5-Achs-Bearbeitung: Wann brauchen Sie sie wirklich?

Eine klassische Bearbeitungsmaschine bewegt das Werkzeug entlang dreier linearer Achsen, X, Y und Z. Eine 5-Achs-Maschine ergänzt zwei Drehachsen, häufig als A, B oder C bezeichnet, die vom Tisch, von der Spindel oder von beiden getragen werden: Man spricht von Tisch-Tisch-, Kopf-Tisch- oder Kopf-Kopf-Kinematik. Diese Drehungen richten das Werkstück zum Werkzeug oder das Werkzeug zum Werkstück aus.

Hinter demselben Begriff stecken zwei Arbeitsweisen, und der Kostenunterschied ist erheblich.

• 3+2 Achsen (positionierendes 5-Achs-Fräsen): Die Drehachsen bringen das Werkstück in eine Ausrichtung und werden festgesetzt, anschließend erfolgt die Bearbeitung in drei Achsen. So erreicht man in einer Aufspannung mehrere Seiten und geneigte Ebenen.
• Simultane 5-Achs-Bearbeitung: Alle fünf Achsen bewegen sich während des Schnitts gemeinsam, um Freiformflächen zu folgen und das Werkzeug in einer günstigen Ausrichtung zu halten.

Das Glossar erläutert den Begriff im Detail. Merken Sie sich vor allem: Viele sogenannte „5-Achs-Teile“ entstehen im 3+2-Verfahren und brauchen nicht die simultane Kinematik, die aufwendiger zu programmieren ist.

• Weniger Aufspannungen. Die Seiten werden in einer einzigen Spannung bearbeitet: Handhabungs- und Rüstzeit sinken, und der Positionierfehler zwischen zwei Aufspannungen entfällt.
• Bessere Lagebeziehungen zwischen den Seiten. Schräge Bohrungen, geneigte Ebenen und relative Positionen bleiben ohne Umspannen zueinander stimmig, sofern die Maschine korrekt kalibriert ist.
• Kürzere Werkzeuge. Durch Neigen von Werkstück oder Werkzeug erreicht man einen tiefen Bereich mit einem kürzeren, damit steiferen Werkzeug, das weniger schwingt und eine bessere Oberflächengüte liefert.
• Bessere Schnittbedingungen. Auf einer Freiformfläche verhindert das Neigen eines Kugelfräsers, dass mit der Fräsermitte geschnitten wird, wo die Schnittgeschwindigkeit null ist.
• Zugang zu Formen, die in drei Achsen unmöglich sind: negative Hinterschneidungen, Schaufeln, Skulpturformen.
• Geringeres Risiko von Verzug und Ausschuss. Ein mehrfach umgespanntes Teil kann sich verziehen oder falsch positioniert werden; eine einzige Aufspannung begrenzt diese Risiken.
• Monolithische Bauteile. Ein aus dem Vollen gefertigtes Teil kann eine Baugruppe aus mehreren Elementen ersetzen, mit weniger Verbindungen und Spiel.

Die 5-Achs-Bearbeitung ist hingegen nicht von Natur aus präziser als eine gute 3-Achs-Maschine. Die Genauigkeit kommt von der Maschine, ihrer Kalibrierung, der Spannung, dem Werkzeug und der Prüfung, nicht von der Achsenzahl.

Nicht jede 5-Achs-Maschine eignet sich für jedes Teil. Es gibt drei Kinematiken.

• Tisch-Tisch: Eine Schwenkwiege trägt einen Drehtisch, die Spindel bleibt vertikal. Sehr verbreitet bei Vertikalzentren, geeignet für kleine und mittlere Teile.
• Kopf-Tisch: Die Spindel schwenkt, der Tisch dreht. Besser geeignet für schwere oder sperrige Teile.
• Kopf-Kopf: Beide Drehungen werden von der Spindel getragen, das Werkstück bleibt fest. Zu finden bei großen Teilen, insbesondere in der Luftfahrt.

Jede Kinematik hat ihre Grenzen: Verfahrwege der Drehachsen, Kollisionsrisiko zwischen Werkzeug, Werkzeughalter, Spannmittel und Werkstück, Steifigkeit des Schwenktischs. Der Betrieb simuliert sie vor der Bearbeitung im CAM und prüft die Lage der Drehachsen oft durch Antasten an der Maschine. Teilen Sie ihm daher Gewicht und Abmessungen des Teils mit: Ein Teil, das etwas zu groß für den Schwenktisch ist, lässt sich nicht durch Programmierung retten, das ist eine Frage der Maschine, nicht der Einstellung.

Die simultane 5-Achs-Bearbeitung ist unverzichtbar, wenn es die Geometrie verlangt oder das Werkzeug die Fläche anders nicht erreicht. Gängige Beispiele:

• Schaufeln, Turbinen, Propeller und Pumpenlaufräder, deren Freiformflächen mit dem Fräser abgefahren werden;
• monolithische Strukturbauteile der Luft- und Raumfahrt mit geneigten Taschen und dünnen Wänden;
• Implantate und Instrumente für die Medizintechnik mit organischen Formen;
• Freiformteile für Optik, Luxusgüter oder Design, bei denen die Oberflächenanmutung ebenso zählt wie das Maß;
• Formeinsätze mit tiefen Kavitäten und polierten Flächen;
• Hydraulikblöcke und Verteiler mit schrägen Bohrungen;
• leichte Teile aus einem Block für Robotik und Rennsport.

Diese Teile werden häufig aus dem Vollen gefertigt, mit hohem Zerspanvolumen: Die Schnittzeit fällt dann stark ins Gewicht. Das 3+2-Verfahren genügt dagegen für einen Großteil der Gehäuse, Halter und Carter, deren Seiten unterschiedlich ausgerichtet, aber eben sind und die einige schräge Bohrungen aufweisen.

Ein 5-Achs-Zentrum kostet in Anschaffung und Wartung mehr: Sein Stundensatz ist höher. Als Richtwert nennt der Leitfaden zum Preis der CNC-Bearbeitung für Frankreich rund 45 bis 80 € zzgl. MwSt. pro Stunde bei 3 Achsen und rund 80 bis 150 € zzgl. MwSt. bei 5 Achsen. Der Preis eines Teils bemisst sich jedoch nicht nur nach der Stunde.

Zwei Effekte wirken gegeneinander. Einerseits belasten der höhere Satz und die aufwendigere Programmierung (Bahnen, Kollisionssimulation) die Fixkosten. Andererseits entfallen bei einer einzigen Aufspannung Einstellungen, dedizierte Spannmittel und Nacharbeit, was die Gesamtzeit verkürzen kann. Bei einem Teil mit fünf Seiten spricht das oft für das 5-Achs-Verfahren. Bei einem flachen Teil mit ein oder zwei Seiten treibt es nur die Kosten.

• Die 5-Achs-Bearbeitung ist oft günstiger bei einem Teil mit vier oder fünf Seiten, bei einer kurzen Serie, in der jede zusätzliche Aufspannung schwer wiegt, oder wenn Lagetoleranzen zwischen Seiten über mehrere Aufspannungen schwer einzuhalten wären.
• Sie ist teurer bei einem prismatischen Teil mit ein oder zwei Seiten, bei einer Großserie, in der sich eine dedizierte 3-Achs-Vorrichtung amortisiert, oder wenn die Maschinenzeit alles andere überwiegt.

Auch Größe und Gewicht zählen: Der zulässige Durchmesser auf dem Schwenktisch und seine maximale Last begrenzen die bearbeitbaren Teile. Wie bei jeder Zerspanung verteilt die Stückzahl die Fixkosten: siehe wie ein Angebot kalkuliert wird.

• Auf 3+2 wechseln: Wenn die Seiten eben sind und die geneigten Flächen Ebenen, genügt die positionierende Bearbeitung.
• Eine vierte Achse ergänzen: Eine Rundachse an einem Vertikalzentrum oder eine Maschine mit horizontaler Spindel und Indexierung deckt Teile mit vier Seiten gut ab.
• Mehrere Aufspannungen in drei Achsen mit präzisen Positionierungen (Stifte, dedizierte Vorrichtung): Bei einer mittleren Serie kann eine gut konstruierte Vorrichtung günstiger sein als 5-Achs-Maschinenzeit, sofern eine Prüfung der Lage zwischen den Seiten akzeptiert wird.
• Das Teil neu konstruieren: eine Hinterschneidung entfernen, eine schräge Bohrung durch eine gerade ersetzen, das Teil in mehrere gefügte Elemente aufteilen.
• Verfahren kombinieren: Guss- oder Schmiederohling oder ein metallgedrucktes Teil, anschließend nur die Funktionsflächen zerspanen; siehe 3D-Druck oder CNC-Bearbeitung.
• Dreh-Fräsen für ein Rotationsteil mit gefrästen Funktionen: siehe Langdrehen oder CNC-Drehen.

Wenn Sie schwanken, bitten Sie den Betrieb, zwei Varianten zu kalkulieren: eine Lösung in 3+2 oder mit mehreren Aufspannungen und eine Lösung mit simultanen 5 Achsen. Der Preisunterschied erhellt die Entscheidung und lässt Sie fundiert entscheiden.

• Eine bemaßte Zeichnung und eine STEP-Datei, mit Revisionsstand.
• Die kritischen Seiten und Funktionen: Lagemaße zwischen den Seiten, Bezugs- und Positionierreferenzen, GPS-Tolerierung, falls Sie diese verwenden.
• Den Rohling: Stange, Platte, Schmiede-, Guss- oder gedrucktes Teil.
• Das Material, seinen Zustand und gegebenenfalls das Zeugnis.
• Die Stückzahlen, mit Staffeln, um das Gewicht der Fixkosten zu erkennen.
• Toleranzen, Rauheit und gewünschte Prüfung: Geben Sie an, ob ein Messprotokoll verlangt wird, denn die Prüfung schräger Bohrungen und geneigter Flächen beansprucht eine Koordinatenmessmaschine.
• Zulässige Spannbereiche und tolerierte Spuren.

Beschreiben Sie die Funktion, statt das Verfahren vorzugeben: Wenn Sie glauben, dass 5 Achsen nötig sind, sagen Sie, warum, und lassen Sie den Betrieb die günstigste Lösung zwischen 3+2 und simultanen 5 Achsen vorschlagen. Auf Meaflow ist das Einstellen einer Anfrage kostenlos und provisionsfrei: Mehrere Betriebe für CNC-Bearbeitung können Ihnen ihr Angebot senden, das Sie vergleichen, bevor Sie sich per Nachricht austauschen.