Bessere CNC-Teile durch Feinabstimmung der Toleranzen

Standardisierung durch Toleranzen – ein maßgebliches Kriterium für den globalen Handel

Abmessungstoleranzen und die Austauschbarkeit von Bauteilen gehören zum gängigen Konzept der modernen Fertigung. Der Vorteil der Herstellung „identischer Teile“, die für jede beliebige Baugruppe desselben Typs passen, ist seit 1841 bekannt. Sir Joseph Whitworth führte in diesem Jahr das noch heute nach ihm benannte British Standard Whitworth (BSW)-Gewinde ein, das einen enormen Fortschritt für die verteilte Fertigung bedeutete. Es ermöglichte sowohl den Wettbewerb als auch die Zusammenarbeit zwischen unterschiedlichen Herstellern.

Perfektion kann den Fortschritt behindern

Es ist einfach, in der Entwurfs- und Prototypenphase enge Toleranzen hinzuzufügen und mit Hilfe der Form- und Lagetoleranzen zu viele Einschränkungen in das Design einzubauen. Dies wird unweigerlich die Herstellungskosten in die Höhe treiben und die Beschaffungsmöglichkeiten im weiteren Verlauf des Entwicklungszyklus einschränken. Die strengsten Toleranzen können weitere Bearbeitungsschritte wie Schleifen, Polieren oder Funkenerosion (EDM) erfordern, was sowohl die Kosten als auch, was noch wichtiger ist, die Durchlaufzeit erhöht.

Bei zu lockeren Toleranzen hingegen lassen sich die Teile möglicherweise nur schwer oder gar nicht zusammenbauen.

Um Ihnen einen Überblick über mögliche Toleranzen und damit verbundene Kosten zu geben, erläutern wir in diesem Artikel, welche Toleranzen bei Protolabs generell verfügbar und welche davon gängig sind. Schließlich befassen wir uns mit den Form- und Lagetoleranzen (Geometric Dimensioning and Tolerancing, GD&T), die unter BS 8888:2020, ISO und ASME definiert sind.

Standardtoleranzen für die CNC-Bearbeitung

Viele Anbieter verlangen noch immer eine 2D-Zeichnung. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Aufpreise für die engen Toleranzen berechnen, während beim restlichen Bauteil durch größere Allgemeintoleranzen Kosten gespart werden. Protolabs setzt bei der Fertigung auf eine moderate Standardtoleranz von ±0,1 mm. Dies vereinfacht das Design und spart Zeit bei der Zeichnungserstellung und der Kommunikation. Bei den meisten Bauteilen reicht diese Toleranz aus: 54 % der Funktionsteile lassen sich mit einer Toleranz von ±0,1 mm oder weniger fertigen.*^{Laut Untersuchungen von Protolabs}

Toleranzleitfaden für die CNC-Bearbeitung

Ein Design kann auf zweierlei Arten unnötig eingeschränkt werden: entweder durch Hinzufügen übermäßig enger Toleranzen oder durch mehrfache Einschränkung eines Freiheitsgrades – indem beispielsweise ein Stift die Bewegung auf der x- und y-Achse beschränkt und ein zweiter die Drehung verhindert. Auch bei Nuten und Einsätzen gilt, dass übermäßige Einschränkungen zu Mehrkosten führen.

Oberflächenqualität

Protolabs bietet für sein gesamtes Sortiment an CNC-Materialien standardmäßig eine Oberflächenqualität mit einer durchschnittlichen Rauheit Ra von 1,6 µm. Mittenrauwerte Ra zwischen 6,3 µm und 0,8 µm sind bei der CNC-Bearbeitung generell die Norm. Durch optionales Perlstrahlen kann eine geringfügig rauere, dafür aber gleichmäßige, matte Oberfläche erzielt werden. Detaillierte Darstellungen finden Sie im Leitfaden für CNC-Oberflächenbehandlung.

Anpassung des Designs

Eine Anpassung des Designs kann zu einer genauen Passform führen und die Machbarkeit Ihres Teils sicherstellen. Sie können die erforderlichen Toleranzen aber auch testen:

• Unterfütterung: Die Höhe oder das Spiel kann mit einem Unterlegblech oder einer Unterlegscheibe angepasst werden.
• Stellschraube: Mit Maden- oder Feingewindeschrauben kann die Position von Bauteilen verändert oder ein Bauteil gegen einen Anschlag gedrückt werden. Wichtig zu überlegen ist hierbei, wie das Bauteil später in dieser Position fixiert wird (Sicherungsmutter, Gewindesicherung oder Schraube).
• Presspassung: Zwei Bauteile können auf eine bekannte Höhe oder Position gepresst werden.
• Schrumpfpassung: Durch Erhitzen eines Bauteils (d. h. Wärmeausdehnung) können zwei Bauteile passgenau zusammengefügt werden.

Diese Verfahren eignen sich allesamt hervorragend für Aufspannvorrichtungen, Prüfstände und Montagewerkzeuge.

Änderung während der Montage

Wenn Ihr Teil für die Massenproduktion gedacht ist, sollten Sie manuelle Nachbearbeitungsschritte wie Entgraten und Polieren definitiv vermeiden. Diese sind in hohem Maße von der fachlichen Kompetenz abhängig und führen zu Abweichungen. In der Test- und Prototypenphase hingegen können Sie die Toleranzen Ihres Designs durch Schleifen, Polieren und mit Hilfe eines schnellen Messverfahren, zügig anpassen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, für den Montagetest mehrere Designs zu erstellen. Mittels CNC-Bearbeitung und 3D-Druck lässt sich schnell eine Testreihe erstellen.

Was ist ein „Mü“?

Ein „Mü“ bzw. Mikrometer (µm) ist ein tausendstel Millimeter – und mit bloßem Auge nicht erkennbar: Ein Rauchpartikel einer Zigarette hat beispielsweise einen Durchmesser von 1 µm. Wenn Sie Ihr Smartphone in der Hand halten, kann es sich aufgrund der Wärme Ihrer Hand um bis zu 68 µm ausdehnen – nur um unsere Standardtoleranz von ±100 µm in Relation zu setzen. In Mikrometern sollten Sie jedoch nur messen, wenn Sie eine Normalisierung für 24 Stunden planen und die Messung in einer temperaturgesteuerten Umgebung mit einem Koordinatenmessgerät (KMG) durchführen (Protolabs bietet dies an).

 (# Aluminiumlegierung CTE = 24 µm/m/°C, Umgebungstemperatur: 18 °C, Gehäusetemperatur: 37 °C, Länge des Smartphones: 150 mm)

Qualitätskontrolle und Dokumentation

Auf Anfrage messen wir Ihre Teile mittels Koordinatenmessgerät (KMG), Laserscanner oder anderer Messtechniken. Darüber hinaus gehen wir mit Ihnen den Produktionsteil-Annahmeprozess (PPAP) durch, stellen Ihnen gemäß Ihren Spezifikationen eine COC-Bescheinigung aus und liefern Erstmusterprüfberichte (FAIs) sowie technische Datenblätter zu den verwendeten Materialien.

Machbarkeit und Messgenauigkeit

„Obwohl Protolabs bei den Aluminiumteilen im Angebot eine Toleranz von ±0,1 angegeben hatte, lagen alle Abmessungen innerhalb von ±0,05 mm“ – Kundenkommentar.

Um die angegebenen Toleranzen einzuhalten, nutzt Protolabs Machbarkeitsstudien. Daher übertreffen wir die im Angebot angegebenen Toleranzen oft, da verschiedene Maschineneinstellungen und Materialtypen berücksichtigt werden. So ermitteln Sie die besten Toleranzen:

• Richten Sie alle zu bearbeitenden Abmessungen, die miteinander in Bezug stehen, nach Möglichkeit in einer Ebene aus (sodass sie mit derselben Einstellung bearbeitet werden können).
• Verwenden Sie Materialien mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (Coefficent of Thermal Expansion, CTE)
• Verwenden Sie Kunststoffe mit guten hygroskopischen Eigenschaften: Durch Wasserabsorption verändern sich die Größe und Form, was sich auf die CNC-Bearbeitung von glasgefüllten Kunststoffen auswirkt.

Form- und Lagetoleranzen

Die Form- und Lagetoleranzen (GD&T) bieten Entwicklern die Möglichkeit, die vorrangigen Fertigungskriterien anhand von Zeichnungseinträgen für Hersteller kenntlich zu machen. Sie können beispielsweise mithilfe der Form- und Lagetoleranzen eine spezielle Fertigungsfolge oder auch einen anderen Fertigungsprozess anfordern. Da dies auch die Passungen zwischen den verschiedenen Bauteilmerkmalen einschließt, sind auch mehr Qualitätskontrollen, Messungen und Prüfung erforderlich.

Grenzwerte und Passungen: Diese werden (gemäß ISO 286-2) pro Bohrung mit einem Buchstaben und einer Zahl – zusammen mit dem allgemeinen Bohrungsdurchmesser – angegeben. Für Bohrungen wird ein Großbuchstabe verwendet (z. B. H7) und für Wellen ein Kleinbuchstabe (z. B. g6). Je größer die Zahl, desto höher die Toleranz:

• 9 und höher wird in der Regel zum Fräsen und Bohren verwendet.
• 7 gilt allgemein beim Reiben von Bohrungen: Dabei ist für jede Bohrungsgröße eine eigene Reibahle erforderlich.
• 6 und niedriger erfordern eine noch genauere Bearbeitung.

Der Buchstabe gibt die Abweichung vom Sollwert an, wobei der Sollwert durch „H“ gekennzeichnet wird. K und höher liegen über dem Sollwert (Presspassung). G und niedriger liegen unter dem Sollwert (Spielpassung).

GD&T-System:

Das GD&T-System eignet sich gut, um zu kennzeichnen, wie jede der verschiedenen Toleranzklassen (Mitutoyo, ImechE oder NPL) verwendet und gemessen werden soll. Wie wirken sich Form- und Lagetoleranzen auf die Fertigung aus?

Soll-Position: Diese wird in der Regel mit einem Durchmessersymbol angegeben, um die in alle Richtungen angewendete Toleranz darzustellen. Es handelt sich dabei um einen Absolutwert, d. h. 0,030 bedeutet ±0,015. Bohrungen müssen fast immer aufgerieben werden, da ein unregelmäßiger Bohrungsdurchmesser die Form- und Lagetoleranz beeinträchtigt. Kalibrierte CNC-Ausrüstung und akribische Messgeräteeinstellungen sind erforderlich.

Ebenheit: Gefräste Oberflächen sind in der Regel relativ eben. Das Hinzufügen einer sehr engen Ebenheit ist normalerweise ein Kriterium für das Planschleifen. Das Hinzufügen von Parallelität bedeutet, dass zwei Flächen senkrecht zueinander sein müssen. Hier ist oft eine Oberflächenbearbeitung erforderlich (um die Messtoleranz zu erreichen). Tipp: Leicht erhöhte Stützen oder Markierungen auf der Zeichnung, die nur die Bereiche zeigen, in denen die Ebenheit kritisch ist, können die Herstellung und die Messung vereinfachen.

Zylindrizität, Konzentrizität und Unwucht: Bei Bohrungen und Wellen wird die Unwucht am häufigsten angegeben, da diese leichter zu messen ist: Dabei wird mit einer Messuhr (Dial Test Indicator, DTI) der Ausschlag des sich drehenden Werkstücks ermittelt. Da es sich um eine komplexe Messung handelt, sind möglicherweise weitere Messungen erforderlich, um festzustellen, ob sie zylindrisch (nicht eiförmig) oder konzentrisch (außerhalb des Drehpunkts) ist.

Rechteckigkeit (Rechtwinkligkeit): CNC-Fräsmaschinen werden kalibriert, um zu prüfen, ob die Werkzeuge rechtwinklig zum Bearbeitungsbett stehen, was eine gute Rechtwinkligkeit, insbesondere über kurze Strecken, gewährleistet. Je enger die Toleranzen für die Rechtwinkligkeit sind, desto aufwendiger und zeitraubender ist die Herstellung.

Zusammenfassung: Wichtig ist, die Toleranzen und das GD&T-System zu kennen und beides ordnungsgemäß anzuwenden. Das Einfügen der Toleranzen in Ihr CAD-Modell geht schnell. Prüfen Sie jedoch stets, ob die Einschränkungen tatsächlich erforderlich sind, da sie mitunter zu unnötigen Nachbearbeitungen und damit zu unnötigen Kosten führen. Nutzen Sie unsere schnelle Angebotserstellung und Fertigung anhand Ihrer CAD-Modelle. Denn ein physisches Teil bietet nach wie vor die beste Möglichkeit, um die Funktionalität und Passform eines Designs zu prüfen.

Wir unterstützen Sie bei Ihren Projekten. Rufen Sie uns einfach an oder senden Sie uns eine E-Mail. Wir beraten Sie gern. Sie erreichen unsere Anwendungstechniker jederzeit unter [email protected] oder telefonisch unter +49 (0) 89 90 5002 0. Sind Sie bereit für Ihr nächstes Projekt? Laden Sie einfach Ihre CAD-Datei über unsere Website hoch.