muss die komplexe Werkzeugwegbahn berücksichtigt und mithilfe mathematischer Algorithmen berechnet werden. Dies gewährleistet eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit, reduziert Werkzeugspuren und macht die Maschine ideal für die hochpräzise Bearbeitung komplexer Teile.

5-Achs-Gelenk

Die Fünf-Achs-Verkettung, bei der drei lineare Achsen (X, Y und Z) und zwei Drehachsen koordiniert zusammenarbeiten, ermöglicht die simultane Bearbeitung. Mit diesem Verfahren lassen sich komplexe gekrümmte und Regelflächen bearbeiten.

Bei der praktischen Bearbeitung zeigt sich jedoch, dass die Anzahl der verbundenen Achsen – vorausgesetzt, die Bearbeitungsanforderungen werden erfüllt – umgekehrt proportional zur Stabilität und Qualität des Werkstücks ist. Das bedeutet: Wenn mit 4+1- oder 3+2-Bearbeitungsverfahren qualifizierte Produkte hergestellt werden können, ist die Qualität der Werkstücke oft besser als bei der Bearbeitung mit einem Fünf-Achs-System. Einige komplexe Formen lassen sich jedoch nur mit einem Fünf-Achs-System realisieren. Daher ist ein Fünf-Achs-System nicht immer die beste Wahl; das jeweils geeignete Verfahren ist entscheidend.

Auf dem Markt benötigen bis zu 95 % der Produkte keine Fünf-Achs-Bearbeitung. In der Regel ist die Bearbeitung mit 3+2 festen Achsen für mindestens 70 % der Fünf-Achs-Bearbeitungsszenarien ausreichend, und der Anwendungsbereich der 4+1-Bearbeitung ist mit über 95 % sogar noch höher. Fälle, in denen eine Fünf-Achs-Bearbeitung tatsächlich erforderlich ist, machen weniger als 5 % aus, beispielsweise die Bearbeitung besonders tiefer Hinterschnitte oder extrem verzerrter, komplexer Oberflächen. Darüber hinaus kommt die Fünf-Achs-Bearbeitung von der Schrupp- bis zur Feinbearbeitung voraussichtlich nur bei wenigen Bearbeitungs- und Endbearbeitungsverfahren zum Einsatz.

Im Gegensatz dazu ist die 4+1-Kupplungsmethode nicht nur weiter verbreitet, sondern zeichnet sich auch durch eine vergleichsweise einfachere Struktur, höhere Stabilität und präzisere Bearbeitung aus. Darüber hinaus verfügt sie über dieselbe Werkzeugspitzenfolgefunktion wie die Fünf-Achs-Kupplung und ist somit ideal für die Serien- und Großproduktion geeignet. Die Fünf-Achs-Kupplung hat jedoch auch ihre unersetzlichen Vorteile. Sie kann alle Werkstücke bearbeiten, die auch mit der 3+2- oder 4+1-Kupplung bearbeitbar sind, und darüber hinaus Aufgaben lösen, die mit diesen beiden Methoden nicht realisierbar sind. Daher ist die Fünf-Achs-Kupplung in einigen Bereichen der High-End-Fertigung unverzichtbar.

Was ist RTCP?

Was ist RTCP? RTCP steht für „Rotation of Tool Center Point“ (Drehung des Werkzeugmittelpunkts) und ist allgemein als Werkzeugspitzenfolgefunktion bekannt. Unter den komplexen Arbeitsbedingungen von Fünf-Achs-Werkzeugmaschinen kommt es häufig zu Abweichungen zwischen dem theoretischen Kontrollpunkt des numerischen Steuerungssystems und dem tatsächlichen Werkzeugspitzenpunkt. Um sicherzustellen, dass der Werkzeugspitzenpunkt der vom Steuerungsprogramm vorgegebenen Bahn exakt folgt, muss das numerische Steuerungssystem den Kontrollpunkt automatisch korrigieren können. Diese Funktion ist in der Branche unter verschiedenen Bezeichnungen bekannt, wie z. B. TCPM (Tool Center Point Management), TCPC (Tool Center Point Control) und RPCP (Rotation Around Part Center Point). Trotz der unterschiedlichen Bezeichnungen besteht das Hauptziel darin, die präzise Position des Werkzeugmittelpunkts und den tatsächlichen Kontaktpunkt auf der Werkstückoberfläche konstant zu halten.

Wenn beispielsweise die vierte Achse der Werkzeugmaschine als A-Achse und die fünfte Achse als C-Achse definiert ist und die C-Achse auf der A-Achse montiert ist, beeinflusst die Drehbewegung der A-Achse zwangsläufig die C-Achse. Ebenso verändern sich bei der Bearbeitung eines Werkstücks auf dem Maschinentisch, wenn das Werkzeugzentrum zum Nutenfräsen programmiert ist, aufgrund der Änderung der Drehachsenkoordinaten die Koordinaten der drei linearen Achsen (X-, Y- und Z-Achse) entsprechend, was zu einer relativen Verschiebung führt. Um diese Verschiebung zu kompensieren, muss die Werkzeugmaschine dies tun. RTCP ist für diese Kompensationsfunktion ausgelegt.

Bei Maschinen mit RTCP-Technologie hält das Steuerungssystem den Werkzeugmittelpunkt stets an der im Programm festgelegten Position. Beim Spannen des Werkstücks muss der Bediener dieses nicht mehr präzise an der Mittellinie des Drehtisches ausrichten, sondern kann es frei spannen. Die Werkzeugmaschine kompensiert automatisch den durch das Spannen und andere Faktoren verursachten Versatz. Dies verkürzt nicht nur die Spannzeit, sondern verbessert auch die Bearbeitungsgenauigkeit. Dank der RTCP-Technologie wird auch der Programmierprozess unabhängiger und prägnanter. Programmierer müssen nicht mehr den Einfluss komplexer Maschinenbewegungen und Werkzeuglängenänderungen auf die Bearbeitungsbahn berücksichtigen, sondern konzentrieren sich lediglich auf die Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück. Die komplexen Berechnungen und Kompensationen werden automatisch vom Steuerungssystem durchgeführt. Darüber hinaus vereinfacht RTCP die Nachbearbeitung. Für die Weiterverarbeitung und Qualitätskontrolle müssen lediglich die Koordinaten und Vektordaten der Werkzeugspitze ausgegeben werden.

Der Unterschied zwischen RTCP und Nicht-RTCP

Im Folgenden erläutern wir kurz die Unterschiede zwischen einer Fünf-Achs-Maschine mit RTCP-Funktionalität und einer Maschine ohne diese Funktionalität.

Fünf-Achs-Maschine mit RTCP-Funktionalität: Bei diesem Maschinentyp passt jede Achse, sobald die Vorschubgeschwindigkeit der Werkzeugspitze entlang der Achsen eingestellt ist, ihre Beschleunigung oder Verzögerung anhand der Echtzeitposition der Werkzeugspitze an. Dies gewährleistet eine gleichmäßigere und flüssigere Bewegung der Werkzeugspitze über den gesamten Bearbeitungsweg und verbessert somit die Qualität und Geschwindigkeit des Bearbeitungsprozesses.

Fünf-Achs-Maschine ohne RTCP-Funktionalität: Bei diesem Maschinentyp lässt sich lediglich für jede Achse eine maximale Drehzahl festlegen. Die anderen Achsen verlangsamen sich passiv entsprechend der Bearbeitungsposition, jedoch basierend auf voreingestellten Regeln und nicht auf dynamischen Anpassungen an die Echtzeitposition der Werkzeugspitze. Arbeiten mehrere Achsen koordiniert, führt das Fehlen eines intelligenten Koordinierungsmechanismus wie RTCP zu einer ungleichmäßigen Werkzeugspitzenposition, was wiederum schlechtere Bearbeitungsergebnisse und längere Bearbeitungszeiten zur Folge hat.

Wie programmiert man die 5 Achsen ohne RTCP?

Bei dieser Art von Werkzeugmaschinen basiert die Programmierung hauptsächlich auf CM-Programmierung und Nachbearbeitungstechniken. Hauptziel ist die Lösung des Problems der Koordinatenabweichung zwischen Linear- und Rotationsachse während der Fünf-Achs-Bearbeitung. Zu Beginn der Programmierung müssen die Bediener den Werkzeugweg sorgfältig planen und die Positionsbeziehung zwischen der vierten und fünften Achse der Werkzeugmaschine genau definieren, um die durch die Bewegung der Rotationsachse verursachte Verschiebung in den Linearachsenkoordinaten zu kompensieren. Das so generierte Programm enthält nach dieser Bearbeitung nicht nur die Anfahrpunkte der XYZ-Positionen, sondern auch die erforderlichen Kompensationsbeträge in den XYZ-Achsen.

Diese Programmiermethode weist jedoch zahlreiche Nachteile auf. Hinsichtlich des Bearbeitungsergebnisses erreicht die Bearbeitungsgenauigkeit noch nicht das ideale Niveau, und auch die Bearbeitungseffizienz ist relativ gering. Das generierte Programm ist nur sehr eingeschränkt universell einsetzbar und erfordert einen hohen Personalaufwand. Darüber hinaus führt die unterschiedliche Rotationsparametergröße verschiedener Werkzeugmaschinen und die extrem komplexen Nachbearbeitungsdateien zu erheblichen Schwierigkeiten im Produktionsmanagement. Beim Wechsel von Werkzeugmaschinen oder Schneidwerkzeugen müssen die CM-Programmierung und die Nachbearbeitung erneut durchgeführt werden. Manuelle Fünf-Achs-Programmierung ist daher nahezu unmöglich. Aufgrund des Fehlens der RTCP-Funktion (Remote Time Control Program) können zudem viele fortschrittliche Funktionen von Fünf-Achs-Werkzeugmaschinen nicht genutzt werden. Nehmen wir beispielsweise die Werkzeugkompensation: Bei Werkzeugmaschinen ohne RTCP-Funktion muss beim Spannen des Werkstücks sichergestellt werden, dass sich das Werkstück im Drehzentrum des Arbeitstisches befindet. Dieser Vorgang ist zeitaufwendig für das Spannen und Ausrichten, und selbst dann ist es schwierig, die Spanngenauigkeit zu gewährleisten. Selbst mit Indexierung ist die Bedienung umständlich.

5-Achsen-CNC-Fräsanwendungen

Fünfachsige CNC-Fräsmaschinen finden breite Anwendung in verschiedenen Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Möbelproduktion, der Formenbearbeitung, der Medizintechnik, dem Schiffbau und der Herstellung von Kunsthandwerk.

• Formenbauindustrie: 5-Achs-CNC-Fräsmaschinen sind in der Formenherstellung weit verbreitet, da sie komplexe 3D-Oberflächen in einer einzigen Aufspannung bearbeiten können. Sie eignen sich ideal für die Herstellung von Spritzgussformen, Schaumstoffformen, Automobilformen und industriellen Präzisionsformen. Die Mehrachsenbewegung ermöglicht eine glatte Oberflächenbearbeitung und hohe Genauigkeit, wodurch der Bedarf an manuellem Polieren und Nachbearbeitung reduziert wird.

• Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie: In der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie werden 5-Achs-CNC-Fräsmaschinen zur Herstellung von leichten Strukturbauteilen und komplexen Kurventeilen eingesetzt. Diese Maschinen können moderne Werkstoffe wie Aluminium, Verbundwerkstoffe und technische Kunststoffe bearbeiten und eignen sich daher für die Prototypenfertigung und die Kleinserienproduktion hochpräziser Teile.

• 3D-Skulptur und Kunstschnitzerei: 5-Achs-CNC-Fräsmaschinen werden häufig für großformatige Kunstprojekte wie Statuen, Figuren, religiöse Skulpturen und dekorative Kunstgegenstände eingesetzt. Die Möglichkeit, aus verschiedenen Winkeln zu fräsen, ermöglicht die Herstellung hochdetaillierter und realistischer 3D-Modelle und reduziert die manuelle Fräszeit bei gleichbleibend hoher künstlerischer Qualität.

• Marine- und Schiffsmodellbau: In der Schifffahrtsindustrie werden 5-Achs-CNC-Fräsmaschinen für Schiffsrumpfmodelle, Propellerformen und Yachtkomponenten eingesetzt. Die Fähigkeit der Maschine, große und komplexe gekrümmte Oberflächen zu bearbeiten, macht sie zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die Prototypenentwicklung und Modellfertigung im Schiffbau.

• Werkzeug- und Prototypenfertigung:Die 5-Achs-CNC-Technologie findet breite Anwendung in Forschung und Entwicklung sowie im Prototypenbau. Sie ermöglicht es Ingenieuren, schnell komplexe Funktionsteile herzustellen, Konstruktionen zu testen und Entwicklungszyklen zu verkürzen. Dadurch ist sie für Produktentwicklungszentren und Industriedesignunternehmen äußerst wertvoll.

• Kundenspezifische High-End-Fertigung: Für Branchen, die Sonderanfertigungen und hochgradig individualisierte Teile benötigen, wie beispielsweise Luxusmöbelhersteller, Architekturausstatter und Industriedesignstudios, bieten 5-Achs-CNC-Fräsmaschinen maximale Flexibilität. Sie ermöglichen es Herstellern, einzigartige Designs zu realisieren, die mit herkömmlichen 3- oder 4-Achs-Maschinen nicht möglich sind.

Vergleich von Programmiersoftware für Fünf-Achs-CNC-Fräsmaschinen

Die CNC-Programmierung ist das Herzstück der CNC-Bearbeitung, daher ist die Wahl der passenden Programmiersoftware entscheidend. Allerdings gibt es so viele Programmierprogramme auf dem Markt, dass Anfänger oft überfordert sind.

Im Folgenden werden wir die vier wichtigsten gängigen Programmierprogramme – UG, Mastercam, Powermill und Hypermill – besprechen und ihre jeweiligen Vor- und Nachteile erläutern, um Ihnen bei der Auswahl des für Sie am besten geeigneten Programms zu helfen.

UG(NX)

Im Bereich gängiger Programmiersoftware verfügt UG über einen extrem hohen Marktanteil. Es wird häufig für Programmierarbeiten in der Produkt- und Formenbauindustrie eingesetzt. UG gehört zur Siemens AG in Deutschland und wurde nach der Übernahme in NX umbenannt.

Vorteile: UG integriert Module wie Zeichnen, Konstruktion, Programmierung, Blechbearbeitung und Finite-Elemente-Analyse. Es wird häufig mit Software aus verschiedenen Bereichen verglichen und beweist so seine umfassenden Fähigkeiten. Nach der Übernahme der professionellen Fünf-Achs-Technologie von Moduleworks und grundlegenden Überarbeitungen des Programmiermoduls hat UG seit Version NX12.0 rasante Fortschritte bei den 3D- und Mehrachsen-Werkzeugwegfunktionen erzielt. Es wurde regelmäßig aktualisiert und optimiert und bietet nun Funktionen, die mit denen führender professioneller CAM-Software vergleichbar sind. Im Bereich der 2D-Werkzeugwegberechnung hat die dynamische Integration des Fräswerkzeugwegs beim Planfräsen die Berechnungsgeschwindigkeit im Vergleich zu zuvor deutlich verbessert. Im Bereich der 2.5D-Werkzeugwegberechnung ist die Funktion zum Fräsen von Grundwänden sehr leistungsstark und komfortabel. Im Bereich der 3D-Werkzeugwegberechnung bietet die kontinuierliche Optimierung des Führungskurven-Werkzeugwegs eine starke Unterstützung für die Bearbeitung feiner und glatter Oberflächen. Darüber hinaus ermöglicht die synchrone Modellierungsfunktion von UG ein schnelleres und effektiveres Zeichnen und Modellieren und ist führend im Bereich der synchronen Modellierung.

Nachteile: Die Nachteile von UG liegen auf der Hand. Die Funktionen sind komplex und die Lernschwelle ist hoch. Es dauert in der Regel mehrere Monate oder sogar ein bis zwei Jahre, bis man sich damit vertraut gemacht hat. Glücklicherweise gibt es viele Anwender und relativ umfangreiche Kurse, die das Lernen erleichtern. Darüber hinaus müssen in der UG-Programmierung viele Parameter eingestellt werden, und für Anwender, die keine Programmiervorlagen verwenden, sind die Einstellungen relativ umständlich. Die Benennung und Interpretation vieler Funktionen in der Mehrachsenprogrammierung sind nicht intuitiv, was den Lernaufwand erhöht. Außerdem besteht im Bereich der IPW-Rohlingverwaltung Verbesserungspotenzial.

Mastercam

Es stammt ursprünglich aus den USA und wurde mittlerweile von der Sandvik-Gruppe übernommen. Diese Software hat einen deutlichen Vorsprung hinsichtlich der installierten Basis. Ihre intuitive Benutzeroberfläche ist sehr leicht zu erlernen.

Vorteile: Es bietet starke Vorteile in verschiedenen Bereichen wie 3- bis 5-Achs-Drehmaschinen, Dreh-Fräs-Kombinationsmaschinen usw. Besonders hervorzuheben ist seine dynamische Bearbeitung von 2D-Werkzeugwegen. Die Drahtgitterprogrammierung ist seine Stärke, was auf seine extrem leistungsstarke Auswahlfunktion zurückzuführen ist. Ob 2D-Liniensegmente oder 3D-Kanten – die Bedienung ist intuitiv und komfortabel. Bei 3D-Werkzeugwegen ist die intelligente, integrierte Werkzeugwegberechnung wegweisend. Sie integriert Bearbeitungsmethoden wie die isometrische Parallelgradientenprojektion und ermöglicht dem Anwender eine komfortable Auswahl von Werkzeugwegen für die Oberflächenbearbeitung. In der Mehrachsenprogrammierung nutzt es die Mehrachsentechnologie der Firma Moduleworks und bietet stets modernste Funktionen. Beispielsweise sind die Funktionen und Details für das Mehrachsen-Schruppen und -Entgraten führend unter den aktuellen Programmierprogrammen. Die Software ist leicht zu erlernen, intuitiv und komfortabel zu bedienen. Darüber hinaus sind die während der Programmierung einzustellenden Parameter etwas geringer als bei UG. Wenn Sie sich voll und ganz auf professionelle Programmierarbeit konzentrieren, ist dies die ideale Software. Bei gleicher Lernzeit ist Mastercam oft schneller zu erlernen und einfacher zu beherrschen als UG.

Nachteile: Der Nachteil besteht darin, dass die Modellierungs- und synchronen Modellierungsfunktionen nicht leistungsstark sind. Es ist recht schwierig, komplexe Grafiken zu modellieren und zu modifizieren.

Kraftmühle

Es wurde in Großbritannien entwickelt und später vom amerikanischen Industriegiganten Autodesk übernommen. Es wird häufig für die Programmierung und Verarbeitung im Formenbau eingesetzt und hat sich beinahe zu einer unverzichtbaren Software für die Formenbauindustrie entwickelt.

Vorteile: Diese Software zeichnet sich durch extrem hohe Berechnungsgeschwindigkeiten bei der Werkzeugwegberechnung und eine Funktion zur Vermeidung von Überschnitten aus. Sie ist auf die effiziente Bearbeitung komplexer Formen und Oberflächen spezialisiert und erzielt herausragende Ergebnisse beim Hochgeschwindigkeitsschneiden und der Formenbearbeitung. Durch die effiziente Werkzeugwegberechnung optimiert sie die Bearbeitungszeit, reduziert den Werkzeugverschleiß und bietet vielfältige Bearbeitungsstrategien. Darüber hinaus unterstützt sie verschiedene Simulationsfunktionen, die Anwendern helfen, den Bearbeitungsablauf zu optimieren. Gleichzeitig verfügt sie über eine sehr komfortable Funktion zum Beschneiden von Werkzeugwegen. Für die Formenprogrammierung ist die Beherrschung dieser Software unerlässlich.

Nachteile: Anfänger müssen mehr Zeit investieren, um sich damit vertraut zu machen. Im Vergleich zu umfassenden Multifunktionsprogrammen konzentriert sich Powermill stärker auf die Bildverarbeitung, die Konstruktionsfunktionen sind hingegen weniger ausgeprägt.

Hypemill

Es stammt aus Deutschland und ist mit der deutschen Firma OpenMind verbunden. Als Marktführer im Bereich der Fünf-Achs-Programmierung bietet es eine besonders einfache und komfortable Steuerung der Werkzeugachsen in der Mehrachsenprogrammierung. Das gesamte Modell wird während der Programmierung in die Berechnung einbezogen, wodurch Kollisionen oder Fehlschnitte vermieden werden.

Vorteile: Es gilt als der „König der Fünf-Achs-Programmierung“. Seine Fünf-Achs-Werkzeugwege sind exzellent und eignen sich hervorragend für die Mehrachsenbearbeitung. Insbesondere in der Fünf-Achs-Programmierung verfügt es über starke Leistungsfähigkeit. Seine Schruppbearbeitungsaufträge sind sehr leistungsstark und zeichnen sich durch saubere Werkzeugwege aus. Die Sicherheit der Simulation und Modellierung ist im Vergleich zu anderen Softwarelösungen unübertroffen. Es war das erste Programm, das das Konzept der Superstring-Bearbeitung vorschlug und in der realen Produktion anwandte. Auf diesem Gebiet hat diese Software andere Programme bereits weit hinter sich gelassen. Auch seine Konzepte wie digitale Zwillinge und virtuelle Avatare, die derzeit auf dem Markt beworben werden, sind technologisch führend. Die Optionen zur Einstellung von Werkzeugwegaufträgen sind relativ übersichtlich, was den Einstieg erleichtert, und der Intelligenzgrad ist vergleichsweise hoch.

Nachteile: Die Nachteile dieser Software liegen auf der Hand. Das Auswahl- und das Modellierungsmodul sind jeweils auf eine einzige Funktion beschränkt. Für die Bearbeitung und Modellierung komplexer Modelle (wie z. B. zweidimensionale Konstruktionen oder einfache dreidimensionale Modelle) ist zusätzliche Software erforderlich. Zudem gibt es nur wenige Lernprogramme und Tutorials, und die Nachbearbeitung ist relativ eingeschränkt, was zu einer geringen Nutzungsrate führt.

Jede Software hat ihre spezifischen Anwendungsbereiche. Selbst wenn einzelne Funktionen nicht perfekt sind, können sie in den Händen erfahrener Programmierer gute Ergebnisse liefern. Wenn Ihre Zeit und Energie es zulassen, empfehlen wir Ihnen nach der Optimierung Ihrer Prozessfähigkeiten, sich mit weiterer Software vertraut zu machen, um Ihr Denken zu erweitern. Die Verbesserung Ihrer Kenntnisse durch den Umgang mit verschiedenen Softwareprogrammen ist auch ein Weg, Ihr technisches Verständnis zu vertiefen und technische Engpässe zu überwinden. CAM-Software ist jedoch nur ein Werkzeug für Ingenieure. Echte technische Verbesserungen erfordern zudem die Sammlung von Prozesserfahrung und die umfassende Verbesserung des Anwendungsverständnisses von Anlagen und Zubehör.

Falls Sie über bessere Erkenntnisse verfügen oder eine bestimmte Software verwenden, setzen Sie sich bitte mit uns in Verbindung.