Fräsen ist ein spanendes Fertigungsverfahren nach DIN 8589 mit kreisförmiger Schnittbewegung und beliebiger Vorschubbewegung. Im Gegensatz zum Drehen rotiert beim Fräsen das Werkzeug um die eigene Achse, während das Werkstück fest eingespannt oder kontrolliert bewegt wird. Es dient der Herstellung komplexer geometrischer Formen aus Metall, Kunststoff oder Holz.
Quick Facts zum Fräsen
- Definition: Fräsen ist ein spanendes Fertigungsverfahren mit kreisförmiger Schnittbewegung nach DIN 8589.
- Wichtigste Parameter: Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit, Zeitspanvolumen.
- Kostenhebel: Achs-Anzahl (3-Achs vs. 5-Achs), Werkzeug-Präferenz (Gleichlauf vs. Gegenlauf) und Standardwerkzeug vs. Sonderwerkzeug.
Der Fräsprozess: Funktionsweise und Werkzeugbelastung
Die Schneiden am Fräser haben nicht ständig Kontakt mit dem Werkstück. Während einer Umdrehung dringen sie in den Werkstoff ein, tragen Späne ab und lösen sich wieder.
Diese dynamische Wechselbelastung erfordert hochsteife Maschinen und CNC-Fräsmaschinen, um eine konstant hohe Qualität zu gewährleisten. Gegenüber Verfahren wie dem Bohren oder Schleifen lassen sich durch das Fräsen nahezu beliebige dreidimensionale Formen herstellen.
Wichtige Zerspangrößen und Schnittparameter
Um ein Werkstück prozesssicher zu bearbeiten, ist die Wahl der richtigen Maschinenparameter wichtig. Die Effizienz der Bearbeitung wird durch folgende Faktoren bestimmt:
- Schnittgeschwindigkeit: Die Relativgeschwindigkeit zwischen Werkzeugschneide und Werkstück. Sie ist direkt abhängig von der Drehzahl und dem Durchmesser des Werkzeugs.
- Vorschubgeschwindigkeit: Die Geschwindigkeit, mit der das Werkzeug in Vorschubrichtung bewegt wird.
- Schnitttiefe und Schnittbreite: Definieren den Schneideingriff in axialer und radialer Richtung.
Ein hoher Vorschub erhöht das Zeitspanvolumen, steigert aber gleichzeitig den Verschleiß der Werkzeuge. Das Zeitspanvolumen gibt an, welches Volumen an Material pro Zeiteinheit vom Rohteil abgetragen wird. Es wird in der Regel in cm^3/min angegeben und ist ein direkter Indikator für die Produktivität eines Fräsprozesses.
Die wichtigsten Fräsverfahren im Überblick
Für den strategischen Einkauf ist es entscheidend, die technologischen Möglichkeiten der Lieferantenbasis genau zu kennen. Um die Verfahrenswege zu systematisieren, teilt die DIN 8589 das Fräsen anhand der erzeugten Werkstückoberfläche, der Werkzeugform und der Kinematik (die Bewegung von Körpern in einem Raum) des Zerspanvorgangs ein. Die wichtigsten Verfahren für die Serienfertigung sind:
Planfräsen
Das Planfräsen dient der Herstellung ebener Flächen und zeichnet sich durch eine geradlinige Vorschubbewegung aus. In der Praxis wird es genutzt, um beispielsweise Absätze, Dichtungsflächen an Flanschen oder Motorblöcke zu bearbeiten. Unterschieden wird dabei meist in Stirn- und Umfangsplanfräsen, wobei das Stirnfräsen durch die Nutzung der Nebenschneiden besonders hohe Oberflächengüten liefert.
Rundfräsen
Beim Rundfräsen werden kreiszylindrische Außen- oder Innenflächen erzeugt. Ein in der CNC-Bearbeitung sehr häufiger Anwendungsfall ist das Zirkular- oder Orbitalfräsen von Bohrungen. Der große fertigungstechnische Vorteil: Mit nur einem Fräswerkzeug lassen sich verschiedene Durchmesser interpolieren. Das reduziert die Anzahl der benötigten Werkzeugwechsel und senkt die Stückkosten in der Serie.
Schraubfräsen
Dieses Verfahren nutzt eine wendelförmige Vorschubbewegung, um schraubenförmige Flächen am Werkstück zu erzeugen. Es wird vorrangig für die Herstellung von Gewinden oder Zylinderschnecken verwendet. Speziell bei schwer zerspanbarem Stahl bietet das Schraubfräsen (als Gewindefräsen) eine deutlich höhere Prozesssicherheit gegenüber dem klassischen Gewindeschneiden, da der Werkzeugbruch nicht zwangsläufig zum Ausschuss des gesamten Bauteils führt.
Wälzfräsen
Das Wälzfräsen ist eines der wichtigsten Fertigungsverfahren zur Herstellung von Verzahnungen. Hierbei wälzen das Fräswerkzeug – dessen Profil den herzustellenden Zähnen entspricht – und das Werkstück während des Zerspanungsvorgangs simultan gegeneinander ab. Es ist das Standardverfahren, um Zahnräder und Zahnstangen in hohen Losgrößen wirtschaftlich und maßgenau zu produzieren.
Profilfräsen
Hierbei weist das Werkzeug (der Profilfräser) bereits die exakte Form als Negativ auf, die erzeugt werden soll. Typische Anwendungsfälle sind das Fräsen von T-Nuten, Schwalbenschwanzführungen oder genormten Radien.
Formfräsen
Beim Formfräsen trägt das Werkzeug die zu erzeugende Geometrie nicht in sich. Stattdessen werden durch die numerische Bahnsteuerung (CNC) der Maschinenachsen beliebige, dreidimensionale Freiformflächen räumlich abgefahren. Dieses Verfahren wird intensiv im Gesenk- und Formenbau sowie für strömungsmechanische Bauteile wie Turbinenschaufeln eingesetzt.
Gleichlauffräsen und Gegenlauffräsen im Vergleich
In der Zerspanung wird streng zwischen zwei kinematischen Ansätzen unterschieden, die massiven Einfluss auf die Standzeit des Werkzeugs und die Oberflächengüte haben.
Gleichlauffräsen: Der wirtschaftliche Standard
Das Werkzeug dreht sich in die gleiche Richtung, in die das Werkstück geschoben wird. Die Schneiden schlagen sofort mit voller Kraft in das Material ein, und der Span wird nach hinten immer dünner. Das Werkzeug „zieht“ das Bauteil förmlich mit.
- Alltags-Beispiel: Stellen Sie sich vor, Sie schneiden mit einem scharfen Messer einen harten Käse von oben nach unten ab. Der Schnitt beginnt mit viel Kraft und läuft sanft aus.
- Das bedeutet für den Einkauf: Das ist heute das Standardverfahren auf modernen CNC-Maschinen. Es liefert sehr glatte Oberflächen und schont die Fräser – sie halten deutlich länger, was Ihre Stückkosten in der Serienfertigung niedrig hält.
Gegenlauffräsen: Der Problemlöser für harte Fälle
Das Werkzeug dreht sich gegen die Schieberichtung des Bauteils. Es arbeitet wie ein Schaufelrad eines Dampfers gegen die Strömung. Die Schneide rutscht erst mit viel Druck über das Material, bevor sie in die Tiefe greift und den Span nach oben herausreißt.
- Alltags-Beispiel: Das ist vergleichbar damit, wenn Sie mit Schleifpapier hart gegen die Holzmaserung reiben. Es kostet mehr Kraft, erzeugt viel Reibung und das Ergebnis wird oft rauer.
- Das bedeutet für den Einkauf: Dieses Verfahren ist teurer, weil die Werkzeuge durch die hohe Reibung viel schneller verschleißen. Es wird nur noch gezielt eingesetzt, wenn das Rohteil eine extrem harte oder schmutzige Außenhaut hat (z. B. raue Gussteile mit Gusshaut oder Werkstücke mit hartem Zunder). Die Schneide „untergräbt“ hier die harte Schicht von unten, um nicht sofort stumpf zu werden.
Fräsmaschinen: Von der Handfräse bis zur CNC-Anlage
Die Wirtschaftlichkeit der Herstellung wird maßgeblich durch die eingesetzte Maschinenklasse bestimmt. Das Spektrum reicht von manuellen Geräten für die Holzbearbeitung bis hin zu hochkomplexen Bearbeitungszentren für die industrielle Serienfertigung.
Handgeführte Oberfräsen / Konventionelle Fräsmaschine
Im Handwerk und Innenausbau ist die handgeführte Oberfräse das Standardwerkzeug, speziell um Kunststoffe oder Holz zu bearbeiten. Für den industriellen Serien-Einkäufer im Maschinenbau spielen diese handgeführten Maschinen zur Metallbearbeitung keine Rolle, da sie weder die nötige Steifigkeit noch die Prozessstabilität für Stahl oder Aluminium bieten.
Industrielle Fräsmaschinen & Bearbeitungszentren
Die industrielle Bearbeitung von Metallen erfolgt heute primär auf hochsteifen CNC-Fräsmaschinen und Bearbeitungszentren (BAZ). In der Praxis verschwimmen die technologischen Grenzen zwischen diesen Maschinentypen zunehmend, da mittlerweile nahezu alle industriellen Anlagen über automatisierte Werkzeugwechsler und Vorratsmagazine verfügen.
Der entscheidende Mehrwert eines Bearbeitungszentrums für die Serienfertigung liegt in der Komplettbearbeitung: Ein BAZ ist darauf ausgelegt, verschiedenste Fertigungsschritte wie Fräsen, Bohren, Gewindeschneiden und teils sogar Drehen in einer einzigen Aufspannung durchzuführen. Diese Anlagen werden nach der Ausrichtung ihrer Hauptspindel in horizontale und vertikale Bauformen unterteilt. Durch die Integration von mehreren, simultan angetriebenen Verfahrachsen sowie Palettenwechslern zum hauptzeitparallelen Rüsten machen sie selbst hochkomplexe 5-Achs-Bearbeitungen in großen Stückzahlen wirtschaftlich realisierbar.
CNC-Steuerung und Automation
Der entscheidende Produktivitätssprung in der modernen Zerspanung ist der CNC-Technik (Computerized Numerical Control) in Verbindung mit durchgängigen CAD/CAM-Prozessketten zu verdanken. Eine CNC-Steuerung wandelt keine reinen Konstruktionsdaten um. Stattdessen wird das 3D-CAD-Modell zunächst in ein CAM-System (Computer-Aided Manufacturing) überführt. Dort plant der Zerspanungstechniker die exakten Werkzeugwege, Schnittparameter und Vermeidungsstrategien für Kollisionen.
Ein sogenannter Postprozessor übersetzt diese Bahndaten anschließend in den maschinenspezifischen NC-Code (G-Code). Erst diesen Code liest die CNC-Steuerung der Maschine ein, um das Werkzeug vollautomatisch und im Mikrometer-Bereich exakt entlang komplexester dreidimensionaler Bahnen zu führen. Diese Automation ermöglicht nicht nur einen mannarmen Betrieb in vernetzten Fertigungszellen, sondern ist auch die zwingende Grundvoraussetzung für das Hochgeschwindigkeitsfräsen (High-Speed-Cutting, HSC), bei dem mit Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 8000 m/min gearbeitet wird – was die Taktzeiten in der Serienfertigung drastisch reduziert.
Achs-Konfigurationen: Vom 3-Achs-Standard zur 5-Achs-Simultanbearbeitung
Moderne Fräsmaschinen und Bearbeitungszentren verfügen über mehrere Verfahrachsen, welche simultan betrieben werden können und so die Herstellung komplexer Bauteile ermöglichen. Für den Einkauf bedeutet jede zusätzliche Achse einen höheren Maschinenstundensatz, reduziert aber im Gegenzug die Rüstzeiten und eliminiert Umspannfehler. Man unterscheidet primär drei Leistungsklassen:
3-Achs-Fräsen
Dies ist der Branchenstandard für flache, prismatische Bauteile. Das Werkzeug verfährt linear in den Raumachsen X, Y und Z.
- Wirtschaftlichkeit: Geringste Maschinenstundensätze und Programmieraufwände.
- Grenzen: Sobald ein Bauteil von mehreren Seiten bearbeitet werden muss, sind manuelle Umspannvorgänge nötig. Jede neue Aufspannung addiert Rüstkosten und birgt das Risiko von Maßabweichungen (Toleranzketten-Aufbau).
4-Achs-Fräsen
Hierbei wird das 3-Achs-System um eine Rotationsachse erweitert.
- Wirtschaftlichkeit: Ideal für zylindrische Bauteile oder Profile, bei denen Bohrungen oder Nuten auf dem Umfang eingebracht werden müssen. Das Bauteil wird in einem Teilapparat gespannt und gedreht, was den manuellen Eingriff des Bedieners minimiert.
- Grenzen: Das 4-Achs-Fräsen stößt bei echten 3D-Freiformflächen und räumlich gewinkelten Konturen an seine Grenzen, da das Bauteil im Teilapparat lediglich rotiert, aber nicht gekippt werden kann. Zudem blockieren die notwendigen Spannmittel oft die Stirnseiten des Werkstücks, was bei dortigen Bearbeitungen ein manuelles und toleranzverfälschendes Umspannen erzwingt. Um Rüstkosten in der Serienfertigung zu minimieren, sollten Konstrukteure daher alle funktionsrelevanten Fräsoperationen konsequent auf den Zylindermantel legen.
5-Achs-Fräsen
Die Königsdisziplin der Zerspanung, die sich bei Gehäusen und komplexen Frästeilen im Maschinenbau durchgesetzt hat. Vertikale Bearbeitungszentren spielen hier ihre Stärke bei der Bearbeitung kubischer Bauteile aus. Technologisch und kalkulatorisch muss hier streng zwischen zwei Ansätzen getrennt werden:
- 3+2-Achs-Fräsen (Stellfräsen): Das Bauteil wird über zwei Rotationsachsen (z. B. Schwenkrundtisch) in Position gebracht und mechanisch geklemmt. Die eigentliche Zerspanung erfolgt starr in X, Y und Z. Dies ermöglicht die komplette 5-Seiten-Bearbeitung in nur einer Aufspannung, bietet eine extrem hohe Steifigkeit und ist für 90% der hochkomplexen Serienteile die wirtschaftlichste Lösung.
- 5-Achs-Simultanfräsen: Alle fünf Achsen bewegen sich während des Fräsprozesses zeitgleich. Die numerische Steuerung (CNC) interpoliert die Bewegungen in Echtzeit. Dieses Verfahren ist zwingend erforderlich für komplexe 3D-Freiformflächen (z. B. Turbinenschaufeln, Strömungsbauteile), zieht aber die höchsten Maschinen- und Programmierkosten nach sich.
Kostenfaktor Achs-Konfigurationen: 3-Achs vs. 4-Achs vs. 5-Achs
Für den Einkauf bedeutet jede zusätzliche Achse einen höheren Maschinenstundensatz, reduziert aber im Gegenzug die Rüstzeiten.
| Achs-Konfiguration | Maschinen- stundensatz | Rüstkosten (bei komplexen Teilen) | Programmier- aufwand (CAM) | Wirtschaftlicher Einsatzbereich & Fazit für den Einkauf |
|---|---|---|---|---|
| 3-Achs-Fräsen | Niedrig | Hoch (durch häufiges Umspannen) | Niedrig | Ideal für flache, prismatische Bauteile. Wird bei komplexen Teilen schnell teuer, da jede neue Aufspannung Rüstkosten und Toleranzrisiken addiert. |
| 4-Achs-Fräsen | Mittel | Mittel | Mittel | Ideal für Wellen, Zylinder und Profile. Das Bauteil rotiert im Teilapparat. Achtung: Stirnseiten sind oft durch Spannmittel blockiert. |
| 5-Achs (3+2 Stellfräsen) | Hoch | Sehr niedrig (5 Seiten in einer Aufspannung) | Mittel | Der Sweet-Spot der Serienfertigung. Trotz höherem Stundensatz für ca. 90 % aller komplexen Serienteile die günstigste Lösung, da Rüstzeiten kollabieren. |
| 5-Achs (Simultan) | Sehr hoch | Sehr niedrig | Sehr hoch | Nur einsetzen, wenn zwingend nötig. Alle 5 Achsen interpolieren zeitgleich. Zieht höchste Kosten nach sich; reserviert für 3D-Freiformflächen (z. B. Impeller). |
Welche Werkstoffe lassen sich fräsen? Materialspezifische Herausforderungen
Grundsätzlich lassen sich durch das Fräsen verschiedenste Werkstoffgruppen bearbeiten.
Stähle & NE-Metalle
Das Fräsen von unterschiedlichsten Stahlsorten sowie NE-Metallen (Nichteisenmetalle wie Aluminium oder Messing) bildet das Rückgrat der industriellen Serienfertigung. Die Bearbeitbarkeit und damit die Stückkosten variieren hier jedoch extrem:
- NE-Metalle lassen sich in der Regel hervorragend und schnell zerspanen. Sie erlauben sehr hohe Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe, was die Maschinenlaufzeit und die Bauteilkosten für den Einkauf drastisch senkt.
- Weiche Stähle (mit niedrigem Kohlenstoffgehalt) neigen zum „Schmieren“. Das Material reißt eher ab, als dass es geschnitten wird, was zu starker Gratbildung und Aufbauschneiden am Werkzeug führt.
- Harte Stähle und hochlegierte Werkstoffe (wie Titan oder rostfreier Edelstahl) erzeugen enorme Schnittkräfte und Temperaturen. Sie erfordern extrem steife CNC-Maschinen, beschichtete Vollhartmetall-Fräser und eine präzise Prozesskühlung, um Rattermarken zu vermeiden. Für den Einkauf bedeutet dies naturgemäß höhere Maschinenstundensätze und Werkzeugkosten.
Technische Kunststoffe
Werkstoffe wie POM oder PEEK erfordern hohe Schnittgeschwindigkeiten. Da Kunststoffe schlechte Wärmeleiter sind, staut sich die Reibungshitze schnell in der Wirkzone. Um ein Schmelzen oder Verfärben der Oberfläche zu verhindern, muss die Wärme zügig über den Span abgeführt werden. Ist dies nicht ausreichend, ist oft eine Sprühnebelkühlung (Minimalmengenschmierung) zwingend notwendig.
Holz
Im Gegensatz zur Metallbearbeitung wird Holz in der Regel vollständig trocken (ohne Kühlschmiermittel) gefräst. Hier ist die exakte Abstimmung von Vorschub und Schnitttiefe kritisch: Ist der Vorschub zu gering, verweilt das rotierende Werkzeug zu lange an einer Stelle, und durch die Reibung entstehen sichtbare Brandspuren am Werkstück.
Stein
Das Fräsen von Natur- oder Kunststein ist eine absolute Nischenanwendung. Für extrem harte, spröde Materialien wie Granit, Marmor oder Schiefer sind massiv gebaute, vibrationsdämpfende Portalfräsen nötig. Diamantbestückte Werkzeuge und ein permanenter Wasserstrahl zur Kühlung und Staubbindung sind hier branchenüblicher Standard.
Expertentipp für die Konstruktion (DFM)
Kosten senken durch werkzeuggerechte Radien:
Wenn Sie Taschen konstruieren, messen Sie die Innenecken nicht zu eng aus. Eckenradien, die exakt dem Fräserradius entsprechen, führen dazu, dass das Werkzeug in der Ecke voll umschlungen wird (180°-Eingriff).
Ingenieurs-Rat: Bei Erstellung einer innenliegenden Tasche (Passfeder-Nut) an Ihrem Bauteil stellen Sie sicher, dass am Grundübergang zu den Schenkeln ein Radius konstruiert wird von mindestens 0,6 mm. Denn ein 90 Grad Eckenwinkel ist einfach zu konstruieren, aber nicht prozessfähig mit Standardwerkzeugen. Dies kann zu einem Fehler bei der Kalkulation führen und auch zu längeren Kommunikationswegen zwischen Laserhub, Produzent und Kunden.
Laserhub als strategischer Partner: Beschaffung per Plattform oder systemunabhängig direkt aus dem ERP
Für den Serieneinkauf ist nicht nur das fertigungstechnische Verständnis entscheidend, sondern absolute Prozess-Exzellenz. Volatile Bedarfe, kurzfristige Engineering-Änderungen und knappe IT-Ressourcen für aufwendige Systemintegrationen stören oft die Lieferpläne und bergen das Risiko teurer Line-Stops.
Genau hier setzt Laserhub als digitaler Beschaffungspartner an. Anstatt IT-Budgets für komplexe Schnittstellen-Projekte zu verbrennen, verlagert Laserhub den Prozess auf den universellsten Kommunikationsweg: die E-Mail.
Sie können Ihre Anfrage inklusive CAD-Daten ganz einfach direkt aus Ihrem bestehenden ERP-System (z. B. SAP Ariba, Jaggaer oder Coupa) per E-Mail an Laserhub senden. Auch die finale Bestellung per E-Mail ist bereits möglich. Laserhub arbeitet kontinuierlich daran, den gesamten nahtlos über E-Mail abzubilden.
Das Ergebnis für den strategischen Einkauf: Sie können frei entscheiden, ob sie unsere Plattform nutzen oder aus Ihren bestehenden Systemen bestellen. SIe sichern sich eine Serienversorgung mit einer On-Time-Delivery (OTD) von >98%. So machen Sie die Lieferkette für hochpräzise Frästeile endlich planbar, effizient und völlig systemunabhängig.
