Die Auswahl des optimalen Materials für die CNC-Bearbeitung
Falls Sie die riesige Auswahl an unterschiedlichen Werkstoffen für die CNC-Bearbeitung verwirrend finden, erfahren Sie in diesem Blog, wie sich diese Anzahl auf ein überschaubares Maß reduzieren lässt.
Die Auswahl des richtigen Materials für die CNC-Bearbeitung kann den entscheidenden Unterschied ausmachen, um ein funktionsfähiges Teil oder einen Prototyp zu einem vertretbaren Preis herstellen zu lassen.
Erstellen Sie eine Auswahlliste
Wenn Sie sich durch eine Vielzahl von Datenblättern kämpfen müssen, sollten Sie
zunächst die Anforderungen des herzustellenden Teils gewichten. Denken Sie als Erstes darüber nach, welche Eigenschaften unverzichtbar sind, und überlegen Sie sich dann, welche wünschenswert wären. So können Sie die Datenblätter rasch durchgehen und die Auswahlmöglichkeiten auf ein überschaubares Maß reduzieren.
Materialeigenschaften
Zunächst geht es darum zu verstehen, welche die gängigsten Materialeigenschaften sind.
Stärke. Es gibt verschiedene Arten von Stärke.
Eine der gängigsten ist die Zugfestigkeit. Die Bruchfestigkeit UTS (Ultimate Tensile Strength) gibt an, bei welcher Zugbelastung ein Gegenstand bricht. Gemessen wird die Bruchfestigkeit in Megapascal (MPa) oder in Newton pro Quadratmeter. Ein Material mit geringer Zugfestigkeit hat typischerweise einen MPa-Wert von weniger als 100, während ein hochfestes Material einen Wert von mehr als 400 aufweist.
Die Schlagzähigkeit oder -festigkeit ist möglicherweise ein weiterer wichtiger Aspekt und möglicherweise soll das Bauteil auch hart und verschleißbeständig sein. Eine wichtige Rolle kann auch die Reibung spielen. Hier reicht das Spektrum von Materialien mit hoher Reibung bis hin zu solchen, die reibungsarm und selbstschmierend sind.
Verschleißfestigkeit kontra Zerspanbarkeit
Im ersten Moment ziehen Sie möglicherweise ein Material in Erwägung, das Verschleiß und/oder Abrieb widersteht. Dabei sollten Sie jedoch nicht außer Acht lassen, dass verschleißfeste Materialien auch schwer zu bearbeiten sind. Die Herstellung des benötigten Teils wird mehr Zeit in Anspruch nehmen und mehr Werkzeuge erfordern. Mit anderen Worten: Es wird Sie mehr kosten. Das ist es, was wir mit dem Begriff „Zerspanbarkeit“ meinen.
Verhältnis von Stärke zum Gewicht
Die Stärke ist wichtig, doch im der modernen Fertigung braucht man häufig Materialien, die ein gutes Verhältnis von Stärke zum Gewicht aufweisen. Daher sollten Sie auch die Materialdichte oder das Materialgewicht berücksichtigen. Dabei handelt es sich ganz einfach um das Verhältnis des Gewichts zum Rauminhalt. Angegeben wird dieser Wert häufig in Kilogramm je Kubikmeter.
Elastizität
Damit bezeichnet man die Fähigkeit eines Materials, nach dem Strecken oder Stauchen wieder seine ursprüngliche Form anzunehmen. Materialbeschreibungen enthalten gängige Begriffe in Bezug auf die Elastizität. So wird eine geringe Elastizität als plastisch, eine mittlere Elastizität als verformbar oder zäh und eine hohe Elastizität als steif oder spröde bezeichnet.
Dehnung
Die Dehnung bezieht sich auf die veränderte Länge eines Teils im Vergleich zu seiner ursprünglichen Größe. Mit anderen Worten: auf seine Streckbarkeit. Häufig begegnet man einem Wert, der Aufschluss über die sogenannte Bruch- oder Reißdehnung gibt. Er gibt an, welche Länge ein Gegenstand im Verhältnis zu seiner ursprünglichen Länge hat, wenn er bricht bzw. reißt.
Temperatur
Die Betriebstemperatur ist die Temperatur, bei der ein Gerät arbeitet. Bei Kunststoffen lässt sich diese Angabe weiter unterteilen: in eine Kurzzeit-Betriebstemperatur (Kurzzeitverträglichkeit in Minuten oder bisweilen auch in Stunden) und eine Langzeit-Betriebstemperatur.
Möglicherweise müssen Sie auch die Schmelztemperatur des von Ihnen gewählten Materials berücksichtigen.
Wärmeleitfähigkeit
Dieser Wert bezieht sich auf die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu leiten oder zu übertragen. Bei manchen Anwendungen ist Wärmeleitfähigkeit durchaus erwünscht, während sie bei anderen zu verhindern ist (zum Beispiel durch eine Isolierung).
Elektrische Leitfähigkeit
Die Fähigkeit eines Materials, elektrischen Strom zu leiten. Ein guter Leiter ist zum Beispiel Kupfer. Hingegen sind die meisten Kunststoffe schlechte Leiter bzw. ausgezeichnete Isolatoren.
Einige der meist gewählten Materialien
Angesichts der Vielzahl unterschiedlicher Metalle und Kunststoffe wird Ihnen auffallen, dass manche beliebter sind als andere. Hier eine Auswahl der gängigsten Optionen.
Titan
Titan ist die erste Wahl in der Luft- und Raumfahrttechnik, denn es ist fest, verschleißbeständig und leicht. Das Problem besteht darin, dass es schwer zu bearbeiten ist und die daraus hergestellten Teile deutlich mehr kosten als jene aus Aluminium oder Edelstahl. Folglich sollten Sie ein weniger kostspieliges Metall in Erwägung ziehen, wenn es nicht unbedingt Titan sein muss.
Aluminium
Aluminiumlegierungen lassen sich leicht bearbeiten, weisen ein gutes Verhältnis von Stärke zum Gewicht auf und sind korrosionsbeständig (vor allem in eloxiertem Zustand). Sie werden häufig bei der Herstellung von Flugzeugteilen verwendet, aber auch im Maschinenbau sowie bei der Produktion von Computerbauteilen, Kochgeschirr und vielen anderen Anwendungen. Es lohnt sich einen Blick auf die spezifischen Eigenschaften verschiedener Legierungen dieses Metalls zu werfen: Die 6000er Serie ist gewissermaßen das Arbeitstier, während die Serien 7000 fester und 2000 absichtlich weicher beschaffen sind, um die Ermüdungsbeständigkeit zu erhöhen.
Edelstahl
Edelstahl gibt es in zahlreichen unterschiedlichen Graden und Qualitäten, die es zu berücksichtigen gilt. Sie alle sind für ihre Korrosionsbeständigkeit und ihre ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften bekannt.
Legierung 17-4PH. PH steht für Precipitation Hardenable (ausscheidungshärtend). Davon abgesehen, dass es sich um eine Edelstahllegierung handelt, ist diese Legierung auch sehr strapazierfähig und daher gut für raue Umgebungen geeignet, in denen das Teil möglicherweise Verschleiß und Korrosion ausgesetzt ist. Verwendet wird sie im Formenbau, in der Luft- und Raumfahrt, in der Raketentechnik, in der Chemie und Nahrungsmittelindustrie sowie auf Öl- und Gasplattformen. Diese Legierungen sind hart und ihre Bearbeitung entsprechend kostspielig.
Zwei gängige Edelstahlsorten sind 304 (auch als A2 bekannt) und 316 (A4 oder Marinequalität). 304 ist fester und kostengünstiger, während 316 korrosionsbeständiger ist.
Die verschiedenen Edelstähle weisen eine sehr unterschiedliche Zerspanbarkeit auf, doch die Bearbeitung dauert bei allen länger als bei Aluminium.
Sonstige Metalle
Weitere überlegenswerte Metalle sind Weich- und Baustahllegierungen sowie Kupfer und Messing. Sie alle eignen sich für die CNC-Bearbeitung, auch wenn manche härter und somit kostspieliger zu bearbeiten sind als andere.
ABS-Kunststoff
ABS-Kunststoff eignet sich sowohl zum Spritzgießen als auch für die maschinelle Bearbeitung und bietet ausgezeichnete Zähigkeit und Schlagfestigkeit.
Acetal (oder Delrin®)
Ein technischer Kunststoff mit hoher mechanischer Stärke, Formstabilität und vergleichsweise niedrigen Kosten. Dank dieser Kombination ist er der meistgenutzte Werkstoff etwa bei Zahnrädern und Sportartikeln.
Nylon
Ein weiteres hervorragendes Material ist Nylon, das Stärke mit Biegsamkeit kombiniert. Es kommt in zahlreichen technischen Bereichen zum Einsatz, zum Beispiel in der Automobilindustrie sowie im Maschinenbau.
Polyetherketon (PEEK)
Dieses Material wird häufig als Ersatz für Metall verwendet. Es ist der Alleskönner-Kunststoff, aus dem High-End-Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, die Formel 1 und die Medizintechnik gemacht werden. Er bietet hohe Abrieb- und Verschleißfestigkeit, eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme und einen niedrigen Reibungskoeffizienten.
Polycarbonat
Hierbei handelt es sich um einen der meistverwendeten Werkstoffe im modernen Fertigungswesen. Er weist eine ausgezeichnete Schlagfestigkeit und eine gute Temperaturbeständigkeit auf und ist eine echte Alternative zu Glas. Polycarbonat und Acryl sind von Natur aus transparent, doch die Bearbeitung hinterlässt ein mattes Finish. Die Klarheit des Materials kann durch Polieren wiederhergestellt werden.
Die Auswahl des richtigen Materials
Zugegeben: Die Wahl des Materials kann sich als aufwändig erweisen, doch mit ein wenig Recherche können Sie die Anzahl der Materialien erhöhen, mit denen Sie vertraut sind. Wenn Ihre persönliche Liste länger wird, können Sie Geld sparen oder stoßen vielleicht auf ein Material, das den Anforderungen des Teils, das Sie herstellen möchten, besser entspricht. Einen Großteil dieser Recherche hat Protolabs bereits für Sie erledigt. Das Ergebnis: 30+ der beliebtesten Materialien handverlesen für Sie zusammengestellt.
Die Auswahl eines Metall- oder Kunststoffmaterials für die CNC-Bearbeitung kann herausfordernd sein. Behalten Sie die vorgesehene Funktion im Blick und lassen Sie auch etwaige Nachbearbeitungsoptionen nicht außer Acht.
Wenn Sie Fragen zu unseren Dienstleistungen bei Protolabs haben, wenden Sie sich bitte an einen Anwendungsingenieur unter [email protected] oder +49 (0)89 905002-22. Haben Sie ein fertiges Design für den 3D-Druck? Laden Sie es jetzt hoch, um ein Angebot zu erhalten.