Unterschiede zwischen 3-, 4- und 5-Achs-Bearbeitung

Verständnis der verschiedenen Achsen-Bearbeitungsarten und ihrer Kernfähigkeiten

3-, 4- und 5-Achsen-Bearbeitung – Wann wird welche verwendet

1. 3-Achsen-Bearbeitung: Die Grundlage für einfache, kosteneffiziente Fertigung

Ein 3-Achsen-Bearbeitungssystem arbeitet, indem es das Schneidwerkzeug entlang dreier linearer Achsen bewegt – X (links/rechts) , Y (vorwärts/rückwärts) , und Z (oben/unten) – innerhalb eines dreidimensionalen Raums. Diese ausschließlich lineare Bewegung macht sie ideal zur Formgebung einfacher, flacher oder flacher 3D-Teile wie Halterungen, Platten oder grundlegender Formen.

Der entscheidende Vorteil liegt darin, kostenwirksamkeit : Die Maschinen weisen eine geringere Komplexität auf, erfordern minimale Rüstzeiten und reduzieren den Betriebsaufwand – alles Faktoren, die die Gewinnmargen bei der Serienfertigung einfacher Bauteile erhöhen. Beispielsweise basiert die Herstellung von Aluminium-Montageplatten für Elektronik stark auf der 3-Achs-Bearbeitung, da das Teil nur drei Kernprozesse benötigt: Planfräsen (Glättung der Oberfläche), Profilfräsen (Formgebung des Plattenrandes) und Bohren (Anbringen von Löchern für Befestigungselemente) – alle diese Schritte lassen sich problemlos mit linearen Achsbewegungen durchführen.

2. 4-Achs-Bearbeitung: Rotation für zylindrische und gekrümmte Merkmale

die 4-Achs-Bearbeitung erweitert die 3-Achs-Konfiguration um eine rotationsachse (typischerweise die A-Achse, die sich um die X-Achse dreht). Diese zusätzliche Achse ermöglicht es, das Werkstück während des Bearbeitungsvorgangs zu drehen, während das Werkzeug linear bewegt wird. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer manuellen Neupositionierung und es ergeben sich neue Möglichkeiten zur Herstellung von Teilen mit gewölbten oder gekrümmten Geometrien.

Es eignet sich hervorragend für Komponenten, bei denen Merkmale einer zylindrischen Form folgen – wie zum Beispiel Nuten an einem Ventilschaft, schräge Bohrungen entlang einer gekrümmten Oberfläche oder Rillen auf einer Riemenscheibe. Ein Fertigungsbericht aus dem Jahr 2023 hob einen entscheidenden Vorteil hervor: Werkstätten, die die 4-Achs-Bearbeitung für zylindrische Teile einsetzen, erzielten eine reduzierung der Rüstzeit um 28 % im Vergleich zu 3-Achs-Systemen (die mehrfache Neupositionierungen erfordern). Durch das Vermeiden manuellen Drehens oder erneuten Spannens des Werkstücks verbessert die 4-Achsen-Bearbeitung zudem die Genauigkeit und Konsistenz und verringert fehlerhafte Einflüsse durch den Menschen.

3. 5-Achs-Bearbeitung: Vielseitigkeit für komplexe, mehrseitige Präzision

die 5-Achs-Bearbeitung ist der Goldstandard für stark konturierte, mehrseitige Bauteile. Sie fügt den drei linearen Achsen zwei Rotationsachsen (üblicherweise die A-Achse, die um die X-Achse rotiert, und die C-Achse, die um die Z-Achse rotiert) hinzu, wodurch das Schneidwerkzeug das Werkstück aus nahezu jedem Winkel bearbeiten kann.

Diese Vielseitigkeit ist in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt sowie der Medizintechnik unverzichtbar, wo Bauteile komplexe Geometrien und äußerst enge Toleranzen erfordern. Beispiele sind Turbinenschaufeln aus Titan (mit gekrümmten Profilen und internen Kühlkanälen), Hüftimplantate (angepasst an die menschliche Anatomie) und strukturelle Flugzeugkomponenten. Im Gegensatz zu 3- oder 4-Achsen-Systemen ermöglicht die 5-Achs-Bearbeitung die Fertigung komplexer Teile in einer einzelne Einrichtung : beispielsweise kann eine Turbinenschaufel vollständig ohne Umspannen bearbeitet werden, wodurch Toleranzen von bis zu ±0,005 mm und eine hervorragende Oberflächenqualität erreicht werden.

3-Achsen- vs. 4-Achsen-Bearbeitung: Effizienz und Anwendungsgrenzen

Die folgende Tabelle vergleicht die Kernmerkmale der 3- und 4-Achsen-Bearbeitung, um ihre jeweiligen Einsatzgebiete zu verdeutlichen:

Funktion	3-Achsen-Fräser	4-Achsen-Fräser
Achsenkonfiguration	X, Y, Z (nur linear)	X, Y, Z (linear) + 1 rotatorisch (A/C)
Bestes für	Einfache flache/3D-Teile (Winkelstücke, Platten)	Zylindrische Teile mit umlaufenden Merkmalen (Ventilschäfte, Riemenscheiben)
Aufbauzeit	Kurz (10–30 Minuten für Standardteile)	Mäßig (20–45 Minuten, einmalige Aufspannung)
Materialvielseitigkeit	Funktioniert mit den meisten Metallen/Plastiken; begrenzt durch die Bauteilform	Gleiche Materialien; optimiert für gekrümmte/zylindrische Werkstücke
Toleranzbereich	±0,01–0,05 mm	±0,008–0,03 mm

Wesentliche Einschränkungen und Vorteile

• die 3-Achs-Bearbeitung hat Schwierigkeiten bei Bauteilen mit Hinterschneidungen, schräg bohrenden Löchern auf gekrümmten Flächen oder umlaufenden Merkmalen – diese erfordern mehrere Aufspannungen, was Zeit verlängert und das Fehlerpotenzial erhöht.
• die 4-Achs-Bearbeitung löst dies bei zylindrischen Teilen: Beispielsweise ist das Bohren von Löchern im 45°-Abstand an einer Stahlwelle 3x schneller mit 4 Achsen möglich (die Welle dreht sich, um jedes Loch auszurichten), im Vergleich zur 3-Achsen-Bearbeitung (manuelle Neupositionierung).
• Allerdings versagt die 4-Achsen-Bearbeitung bei nicht-zylindrischen, mehrseitigen Bauteilen (z. B. einem Würfel mit schrägen Löchern auf drei Seiten) – das Umspannen des Werkstücks beseitigt deren Effizienzvorteil.

4- vs. 5-Achs-Bearbeitung: Abwägungen zwischen Präzision und Komplexität

die 4-Achsen-Bearbeitung bildet ein „Zwischenstadium“ hinsichtlich der Komplexität, kann jedoch nicht mit der Fähigkeit der 5-Achsen-Bearbeitung mithalten, asymmetrische, mehrseitige Teile zu bearbeiten. So sehen die Vergleichswerte aus:

1. Handhabung von Bauteilkomplexität

die beiden Drehachsen der 5-Achsen-Bearbeitung ermöglichen es dem Werkzeug, sich um das Werkstück „herumzubewegen“ – entscheidend bei Bauteilen wie kohlenstofffaserverstärkten Flugzeugflügelrippen (mit gekrümmten Kanten, internen Leichtbau-Löchern und abgewinkelten Befestigungspunkten auf allen sechs Seiten). Ein führender Luftfahrtzulieferer berichtete:

• 42 % schnellere Produktionszeit mit 5-Achsen im Vergleich zu 4-Achsen.
• Ausschussraten sanken von 8 % auf 2 % (durch eine einzige Aufspannung werden Justagefehler vermieden).

2. Präzision und Oberflächenqualität

5-Achsen-Systeme nutzen dynamisches Indexieren um das Werkzeug stets senkrecht zur Schnittfläche zu halten, wodurch der Werkzeugverschleiß reduziert und die Oberflächenqualität verbessert wird. Bei medizinischen Implantaten (z. B. Knieprothesen, deren Biokompatibilität von der Oberflächengüte abhängt):

• 5-Achs erreicht Ra 0,4 μm oberflächenqualitäten.
• 4-Achs erreicht nur Ra 0.8μm .

3. Kosten & Programmierung

5-Achs erfordert:

• Fortgeschrittene CAM-Software (mit Simulationswerkzeugen), um Kollisionen zu vermeiden.
• Höhere Anfangsinvestition.

 

• Dies macht sie bei einfachen oder niedrigvolumigen Teilen weniger kosteneffektiv – aber unschätzbar wertvoll für komplexe, hochpräzise Komponenten.

Passende Achsbearbeitung entsprechend Material, Geometrie und Branchenanforderungen

1. Achsauswahl basierend auf Werkstückmaterial und Härte

Die Materialhärte beeinflusst die Wahl der Achse direkt, da härtere Materialien mehr Wärme erzeugen und zu thermischer Verformung neigen:

Materialtyp	Empfohlener Achsentyp	Begründung
Weiche Materialien (Aluminium 6061-T6, ABS-Kunststoff)	3 Achsen	Leicht zu bearbeiten; lineare Bewegungen erreichen die gewünschte Oberflächenqualität.
Harte Materialien (Edelstahl 316L, Titan Ti-6Al-4V)	4/5 Achsen	Reduziert die Anzahl der Aufspannungen (4-Achsen) oder minimiert die Wärmeentwicklung (5-Achsen).

Laut der aSM International Bearbeitungsrichtlinien 2022 :

• Bei Materialien mit einer Härte >30 HRC (z. B. gehärteter Stahl) verlängert die 5-Achs-Bearbeitung die Werkzeuglebensdauer um 35%gegenüber 3-Achsen.
• Beispiel: Die Bearbeitung eines gehärteten Stahlzahnradrohlings mit 5-Achsen erfolgt mit einer Spiralwerkzeugbahn (verteilt Kraft/Wärme), wodurch die Lebensdauer der Hartmetallschneiden um 50 % gegenüber den hochbelastenden geraden Schnitten bei 3-Achsen verlängert wird.

2. Branchenspezifische Anforderungen an die Achsen

Unterschiedliche Branchen haben einzigartige Anforderungen, die die Auswahl der Achsen bestimmen:

Branche	einsatzfälle für 3-Achsen	einsatzfälle für 4-Achsen	einsatzfälle für 5-Achsen
Automobilindustrie	Motorhalterungen, Sensorgehäuse	Antriebswellen, Einspritzdüsen	Zylinderköpfe für Hochleistungsracing
Luft- und Raumfahrt	Einfache strukturelle Halterungen	Einfache zylindrische Komponenten	Turbinenschaufeln, Flugzeugrahmen, Satelliten (91 % der Turbinenschaufelhersteller verwenden laut Bericht aus 2023 5-Achs)
Medizin	Plastik-Gehäuse für Werkzeuge	Wellen chirurgischer Instrumente	Titan-Hüftimplantate, Wirbelsäulenstäbe
Verbrauchsgüter	Handyhüllen aus Kunststoff, Aluminium-Kochgeschirr	Flaschenverschlüsse (gewindete Hälse)	Gehäuse von Lux/uhren (selten)

Häufige Fehler bei der Achsbearbeitung vermeiden

1. Fehler bei der Auswahl der Achsen für die Produktionsmenge

• Übermäßiger Einsatz von 5-Achs : Bei Kleinserien und einfachen Teilen (z. B. 50 Aluminiumklammern) sind die Kosten bei 3-Achs um 60 % niedriger (Stundensätze bei 5-Achs: 150–300 $; bei 3-Achs: 50–100 $).
• Unterauslastung von 5-Achs : Bei Serienteilen mit hoher Komplexität (z. B. 1.000 Turbinenschaufeln) benötigt 4-Achs dreimal so viel Rüstzeit wie 5-Achs – was die Arbeitskosten erhöht und Verzögerungen verursacht.
• Geometrie wird ignoriert : Teile mit Hinterschneidungen (z. B. versenkte Nuten an Kunststoffgehäusen) erfordern 5-Achs; bei 3-Achs kommt es zu Fehlausrichtungen, 4-Achs kann nicht-zylindrische Hinterschneidungen nicht erreichen. Eine Studie aus dem Jahr 2023 ergab, dass 68 % der Ausschussstücke bei 3-/4-Achs auf diesen Fehler zurückzuführen sind.

2. Best Practices für Programmierung und Rüstung

3 Achsen

• Verwenden Sie einfache G-Codes für lineare Bewegungen.
• Setzen Sie Schnellwechselspannplatten ein, um die Rüstzeit zu reduzieren (10–15 Minuten pro Teilewechsel).
• Führen Sie stets einen Trockentest (ohne Material) durch, um Kollisionen zwischen Werkzeug und Spannmittel zu vermeiden (3-Achs-Werkzeuge sind größer und anfälliger für Kollisionen).

4 Achsen

• Verwenden Sie CAM-Software mit 4-Achsen-Simulation, um die Rotation zu visualisieren.
• Zentrieren Sie das Werkstück auf der A/C-Achse (eine Abweichung von 0,1 mm verursacht Maßabweichungen).
• Sichern Sie zylindrische Teile mit Spannfutter/Hülsen für Konzentrizität – ein Automobilzulieferer hat Fehler dadurch um 40 % reduziert.

5 Achsen

• Investieren Sie in fortschrittliche CAM-Software (z. B. Mastercam, SolidWorks CAM) mit Kollisionsprüfung.
• Verwenden Sie einen 5-Achsen-Schwenktisch, um das Werkstück zu sichern (ermöglicht volle Rotation ohne Neupositionierung).
• Schulen Sie Programmierer im „Vorwinkel-Management“ (Anpassung des Werkzeugwinkels zur Verbesserung der Oberflächenqualität und Standzeit) – Luftfahrtunternehmen, die dies anwenden, erreichen Durchlaufquoten beim ersten Versuch von 95 %.

Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Auswahl des richtigen Achsentyps

Befolgen Sie dieses Vorgehen, um den geeigneten Achsentyp für industrielle Anwendungen auszuwählen:

1. Beginnen Sie mit dem Bauteil: Geometrie, Toleranz, Material

• Geometrie : Ebene Flächen = 3-Achsen; zylindrische/umlaufende Merkmale = 4-Achsen; mehrseitige/geformte Konturen = 5-Achsen.
  • Beispiel: Flache Aluminiumplatte (3-Achsen); Stahlwelle mit Schraubenschlitz (4-Achsen); Titan-Turbinenschaufel (5-Achsen).
• Toleranz : ±0,005 mm oder genauer = 5-Achsen; ±0,05 mm = 3/4-Achsen.
• Material : Weich = 3-Achsen; hart = 4/5-Achsen.

Ein Bericht zum Präzisionsbearbeitungswesen aus dem Jahr 2023 stellte fest, dass Unternehmen, die Teile zuerst analysieren, Achsauswahlfehler um 55 % reduzieren.

2. Ausrichtung an Produktionsvolumen und Kostenvorgaben

Produktionsvolumen	Einfache Teile	Komplexe Teile
Hoch (>1.000 Einheiten)	3-Achsen (geringe Kosten)	4/5-Achsen (schnellere Einrichtung)
Niedrig (1–100 Einheiten)	3-Achs (wirtschaftlich)	5-Achs (vermeidet übermäßige Rüstzeiten)

Laut dem Industrial Machining Guide 2024 senkt die „Kosten-Mengen-Analyse“ (Verknüpfung der Achsenanzahl mit der Menge) die Gesamtkosten um 22 %.

3. Bewertung der Werkstattressourcen

• Maschinenverfügbarkeit : Verwenden Sie 3-Achs für einfache Teile, wenn keine 4-/5-Achs-Maschinen verfügbar sind; komplexere Arbeiten bei geringen Stückzahlen extern vergeben.
• Programmierkenntnisse : Beginnen Sie bei mittlerer Komplexität mit 4-Achs, wenn das Team über keine 5-Achs-Erfahrung verfügt.
• Spannmittel/Werkzeuge : Stellen Sie sicher, dass spezialisierte Werkzeuge (z. B. Neigungstische für 5-Achs) verfügbar sind, bevor Sie die Achszahl festlegen.