CNC-Drehen vs. Fräsen: Welches Fertigungsverfahren ist am besten für Ihr Projekt geeignet

Grundlagen des CNC-Drehens und dessen zentrale Anwendungen

Grundprinzipien des CNC-Drehens

CNC-Drehen funktioniert, indem Material von einem rotierenden Werkstück abgetragen wird, während die Schneidwerkzeuge feststehen, wodurch die Herstellung verschiedenster runder Teile möglich wird. Dies unterscheidet sich von Fräsverfahren, bei denen alles stillsteht, außer dem sich bewegenden Fräskopf. Die gesamte Idee des Drehens basiert auf der rotationssymmetrischen Bewegung, was sinnvoll erscheint, wenn man alltägliche Gegenstände wie Motorwellen, Rohrverschraubungen und metallische Ringe in Maschinen betrachtet. Heutzutage sind die meisten CNC-Drehmaschinen mit computergesteuerten Systemen ausgestattet, die Drehzahlen, Vorschübe und die exakte Positionierung der Schneidwerkzeuge steuern. Einige fortschrittliche Maschinen können Maße auf etwa einen halben Tausendstel Millimeter genau halten – eine Präzision, die Hersteller benötigen, damit Teile absolut spielfrei zusammenpassen.

Wie Werkzeugbewegung und Werkstückrotation das Drehen definieren

Beim Bearbeiten von Teilen an einer Drehmaschine bewegt sich das Schneidwerkzeug vor und zurück entlang der X- und Z-Richtung, während das Werkstück rotiert. Diese Bewegung ermöglicht eine präzise Formgebung, da exakt gesteuert werden kann, wie viel Material bei jedem Durchgang abgetragen wird. Bei Planieroperationen schneidet das Werkzeug quer zum Ende des Bauteils im rechten Winkel zur Drehachse, wodurch die Oberflächen besonders eben werden. Beim Konusdrehen verfährt der Bediener das Werkzeug leicht geneigt, um die kegelförmigen Geometrien zu erzeugen, die viele Bauteile benötigen. Moderne Maschinen sind zudem in der Lage, extrem hohe Drehzahlen zu erreichen, manchmal bis zu 10.000 Umdrehungen pro Minute. Höhere Spindeldrehzahlen verbessern deutlich die Qualität des Endprodukts, da sie weniger sichtbare Werkzeugspuren hinterlassen und unerwünschte Vibrationen reduzieren, die die Maßhaltigkeit beeinträchtigen könnten.

Typische Anwendungsfälle für CNC-Drehen in der Industrie

Die CNC-Drehbearbeitung wird häufig zur Herstellung rotationssymmetrischer Bauteile in wichtigen Industriezweigen eingesetzt:

• Automobilindustrie : Motorventile, Kolbenringe und Getriebewellen
• Luft- und Raumfahrt : Hydraulikarmaturen, Turbinenwellen und Fahrwerksbuchsen
• Medizin : Orthopädische Implantate, Griffe für chirurgische Instrumente und Spritzenzylinder

A studie zur Präzisionsbearbeitung 2024 ergab, dass 78 % der zylindrischen medizinischen Komponenten durch Drehen hergestellt werden, da damit hervorragende Oberflächenqualitäten (Ra ≤ 0,8 μm) erzielt werden können, die für die Sterilisation und Biokompatibilität entscheidend sind.

Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächenqualität bei Drehoperationen

Für hochpräzise Messungen im Bereich von etwa plus oder minus 0,01 mm sind in der Regel solide Werkzeugeinrichtungen sowie Maschinenbetten erforderlich, die Vibrationen effektiv dämpfen. Bei Endbearbeitungsvorgängen machen diamantbeschichtete Schneidwerkzeuge einen großen Unterschied und senken die Oberflächenrauheit auf Werte zwischen Ra 0,4 und Ra 0,8 Mikrometer. Fräsdrehmaschinen mit angetriebenen Werkzeugen eröffnen zudem vielfältige Möglichkeiten. Sie können beispielsweise Querbohrungen ausführen oder ebene Flächen auf zylindrischen Bauteilen erzeugen, was deutlich über das hinausgeht, was herkömmliche Drehmaschinen leisten können. Doch hier liegt das Problem: Drehverfahren sind für komplexe, nicht kreisförmige Geometrien einfach nicht geeignet. In solchen Fällen ist das Fräsen die bevorzugte Lösung für diese Art von Herausforderungen in Fertigungsbetrieben weltweit.

Einführung in das CNC-Fräsen: Funktionen und gängige Anwendungen

Grundlagen der CNC-Fräsoperationen

Bei der CNC-Fräsung drehen sich mehrschneidige Schneidwerkzeuge und entfernen Material von einem Werkstück, das während des Prozesses fest steht. Diese Anordnung eignet sich besonders gut zur Herstellung komplexer Formen wie Nuten, Taschen und anspruchsvoller 3D-Konturen, die auf andere Weise nur schwer herzustellen wären. Der Ablauf ist recht einfach: Das zu bearbeitende Teil bewegt sich dabei überhaupt nicht, während das Schneidwerkzeug über drei, vier oder manchmal sogar fünf verschiedene Richtungen hinweg „tanzt“. Rundfräsen, Umfangsfräsen und Gewindefräsen sind nur einige der Standardaufgaben, die diese Maschinen ausführen. Heutzutage können hochwertige CNC-Fräsmaschinen extrem enge Toleranzen erreichen, bis auf ±0,0005 Zoll genau. Eine solche Präzision macht sie in Branchen unverzichtbar, in denen Genauigkeit oberste Priorität hat, wie etwa in der Luft- und Raumfahrttechnik, der Automobilproduktion und der Herstellung medizinischer Geräte.

Wie sich das Fräsen vom Drehen hinsichtlich Werkzeug- und Werkstückdynamik unterscheidet

Fräsen funktioniert anders als Drehen, bei dem das Werkstück rotiert und ein einzelnes Schneidwerkzeug die Bearbeitung durchführt. Beim Fräsen hingegen bleibt das Werkstück feststehend, während ein mehrschneidiges, rotierendes Werkzeug entlang mehrerer Achsen bewegt wird. Dieser Ansatz ermöglicht es Herstellern, eine Vielzahl von Formen zu erzeugen, die mit herkömmlichen Drehverfahren nur schwer oder gar nicht realisierbar sind. Flache Oberflächen, komplexe Zahnräder oder sogar kastenförmige Gehäuse – all dies ist mit Frästechniken möglich. Moderne Fünf-Achs-Fräsmaschinen erweitern diese Möglichkeiten, indem sie fünf Seiten eines Bauteils in einem einzigen Arbeitsgang bearbeiten können. Dadurch werden Fehler durch das Umspannen von Teilen zwischen verschiedenen Arbeitsgängen reduziert und es ergeben sich neue Möglichkeiten zur Herstellung deutlich komplexerer Geometrien. Für Unternehmen, die an Prototypen oder kleinen Serien detaillierter Bauteile arbeiten, wird CNC-Fräsen besonders wichtig, da es solche komplizierten Konstruktionen weitaus besser bewältigt als andere spanabhebende Verfahren.

Häufige industrielle Anwendungen des CNC-Fräsens

Die CNC-Fräsung unterstützt anspruchsvolle Anwendungen, die hohe Genauigkeit und konstruktive Flexibilität erfordern:

• Luft- und Raumfahrt : Turbinenschaufeln, Strukturbauteile und leichte Aluminiumkomponenten
• Automobilindustrie : Motorblöcke, Getriebegehäuse und Aufhängungsteile
• Medizin : Implantate und chirurgische Instrumente aus biokompatiblen Materialien
• Elektronik : Kühlkörper, Gehäuse und Präzisionsverbinder

A fertigungsbericht 2024 zeigte, dass 68 % der Luft- und Raumfahrtunternehmen bei sicherheitskritischen Bauteilen auf 5-Achs-Fräsen angewiesen sind, was deren Bedeutung in der fortschrittlichen Konstruktion unterstreicht.

Präzision und Oberflächenqualität beim Fräsen erreichen

Oberflächen von weniger als 8 µin Ra sind durch optimierte Spindeldrehzahlen, Werkzeugbahnstrategien und fortschrittliche Beschichtungen erreichbar. Wichtige Einflussfaktoren auf die Qualität sind:

• Werkzeugsteifigkeit : Hartmetall- oder diamantbeschichtete Werkzeuge minimieren Verformung und Vibration
• Kühlungssysteme : Verhindert thermische Ausdehnung bei wärmeempfindlichen Materialien wie Titan
• Maschinenkalibrierung : Laser-Ausrichtung gewährleistet mikrometergenaue Positionierung

Mehrachsige Fräsbearbeitung reduziert die Notwendigkeit von Neupositionierungen und hält Toleranzen innerhalb von ±0,0002 Zoll – entscheidend für anspruchsvolle Anwendungen.

Wesentliche Unterschiede zwischen CNC-Drehen und Fräsen

Werkstückbewegung: Rotierend vs. Stationäre Aufspannung

Was diese Verfahren wirklich voneinander unterscheidet, ist die Art und Weise, wie sich das Material während des Betriebs bewegt. Bei der CNC-Drehbearbeitung dreht sich das Werkstück sehr schnell, gewöhnlich zwischen 1.000 und 3.000 Umdrehungen pro Minute, während das Schneidwerkzeug feststeht und radiale Schnitte ausführt. Diese Anordnung eignet sich am besten zur Herstellung runder oder kegelförmiger Objekte wie verschiedene Arten von Wellen und Buchsen. Bei der CNC-Fräsbearbeitung hingegen verhält es sich anders: Hier bleibt das Werkstück fixiert, während sich das Schneidwerkzeug selbst in verschiedene Richtungen bewegt. Das Werkzeug verfügt über mehrere Schneidstellen und kann entlang mehrerer Achsen geführt werden, wodurch es in der Lage ist, unterschiedlichste Formen zu erzeugen – von einfachen flachen Oberflächen bis hin zu komplexen Winkeln und unregelmäßigen Konturen. Denken Sie an Zahnräder oder Gehäuseteile für Maschinen, bei denen diese Vielseitigkeit von Vorteil ist.

Vergleich von Genauigkeit, Oberflächenqualität und Toleranzen

Drehen liefert aufgrund des kontinuierlichen Kontakts während der Rotation bei symmetrischen Teilen in der Regel engere Toleranzen (±0,001"–0,005") und glattere Oberflächen (0,8–1,6 μm Ra). Fräsen erreicht einen vergleichbaren Maßhaltigkeitsgrad (±0,002"–0,010"), obwohl komplexe Geometrien zusätzliche Nachbearbeitungsschritte erfordern können. Bei nicht-runden Merkmalen wie Nuten oder Taschen bietet das Fräsen eine überlegene Präzision und Konsistenz.

Prozessflexibilität und Komplexität für unterschiedliche Geometrien

Bei der Fertigung eignet sich Drehen am besten für runde oder zylindrische Formen. Fräsen hingegen bewältigt alle möglichen unterschiedlichen Formen, von abgeschrägten Flächen über Gewindebohrungen bis hin zu komplexen dreidimensionalen Geometrien. Die neueste Generation an mehrachsigen Dreh-Fräs-Anlagen hat die Situation etwas verändert, da sie es ermöglicht, beide Verfahren in einer Aufspannung zu kombinieren, was Zeit und Kosten spart. Dennoch ist anzumerken, dass herkömmliches Fräsen weiterhin seine Stärken besitzt, insbesondere bei Bauteilen, die nicht nur aus einfachen Kreisen bestehen oder mehrere flache Seiten aufweisen. Dadurch eignet sich das Fräsen besonders zur Herstellung komplexer Konstruktionen, die mit standardmäßigen Drehverfahren allein nicht möglich wären.

Wie Sie zwischen CNC-Drehen und Fräsen für Ihr Projekt wählen

Abstimmung der Bauteilgeometrie und Merkmalsanforderungen auf das geeignete Verfahren

CNC-Drehen eignet sich hervorragend für Teile, die um eine Achse herum symmetrisch sind, wie Wellen, Buchsen und ähnliche Bauteile. Wenn jedoch besondere Geometrien im Design vorkommen, beispielsweise sechseckige Formen, tiefe Taschen oder gekrümmte Oberflächen, dann zeigt das CNC-Fräsen seine Stärken. Die Maschinen können sich in mehreren Richtungen bewegen, wodurch sie für komplexe Geometrien deutlich flexibler sind. Ein kürzlich veröffentlichter Bericht aus dem Jahr 2024 zum Thema „Machining Processes“ kam zudem zu interessanten Ergebnissen. Man untersuchte verschiedene Projekte und stellte fest, dass etwa 78 % der Fälle eine bessere Maßhaltigkeit erreichten, wenn von Drehen auf Fräsen für solche nicht-zylindrischen Merkmale gewechselt wurde. Das ist nachvollziehbar, da die zusätzlichen Bewegungsmöglichkeiten den Herstellern mehr Kontrolle über anspruchsvolle Formen ermöglichen.

Materialüberlegungen bei der Auswahl zwischen CNC-Drehen und -Fräsen

• Metalle : Aluminium und Messing verhalten sich in beiden Verfahren gut; gehärtete Stähle sind aufgrund der Werkzeugbelastung und der Präzisionsanforderungen typischerweise besser für das Fräsen geeignet
• Kunststoffe : Drehen verringert Delaminierungsrisiken bei Acrylen, während Fräsen faserverstärkte Polymere effektiver bearbeitet
• Verbundwerkstoffe : Fräsen hilft, den Werkzeugverschleiß bei abrasiven Materialien wie Kohlefaser zu kontrollieren

Drehen verbraucht 15–20 % weniger Energie als Fräsen bei weichen Metallen und ist daher kostengünstiger für die Serienproduktion einfacher zylindrischer Teile.

Produktionsvolumen, Effizienz und Wirtschaftlichkeit

Wenn die Produktionsmengen etwa 500 Teile überschreiten, reduziert die CNC-Drehbearbeitung die Kosten pro Einzelteil um etwa 30 bis 40 Prozent, da sie deutlich schneller arbeitet und weniger Rüstschritte erfordert. Bei kleineren Losgrößen zwischen 50 und 200 Einheiten, insbesondere bei komplexen Bauteilen, ist Fräsen oft wirtschaftlicher, da die Maschinen mehrere Werkzeuge gleichzeitig handhaben können, ohne zusätzliche Prozesse zu benötigen. Viele Betriebe kombinieren heutzutage tatsächlich beide Verfahren – sie führen zunächst die Vorformung durch Drehen durch und vervollständigen anschließend die Feinbearbeitung durch Fräsen, was ihnen das beste Gleichgewicht aus Geschwindigkeit und Qualität in der mittleren bis hohen Serienfertigung bietet.

Kostenanalyse und zukünftige Trends im CNC-Bearbeitungsbereich

Vergleich von Rüst-, Werkzeug- und Betriebskosten

Bei den Einrichtungskosten hat die CNC-Drehbearbeitung meistens die Nase vorn, da die Spannvorrichtungen viel einfacher sind, insbesondere bei runden Teilen. Die Fräsbearbeitung hingegen erfordert deutlich komplexere Programmierung und häufigen Werkzeugwechsel, was jedoch ermöglicht, sehr detaillierte Formen in einem Arbeitsgang herzustellen. Die Werkzeugkosten steigen bei Fräsoperationen tendenziell schnell an, da Betriebe viele verschiedene Arten von Schaftfräsern und Schneideinsätzen benötigen, um Konturen, Bohrungen und Taschen in Materialien bearbeiten zu können. Für Unternehmen, die große Serien rotationssymmetrischer Teile fertigen, ist das Drehen wirtschaftlich sinnvoll, da sich die Kosten pro Einheit reduzieren. Bei komplizierten prismatischen Formen oder Bauteilen mit komplexer Geometrie, die durch einfache Rotation nicht herstellbar sind, lohnt sich jedoch der Mehraufwand der Fräsbearbeitung trotz höherer Anfangsinvestitionen.

Rendite bei niedrigen und hohen Produktionsmengen

Bei der Herstellung von Prototypen in kleinen Serien bietet die CNC-Fräsbearbeitung Konstrukteuren deutlich mehr Freiheit, ohne das Budget zu sprengen, was besonders in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt nützlich ist, wo Teile millimetergenau zusammenpassen müssen. Für größere Produktionsaufträge, wie beispielsweise bei der Fertigung von Automotoren, erzielen Drehverfahren tendenziell bessere Ergebnisse, da sie schneller arbeiten und weniger Metallabfall hinterlassen. Laut einer im vergangenen Jahr veröffentlichten Studie können Unternehmen, die Drehen für die Vorbearbeitung und Fräsen für die Endbearbeitung kombinieren, ihre Kosten pro Stück um 12 bis 18 Prozent senken, wenn mehr als zehntausend Teile hergestellt werden. Dieser Ansatz ist sowohl wirtschaftlich als auch praktisch sinnvoll für Hersteller, die Qualität und Kosteneinschränkungen ausgewogen gestalten möchten.

Neue Trends: Automatisierung, Mehrfachnutzungsmaschinen und Nachhaltigkeit

Seit 2022 haben computergesteuerte Bearbeitungszentren, die mit künstlicher Intelligenz ausgestattet sind, die Fehler während der Produktion um etwa 34 % reduziert. Diese intelligenten Systeme passen kontinuierlich Vorschubgeschwindigkeiten an und korrigieren Werkzeugbahnen während des Betriebs, wodurch weniger Material verschwendet wird und die Bauteile durchgängig von hoher Qualität sind. Die neueren Mehrfachfunktionsmaschinen können Dreh- und Fräsoperationen gleichzeitig durchführen, sodass komplexe Teile wie jene in Flugtriebwerken etwa 40 % weniger Zeit für die Herstellung benötigen. Umweltfreundliche Fertigung ist kein Schlagwort mehr. Eine aktuelle Umfrage zeigte, dass fast zwei Drittel der Werkstätten ebenfalls Änderungen vornehmen, beispielsweise durch die Verwendung recycelter Metalle in ihren Prozessen oder den Wechsel zu energieeffizienteren Motoren, wodurch der gesamte Energieverbrauch um rund 15 % sinkt. Die meisten Unternehmen, die diese Ansätze verfolgen, erfüllen dadurch automatisch die Anforderungen der ISO 14001, während sie weiterhin Bauteile produzieren, die die strengen Toleranzen der Kunden erfüllen.