Der Vermerk „erfordert ein 5-Achs-Bearbeitungszentrum“ in einer Anfrage stammt oft nicht vom Konstrukteur, sondern von einem Lieferanten, der den Preis erhöhen möchte. Tatsächlich ist die Achsenzahl kein Qualitätsmerkmal, sondern ein Werkzeug, das nach der Geometrie des Bauteils gewählt wird. Die richtige Achswahl wirkt unter den Faktoren, die den Teilepreis bestimmen, direkt über die Anzahl der Aufspannungen und die Maschinenklasse. Dieser Beitrag ist das Fräs-Gegenstück zu unserem Beitrag CNC-Drehen oder Langdrehen.
Was bedeuten die Achsen?
- 3-Achs (X, Y, Z): Das Werkzeug bewegt sich in drei Linearrichtungen, das Bauteil steht fest. Das Werkzeug steht immer senkrecht zum Tisch; in einer Aufspannung werden nur von oben zugängliche Flächen bearbeitet.
- 4-Achs (X, Y, Z + A): Das Bauteil dreht sich um eine Rundachse (meist die horizontale A-Achse). Der Umfang zylindrischer Teile und die vier Seitenflächen eines prismatischen Teils werden in einer Aufspannung bearbeitet. Bei Horizontal-Bearbeitungszentren übernimmt die B-Achse (Rundtisch) dieselbe Funktion.
- 5-Achs (X, Y, Z + A + C oder B + C): Zwei Rundachsen; das Werkzeug erreicht das Bauteil aus nahezu jedem Winkel. Es gibt zwei Untertypen:
- 3+2 (positionierend / indexiert): Die Rundachsen schwenken das Bauteil in einen Winkel und klemmen; bearbeitet wird in 3 Achsen. Ausreichend für mehrseitige prismatische Teile, Schrägbohrungen und Taschen, einfach zu programmieren.
- Simultan 5-Achs: Alle Achsen bewegen sich während des Schnitts gemeinsam. Erforderlich für Freiformflächen wie Turbinenschaufeln, Impeller, Formflächen und Implantate.
Welche Geometrie braucht welche Achse?
| Geometrie | 3-Achs | 4-Achs | 3+2 | Simultan 5-Achs |
|---|---|---|---|---|
| Platte, Taschen und Bohrungen von einer Seite | Ideal | — | — | — |
| Gehäuse von zwei Seiten bearbeitet (oben + unten) | 2 Aufspannungen | — | 1 Aufspannung | — |
| Prismatischer Block mit Merkmalen auf vier Seitenflächen | 4–5 Aufspannungen | 1–2 Aufspannungen (ideal) | 1–2 Aufspannungen | — |
| Taschen, Bohrungen, Nuten am Umfang eines zylindrischen Teils | Schwierig | Ideal | Möglich | — |
| Schrägbohrungen (zusammengesetzter Winkel) | Winkelvorrichtung nötig | In einem Winkel möglich | Ideal | — |
| Tiefe Tasche, kleiner Radius (langes Werkzeug) | Vibration, raue Oberfläche | — | Kurzes Werkzeug durch Anstellen: ideal | — |
| Freiformfläche (Form, Schaufel, Implantat) | Mit Kugelfräser möglich, langsam | — | Teilweise | Ideal |
| Hinterschnitte und innenliegende Schrägflächen | Sonderwerkzeug | Teilweise | Meist | Ideal |
In der Praxis werden etwa 80–90 % der industriellen Frästeile auf 3 oder 4 Achsen, 10–15 % mit 3+2 und nur wenige Prozent simultan 5-achsig gefertigt.
Kosten: Stundensatz und Anzahl der Aufspannungen
Die Achsenzahl wirkt in zwei gegenläufige Richtungen auf die Kosten:
- Der Stundensatz steigt: In der Türkei liegt ein 3-Achs-Vertikal-Bearbeitungszentrum bei 30–45 €, 4-Achs bei 35–50 €, 5-Achs bei 50–80 € pro Stunde (in Westeuropa etwa das Doppelte). Ursache sind die Unterschiede bei Maschineninvestition, CAM und Bedienerqualifikation.
- Die Anzahl der Aufspannungen sinkt: Jede Aufspannung bedeutet 5–15 Minuten Arbeitszeit, ein neues Nullen, Fehlerrisiko und Toleranzverlust zwischen den Aufspannungen. Bei einem auf vier Seiten bearbeiteten Teil bringt 1 Aufspannung auf 4 Achsen statt 4 Aufspannungen auf 3 Achsen sowohl Arbeitszeit als auch Positionstoleranz.
Regel: Lässt sich das Teil in 1–2 Aufspannungen auf 3 Achsen fertigen, ist 3-Achs am günstigsten. Sind 3 oder mehr Aufspannungen nötig, ist 4-Achs oder 3+2 meist günstiger und verbessert die Toleranzen. Simultan 5-Achs ist nur wirtschaftlich, wenn die Geometrie es zwingend erfordert. Mit steigender Stückzahl wächst der Anteil der Aufspann-Ersparnis; beim Prototyp ist der Unterschied klein.
Toleranzwirkung
Die Positionstoleranz zwischen Aufspannungen ist das schwächste Glied: Ein Versatz von 0,01–0,03 mm bei jedem Umspannen ist normal. Wird zwischen Bohrungen auf verschiedenen Flächen eine Positionstoleranz von ±0,02 mm verlangt, ist die Bearbeitung in einer Aufspannung (4-Achs oder 3+2) fast zwingend. Zwischen Merkmalen auf derselben Fläche hält 3-Achs ohnehin ±0,01 mm. Deshalb wirkt sich die Überlegung, welche Merkmale gemeinsam bearbeitet werden, bei der Toleranzvergabe direkt auf den Preis aus; Details in unserem Beitrag zur Toleranzwahl.
Ihre Zeichnung für weniger Achsen anpassen
- Schrägbohrungen senkrecht stellen: Eine Bohrung senkrecht zur Fläche statt einer Bohrung im zusammengesetzten Winkel ermöglicht die Fertigung auf 3 Achsen.
- Merkmale auf Flächen bündeln: Auf vier Flächen verteilte Merkmale auf zwei Flächen zu konzentrieren halbiert die Aufspannungen.
- Tiefe Taschen kürzen oder teilen: Tiefe Taschen, die lange Werkzeuge erfordern, drängen zu 5 Achsen; das Verhältnis Tiefe/Durchmesser unter 4 halten.
- Hinterschnitte vermeiden: Hinterschnitte erfordern Sonderwerkzeuge oder 5 Achsen; dienen sie der Montage, ein separates Teil erwägen.
- Freiformflächen hinterfragen: Lassen sich nicht-ästhetische Freiformflächen durch Ebenen und Zylinder ersetzen?
- Spannfläche vorsehen: Eine ebene Fläche, an der das Teil sicher gespannt werden kann, oder ein nach der Bearbeitung abzutrennender Zapfen senkt die Vorrichtungskosten.
Diese Entscheidungen behandelt unser DFM-Beitrag in einem breiteren Rahmen.
Was den Lieferanten fragen?
- „In wie vielen Aufspannungen fertigen Sie dieses Teil?“ – zeigt die Achspräferenz und woher der Preis kommt.
- „Wie sichern Sie die Positionstoleranz zwischen den Aufspannungen?“ – Nullpunktspannsystem, Vorrichtung, Zwischenmessung.
- „Welches Merkmal treibt den Preis am stärksten?“ – meist eine einzelne Schrägbohrung oder eine tiefe Tasche.
- „Was empfehlen Sie, um das Teil 3-Achs-tauglich zu machen?“ – ein guter Lieferant antwortet.
Bei Tornelle arbeiten wir mit 3- und 4-Achs-Vertikal-Bearbeitungszentren; Geometrien, die simultanes 5-Achs-Fräsen erfordern, werden in der Angebotsphase klar benannt, und es werden Alternativen angeboten (3+2-Ansatz, Konstruktionsvorschlag oder separate Beschaffung). Zur Kapazität siehe unsere Seite CNC-Fräsen.
Häufig gestellte Fragen
Ist ein auf einer 5-Achs-Maschine gefertigtes Teil hochwertiger?
Nein; Qualität ist die Einhaltung von Toleranzen und Oberfläche. Eine in einer Aufspannung auf 3 Achsen gefertigte Platte hat dieselbe Qualität wie eine 5-achsig gefertigte – und ist günstiger.
Wirkt sich der Unterschied zwischen 3+2 und simultan 5-Achs auf die Kosten aus?
Ja; 3+2 ist einfach zu programmieren, die Taktzeit ist vorhersehbar und günstiger. Simultan 5-Achs erfordert CAM, Simulation und Bedienerqualifikation; es ist nur bei Freiformflächen nötig.
Muss mein Teil für 4-Achs zylindrisch sein?
Nein; auch die vier Seitenflächen eines prismatischen Blocks werden auf 4 Achsen in einer Aufspannung bearbeitet. Zylindrische Teile sind ebenfalls eine typische 4-Achs-Anwendung.
Wie stark schlägt die Anzahl der Aufspannungen auf den Preis durch?
Jede Aufspannung fügt je nach Teilegröße 3–10 € Arbeitszeit und ein Positionstoleranzrisiko hinzu; 3 zusätzliche Aufspannungen bei 1.000 Stück bedeuten 9.000–30.000 €.
Fazit
Die Achsenzahl ist ein Werkzeug, das nach Geometrie und Anzahl der Aufspannungen gewählt wird: 3-Achs ist für die meisten Teile am günstigsten, 4-Achs und 3+2 sind bei mehrseitigen und zylindrischen Teilen sowohl günstiger als auch genauer, simultan 5-Achs ist nur bei Freiformflächen nötig. Um zu sehen, in wie vielen Aufspannungen und auf welchen Achsen Ihre Zeichnung am wirtschaftlichsten gefertigt wird, senden Sie Ihre STEP- und PDF-Dateien über unser Angebotsformular; Aufspannplan und Konstruktionsvorschläge kommen mit dem Angebot.
