Produktivität neu denken: 5 Achs-Bearbeitung im modernen Zerspanungsprozess

Der strukturelle Wandel in Automotive, Aerospace und dem Maschinenbau zwingt fertigende Unternehmen zu hoher Flexibilität bei schwankenden Losgrößen und volatilen Auftragslagen Parallel dazu steigt die geometrische Komplexität der beauftragten Bauteile. Wirtschaftlichkeit gewinnt damit immer mehr an Bedeutung. Während wir aber auf Messen über KI-Bots und Agentic AI und autonome Fertigungskonzepte diskutieren, ist die Digitalisierung im Mittelstand immer noch unzureichend umgesetzt. Und der Fachkräftemangel verschärft die Kluft zwischen steigenden Anforderungen und sinkenden Ressourcen zusätzlich. Viele Unternehmen versuchen daher, ihre Automationslücken zu schließen und integrieren gleichzeitig vermehrt wirtschaftliche Fertigungsstrategien wie die 5‑Achs‑Simultanbearbeitung, um ihre Produktivität zu heben. Diese schafft die Grundlage für einen hohen Automationsgrad bis hin zur mannlosen Fertigung.

Bearbeitungsstrategien im Überblick: 5-Achs-Simultanbearbeitung gegenüber 3+2

Wer das volle Potenzial moderner 5‑Achs‑Technologie ausschöpfen will, muss den Unterschied zwischen 3+2‑Fräsen und echter 5‑Achs‑Simultanbearbeitung verstehen – denn beide Ansätze bieten völlig unterschiedliche Möglichkeiten für Produktivität und Bauteilqualität. Beim 3+2-Fräsen gibt es immer zwei festangestellte Rotationsachsen. Die Bearbeitung selbst erfolgt mit maximal drei beweglichen Linearachsen. Dieses Verfahren eignet sich für viele Anwendungen, bei denen verschiedene Bauteilseiten präzise und effizient bearbeitet werden sollen. 

Bei komplexen Geometrien, anspruchsvollen Freiformflächen oder Bauteilen mit Hinterschnitten hingegen bietet die 5-Achs-Simultanbearbeitung deutliche Vorteile. Das gilt etwa für Bauteile wie Francis-Turbinen, Pelton-Räder, komplexe Werkzeugformen oder medizinische Implantate. Hier bewegen sich alle fünf Achsen gleichzeitig, dadurch kann das Werkzeug die Bauteilflächen im jeweils optimalen Anstellwinkel bearbeiten. So lassen sich komplexe Aufgaben effizient bearbeiten und Oberflächen mit hoher Form- und Maßgenauigkeit erzeugen. Darüber hinaus werden oftmals weniger Aufspannungen benötigt. Das reduziert Nebenzeiten, minimiert manuelle Eingriffe und unterstützt eine hohe Prozesssicherheit.

Technische Voraussetzungen für die 5-Achs- Simultan-Bearbeitung

Open Mind Technologies AG, Anbieter der CAD/CAM-Software hyperMILL, und ZCC-CT Europe, Spezialist für Werkzeuglösungen, beobachten aktuell ein deutlich wachsendes Interesse Ihrer Kunden und Interessenten an diesem Thema und kooperieren daher verstärkt bei Veranstaltungen zur Wissenvermittlung. Wollen Fertiger die 5-Achs-Simultanbearbeitung in ihre Prozessabläufe integrieren, bedarf es zunächst einiger technologischer Grundvoraussetzungen, erklärt Marco Brosowski, Anwendungstechniker bei dem Softwareentwickler Open Mind. Die Anschaffung eines 5-Achs-Bearbeitungszentrums, welches hohe Vorschübe und schnelle Beschleunigungen ermöglicht, sei dabei nur der erste Schritt: „Erst das Zusammenspiel aus leistungsstarker CAM-Software, modernen 5-Achs-Technologien und virtueller Maschinensimulation mit digitalem Zwilling ermöglicht durchgängige Prozesse, vom Einlesen der CAD-Dateien über die CAM-Programmierung bis zum kollisionsgeprüften NC-Code für die Maschine.“

Drei Anwendungsfälle, maximale Produktivität

Dennis Hollenberg, Produktmanager VHM-Fräsen bei ZCC Cutting Tools Europe: „Aufgrund des großen Interesses an innovativen Bearbeitungsstrategien konnten wir erfolgreiche Veranstaltungen zur 5-Achs-Simultanbearbeitung durchführen und dabei hohes wirtschaftliche Potenzial aufzeigen. Im Juni dieses Jahres gelang es beispielsweise, bei der Fertigung eines typischen „Nachtschicht-Bauteils“ Einsparungen von bis zu 80 % der üblichen Fertigungszeit zu erzielen. Ausgangslage des Workshops war ein aus dem Vollen gefrästes Bauteil aus 1.2312 (Werkzeugstahl), wobei die Maschinenkapazität mit Blick auf eine mannlose, simultane Fertigung mithilfe einer 3-Seiten-Pyramide Lang Technik für die Aufspannung von 3 Bauteilen vergrößert wurde.

Schruppen: Zylindrische Bohrung prozesssicher fräsen

„Eine erwähnenswerte Fräsoperation war in unseren Augen das Auffräsen einer zylindrischen Bohrung unter Berücksichtigung unterschiedlicher Maschinenkinematiken. Diese Bearbeitung wäre mit konventionellen Methoden aufgrund der vielen aufeinander folgenden Prozessschritte wirtschaftlich nur schwer umsetzbar gewesen“, führt Hollenberg weiter aus. Die besondere Herausforderung war dabei eine querliegende Bohrung im Werkstück mit ausgeprägten Schwingneigungen. Um die axiale Belastung gegenüber einer klassischen 3-Achs-Bearbeitung zu reduzieren, kam die hyperMILL-Strategie 5-Achs-helikale Bohren zum Einsatz. Marco Brosowski erläutert: „Die Bohrung hatte einen Durchmesser von 50 mm. Mit dem 5-Achs-Bohrfräsen lässt sich aus einer kreisförmigen Tasche möglichst viel Material sicher, effizient und fräserschonend entfernen. Durch die 5-Achs-Neigung schneidet der Fräser aber nicht nur an der Stirnseite, sondern an einem günstigeren Eingriffspunkt. So werden Schnittkräfte und Spindelbelastung deutlich reduziert.“

In Kombination mit dem positiv ausgelegten Hochvorschubfrässystem XMR01 von ZCC-CT Europe gelang eine hochproduktive Schruppbearbeitung mit einer Drehzahl von 4.456 U/min und einem Vorschub von 3.565 m/min. Dieses weich schneidende Werkzeug wird typischerweise eingesetzt, wo hohe Vorschübe, große Zerspanungsvolumen, geringe Schnittkräfte und stabile Prozesse auch bei langen Auskraglängen gefordert sind.

Des Weiteren eröffnete die 5-Achs-Simultanbearbeitung die Möglichkeit, konische Werkzeugaufnahmen für eine erhöhte Stabilität einzusetzen. Dies führte zu einer effektiven Verringerung von Vibrationen und einem verminderten Bearbeitungsdruck, was sich unmittelbar in einer erhöhten Prozesssicherheit niederschlägt.

Schruppen: Hochproduktives Taschenfräsen mit konischem Turbinenwerkzeug

Während der nächsten Operation sollte eine tiefe Kavität möglichst produktiv bearbeitet werden. Die zu bearbeitende Tasche wies einen Freiformflächengrund auf, bei dem zwei Ebenen kontinuierlich in einen Radius übergehen. Dennis Hollenberg von ZCC-CT Europe setzte dazu ein konisch ausgeführtes PGMS-Turbinenwerkzeug mit stirnseitigem Vollradius (r=3 mm), ein, da diese Werkzeuggeometrie eine erhöhte Biegesteifigkeit gewährleistet und dadurch die Neigung zu Schwingungen reduziert, wie sie insbesondere bei großen Auskraglängen auftreten.

Mit klassischen ungleich geteilten Schaftfräsern wäre zwar eine effiziente Bearbeitung der ebenen Bereiche, jedoch keine gleichzeitige Bearbeitung der Freiformflächen möglich gewesen: Üblicherweise müssten die Freiformsegmente zunächst stufenweise vorgearbeitet und anschließend mit einem 6‑mm-Kugelfräser (Schneidenlänge 18 mm am Konus) in Zeilenbahnen nachbearbeitet werden, um die Stufen zu einer durchgängigen Freiformtopografie zu homogenisieren. Durch den Einsatz des konischen Turbinenwerkzeugs im Workshopszenario hingegen konnten Freiformflächen und Ebenentaschenwände in einem einzigen Schruppprozess simultan bearbeitet werden. Für das Schruppen wählte Brosowski von Open Mind spezielle hyperMILL-Strategien für das High-Performance-Cutting (HPC). Das Ergebnis: Eine deutliche Reduktion der Gesamtbearbeitungszeit von 66%. Dank des PGMS‑BTR3‑Werkzeugs konnte die Tasche bei einer Drehzahl von 11.671 min⁻¹ und einem Vorschub von 2.801 mm/min in rund 5 Minuten vollständig geschruppt werden. Die Kombination aus hoher Werkzeugsteifigkeit, optimierter Schneidengeometrie und passender hyperMILL Bearbeitungsstrategie ermöglichte somit eine dreifache Produktivitätssteigerung bei gleichzeitig stabiler Prozessführung.

Schlichten: Hohe Produktivität mit PGMS-Kreissegmentfräser

Für die anschließende Schlichtbearbeitung kamen Prozessparameter von 8.800 min⁻¹ Drehzahl und einem Vorschub von 1.786 mm/min zum Einsatz. Da in vergleichbaren Schlichtoperationen üblicherweise Kugelfräser verwendet werden, bestand das Ziel darin, den spezifischen Mehrwert einer 5‑Achs‑Simultanstrategie herauszuarbeiten und durch die Wahl einer geeigneten Werkzeugalternative die Produktivität deutlich zu steigern. Im Rahmen der Prozessauslegung konnte durch den Einsatz eines kegelförmigen Kreissegmentfräsers der PGMS‑Linie die Zustelltiefe auf 3,6 mm erhöht werden. Der Kreissegmentfräser (D12) bildet dabei den effektiven Schneidenradius eines 300‑mm‑Kugelfräsers ab, ermöglicht jedoch aufgrund der größeren Kontaktfläche deutlich größere Zeilabstände – was unmittelbar zu einer signifikant gesteigerten Produktivität führt.“

Wie Prozessinnovation Output und Werkzeugstandzeit steigert

Das mittelständische Unternehmen Hipp Drehteile hat durch gezielte Prozessoptimierung und neue Zerspanungslösungen seine Fertigung deutlich effizienter gemacht – und damit Output und Werkzeugstandzeiten gesteigert.

Für die Bearbeitung ebener Flächen und Regelflächen mit großem Krümmungsradius setzte man beim Schlichten mit Tonnenfräsern auf die hyperMILL-Tangentialbearbeitung. „Die Strategie berechnet die Werkzeugbahnen automatisch und richtet das Werkzeug kontinuierlich optimal über den Kontaktpunkt des Fräsers aus. Dadurch wird der Schneidenradius gleichmäßig genutzt. Das ermöglicht eine sichere und effiziente Bearbeitung sowie hochwertige Oberflächengüten über die gesamte Fläche hinweg“, erklärt Brosowski von Open Mind.  Der Einsatz des Kreisssegmentfräsers von ZCC-CT Europe ermöglicht die Fertigung einer gleichwertigen technischen Oberfläche mit der theoretischen Rautiefe Ra1, bei einer gleichzeitigen Zeitersparnis von 80 %. Anwendungsfälle wie diese zeigen auf, dass es sich lohnt, von konventionellen Lösungswegen Abstand zu nehmen und die Werkzeugstrategie anzupassen. Die gewonnenen Erkenntnisse unterstreichen überdies, dass die 5‑Achs‑Simultanbearbeitung ein zentraler Baustein für zukunftsfähige, hochproduktive Fertigungsprozesse ist – insbesondere im Zusammenspiel mit intelligenter Software und leistungsfähigen Werkzeugen und eine gute Antwort auf die gestiegenen Anforderungen in der Zerspanungsbranche.