Aluminium, ein Nichteisenmetall, ist das dritthäufigste Element (8.23 %) in der Erdkruste. Hans Orsted war der erste, der es 1827 isolierte. Obwohl es im Vergleich zu Eisenmetallen nicht so alt ist, ist es aufgrund seiner Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und vor allem seines geringen Gewichts in verschiedenen Industriezweigen eine beliebte Wahl.
In Umgebungen mit hohem Einsatz, wie Luft-und Raumfahrt und Automobilindustrie Bei der Herstellung ist Präzision von größter Bedeutung. Jedes Gramm und jede genaue Abmessung kann sich auf die Gesamtleistung und Effizienz auswirken. Daher muss Aluminium sorgfältigen CNC-Bearbeitungsprozessen unterzogen werden, um diese anspruchsvollen Standards zu erfüllen.
In dieser ausführlichen Anleitung werden der CNC-Bearbeitungsprozess von Aluminium, die für die Bearbeitung geeigneten Aluminiumlegierungen und die wichtigsten Anwendungen CNC-gefräster Aluminiumteile erläutert.
CNC-Bearbeitung von Aluminium: Prozesse und Ausrüstung
CNC-Bearbeitung Aluminium bezieht sich auf die Verwendung computergesteuerter Geräte (CNC-Maschinen) zum Schneiden und Formen von Aluminiumblechen mit äußerster Präzision. Übliche Maschinen, die zu diesem Zweck eingesetzt werden, sind:
CNC-Fräsmaschinen
CNC-Fräsen Maschinen verwenden ein rotierendes Schneidwerkzeug, um Material aus einem Werkstück zu schneiden, zu formen und zu entfernen. Das Werkzeug kann sich flexibel in mehreren Achsen (X, Y und Z) bewegen, um die gewünschte Form und Abmessungen zu erreichen. Zum Fräsen von Aluminium werden häufig 3- bis 5-achsige CNCs verwendet.
Solche Maschinen eignen sich ideal zum Erstellen detaillierter Oberflächen, Schlitze und komplexer Formen – wie sie in der Automobil- und Luftfahrtindustrie benötigt werden. Für Fräsvorgänge werden rotierende Schneidwerkzeuge (Schaftfräser, Planfräser und Kugelfräser) verwendet.
CNC-Drehzentren
In CNC-Drehen, ein stationäres Werkstück gleitet gegen ein rotierendes Werkstück und formt es in die gewünschte Form. Diese Formgebung ist hauptsächlich für symmetrische, zylindrische Aluminiumteile wie Stangen, Wellen und Befestigungselemente gedacht. Ein einschneidiges Schneidwerkzeug wird verwendet, um die Fläche zu trimmen und den Durchmesser zu reduzieren.
CNC Laserschneider
CNC-Laserschneider verwenden einen Hochleistungslichtstrahl (Laser), um die Metalloberfläche zu verdampfen und einen scharfen Schnitt zu erzeugen. Anders als bei mechanischen Werkzeugen ist die Punktgröße des Laserstrahls hauchdünn und führt zu hochpräzisen, scharfen Schnitten. Die Schnittdicke ist jedoch begrenzt.
Außer dem Schneiden können diese Werkzeuge auch Aluminium markieren und gravieren. Ideale Anwendungen sind Markierungsgeräte in der Elektronik und anderen Branchen.
Wasserschneider
Ein Wasserstrahlschneider verwendet einen Hochdruckwasserstrahl, der mit Schleifpartikeln vermischt ist, um Materialien zu schneiden. Er verursacht keine Wärmebelastung im Material und bewahrt so die mechanischen Eigenschaften von Aluminium.
Der Wasserstrahl wird zum Schneiden dickerer Aluminiumplatten verwendet und wird bevorzugt in Szenarien eingesetzt, in denen thermische Verformungen vermieden werden müssen.
Warum Aluminium für CNC-Teile wählen?
Aluminium ist das am häufigsten vorkommende Metall in der Erdkruste. Und es verfügt über alle gewünschten Eigenschaften, die die meisten unserer Produktanforderungen erfüllen:
Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
Aluminium ist für sein geringes Gewicht bekannt, weist aber eines der besten Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse unter den technischen Werkstoffen auf. Diese Eigenschaft ist in kritischen Anwendungen wie der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie von entscheidender Bedeutung, wo das Gewicht reduziert werden muss, ohne die Festigkeit zu beeinträchtigen.
Hervorragende Bearbeitbarkeit
Jedes Metall muss in irgendeiner Form maschinell geschnitten und geformt werden. In dieser Hinsicht verhält sich Aluminium gut. Es ist weich und relativ einfach zu bearbeiten, da es leicht abplatzt. Außerdem nimmt es weniger Zeit in Anspruch, was wiederum die Bearbeitungskosten senkt.
Korrosionsbeständigkeit
Im Gegensatz zu Eisenmetallen, die aufgrund der Bildung einer Oxidschicht rosten, sind viele Aluminiumsorten von Natur aus korrosionsbeständig. Allerdings variiert dieser Trend innerhalb der Serie. Die Serie 6061 ist für ihre Beständigkeit bekannt. Aluminiumlegierungen mit Kupfer sind dagegen weniger korrosionsbeständig.
Elektrische Leitfähigkeit
Auf der Leitfähigkeitstabelle der häufig verwendeten Industriemetalle liegt reines Aluminium knapp unter Kupfer. Laut IACS Kupfer Die Leitfähigkeit liegt im Bereich von 58 bis 62 Millionen S/m, während sie bei reinem Aluminium bei 35 bis 38 Millionen S/m liegt. Die Werte für Eisen, Kohlenstoffstahl und Edelstahl liegen bei 10, 7 bzw. 1.5. Aluminiumlegierungen sind jedoch weniger leitfähig.
Anodisierungspotential
Die Eloxierung von Aluminium ist ein einzigartiger Vorteil, insbesondere wenn Haltbarkeit und Ästhetik gefordert sind. Die Eloxierung verbessert nicht nur die Korrosionsbeständigkeit von Aluminium, sondern ermöglicht auch eine Farbgebung, die für Konsumprodukte von Vorteil sein kann.
Recyclingfähigkeit
Laut dem International Aluminum Institute sind 75 % des jemals produzierten Aluminiums noch heute im Einsatz. Darüber hinaus werden jährlich rund 30 Millionen Tonnen Aluminium recycelt, wodurch der Bedarf an Neualuminium reduziert wird. Diese hohe Recyclingquote unterstreicht die Rolle von Aluminium als nachhaltiges Material.
Gängige Aluminiumserien für die CNC-Bearbeitung
Gemäß dem internationalen Legierungsbezeichnungssystem werden alle metallischen Legierungselemente durch 4 Ziffern dargestellt, die das Kernmetall und die vorhandenen Legierungen definieren. Ein Buchstabe nach dem Seriennamen steht für den Oberflächenbehandlungsprozess.
Normalerweise gibt es Aluminium in 7 verschiedenen Serien, beginnend bei 1000 bis 7000. Es beginnt mit reinem Standardaluminium und geht dann in Richtung Legierungen über. Eine Qualität 8000 mit Seltenerdelementen ist ebenfalls erhältlich, aber weniger verbreitet.
1xxx Serie – Reines Aluminium
Diese Serie ist die reinste und besteht zu 99 % oder mehr aus Aluminium. Sie hat alle inhärenten Eigenschaften von Aluminium: ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit. Daher wird sie häufig für Chemietanks und Rohrleitungen verwendet.
Die Zugfestigkeit dieser Legierungen liegt zwischen 69 und 186 MPa. Legierungen der 1xxx-Reihe können geschweißt werden, sind jedoch nicht wärmebehandelbar.
2xxx-Serie – Al-Kupfer-Legierungen
Durch die Zugabe von Kupfer wird die Zerspanbarkeit verbessert und die Zugfestigkeit auf bis zu 420 MPa erhöht. Kupfer wird vorwiegend in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, wo seine hohe Festigkeit bei verschiedenen Temperaturen entscheidend ist. Allerdings sind für eine bessere Korrosionsbeständigkeit oft Beschichtungen erforderlich.
3xxx-Serie – Al-Mangan-Legierungen
Diese Serie erhöht die mechanische Festigkeit durch die Zugabe von Mangan. Sie haben eine mittlere Zugfestigkeit zwischen 110 und 290 MPa und sind auch wärmebehandelbar. Häufige Anwendungen sind Lebensmittelverpackungen, Kochgeschirr und Blechanwendungen.
4xxx-Serie – Al-Silizium-Legierung
Die Serie 4000 zeichnet sich durch die Einbeziehung von Silizium aus, das die Schmelzpunkte senkt und die Fließfähigkeit im geschmolzenen Zustand verbessert, wodurch sie sich besser für Gussanwendungen eignet. Ihre Hauptanwendungen sind Verkleidungen, Schweißfüller und architektonische Extrusionen.
5xxx-Serie – Al-Magnesium-Legierung
Magnesium, das primäre Legierungselement, verleiht dieser Serie hohe Festigkeit und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit. Die Legierungen sind sehr alkalibeständig und gut schweißbar, was sie perfekt für den Einsatz im Schiffsbau macht. Das Serienmitglied, Legierung 5083, zeichnet sich durch seine Beständigkeit gegen Seewasser und chemische Einflüsse aus.
6xxx-Serie – Al-Magnesium-Silizium-Legierung
Diese Serie ist für ihre Formbarkeit, Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit bekannt. Sie können jeder Wärmebehandlung unterzogen werden, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen. Legierung 6061 ist ein recht beliebter Name (und auch kostengünstig) und wird für E-Bikes, Boote und LKW-Rahmen verwendet.
7xxx-Serie – Al-Zink-Legierung
Diese Serie ist die stärkste in der Produktreihe. Sie ist hauptsächlich mit Zink legiert und wird in der Luft- und Raumfahrt sowie bei Sportartikeln aufgrund ihres außergewöhnlichen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses und ihrer Spannungsbeständigkeit bevorzugt. Die Legierungen können geschweißt werden, allerdings ist äußerste Vorsicht geboten.
Beliebte Aluminiumlegierungen für die CNC-Bearbeitung
| Aluminiumlegierungen | Zugfestigkeit (MPa) **(Ungefähre Werte) | Allgemeine Anwendungen |
| Aluminium 2007 | 270 bis 400 | Maschinenteile, Bolzen, Nieten, Muttern, Schrauben, Gewindestangen. |
| Aluminium 2024 | 250 - 400 | Strukturkomponenten für die Luft- und Raumfahrt. |
| Aluminium 5052 | 170 bis 305 | Meeresumgebungen, Auto-Kraftstofftanks, Straßenschilder. |
| Aluminium 5083 | 270 bis 345 | Kryogene Geräte, Schiffsanwendungen, Druckgeräte, chemische Anwendungen, Schweißkonstruktionen. |
| Aluminium 5754 | 190 bis 240 | Schweißkonstruktionen, Fußböden, Fischereiausrüstung, Fahrzeugkarosserien, Lebensmittelverarbeitung, Nieten. |
| Aluminium 6060 | 190 | Bauwesen, Lebensmittelverarbeitung, Medizintechnik, Automobilbau. |
| Aluminium 6061 | 180 – 270 | Hochbelastete Strukturen, Gerüste, Eisenbahnwaggons, Maschinenteile, allgemeine Anwendungen. |
| Aluminium 6063 | 180 | Architekturanwendungen, Fensterrahmen, Türrahmen, Dächer |
| Aluminium 6082 | 290 | Offshorebau, Container |
| Aluminium 7075 | 500 bis 572 | Fahrradrahmen, Kletterausrüstung, Waffen, Herstellung von Formenwerkzeugen, fortschrittliche technische Anwendungen |
** Dies sind nur Näherungswerte. Die genauen Werte hängen vom Behandlungsverfahren ab. Genaue Werte erhalten Sie beim Hersteller.
Wichtige Überlegungen bei der CNC-Bearbeitung von Aluminium
Bei der Verwendung von Aluminium müssen diese wenigen technischen Details beachtet werden:
Werkzeugmaterial
Aluminium ist weich, daher ist ein hartes Schneidwerkzeug wie Hartmetall erforderlich. Bei Hartmetallwerkzeugen ist auch die Kornstruktur von größter Bedeutung. Und die Anwesenheit von Kobalt trägt dazu bei, diese feine Struktur zu erreichen. Wenn Kobalt jedoch mit Aluminium reagiert, bildet sich am Werkzeug Gummi. Daher ist ein optimales Verhältnis von 2 bis 20 % im Hartmetallwerkzeug vorzuziehen.
Darüber hinaus kommt es auch auf die Beschichtung an. Fräser mit Diamant, Titandiborid (TiB2) und Zirkoniumnitrid (ZrN).
Werkzeugdesign und -ausrichtung
Die Schaftfräser haben Nuten – ihre Anzahl entscheidet über die Leichtigkeit des Bearbeitungsvorgangs. Die Empfehlung lautet 2–3 Nuten; zwei Nuten bieten optimale Spanfreiheit, während drei Nuten Spanfreiheit und Werkzeugstärke ausgleichen.
Auch der Spiralwinkel und der Freiwinkel sind entscheidend: Zum Schruppen ist ein Spiralwinkel von 35° oder 40° effektiv, zum Schlichten ist ein Winkel von 45° besser. Der Freiwinkel sollte zwischen 6° und 10° liegen.
Vorschub und Geschwindigkeit
Die Schnittgeschwindigkeit bezieht sich auf die Drehzahl des Schneidwerkzeugs. Sie muss je nach Art der Aluminiumlegierung gewählt werden. Im Allgemeinen wird eine höhere Schnittgeschwindigkeit empfohlen, um Aufbauschneiden zu vermeiden und die Wärmeentwicklung zu verringern.
Die Vorschubgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der das Werkzeug vorgeschoben wird. Diese Geschwindigkeiten variieren je nach gewünschter Oberflächengüte. Bei Schruppschnitten kann ein Vorschub von 0.15 bis 2.00 mm/U erforderlich sein, während bei Schlichtschnitten ein Vorschub von 0.05 bis 0.20 mm/U erforderlich sein kann.
Schneidflüssigkeit
Das Trockenschneiden von Aluminium ist aufgrund der Bildung von Aufbaukanten verheerend. Verwenden Sie unverdünnte Mineralöle und vermeiden Sie Flüssigkeiten, die aktiven Schwefel oder Chlor enthalten, da diese Aluminium verfärben können.
Aluminiumteile: Veredelungstechniken
Eine Metalloberfläche neigt dazu, zu rosten oder zu korrodieren, wenn sie unbehandelt bleibt. Ebenso wird Aluminium einigen Veredelungstechniken unterzogen, die nicht nur Schutzzwecken dienen, sondern auch ein ästhetisches Element hinzufügen.
SandstrahlIng.
Beim Sandstrahlen werden feine Sandpartikel mit hoher Geschwindigkeit und Druckluft auf die Aluminiumoberfläche gestrahlt. Dieser Vorgang reinigt die Oberfläche, indem er alle Verunreinigungen oder Rückstände entfernt und eine gleichmäßige, matte Textur erzeugt. Er ist nützlich, um das Metall für die weitere Endbearbeitung vorzubereiten oder ein bestimmtes Oberflächenbild zu erzielen.
Eloxieren
Eloxieren ist ein elektrochemischer Prozess, der die natürliche Oxidschicht auf der Oberfläche von Aluminiumteilen verdickt. Die zusätzliche Schicht verbessert die Korrosionsbeständigkeit, erhöht die Oberflächenhärte und ermöglicht das Färben des Aluminiums.
Pulverbeschichtung
Bei der Pulverbeschichtung wird ein trockenes Pulver auf das Aluminium aufgetragen. Anschließend wird es unter Hitze ausgehärtet und bildet eine dünne Schicht. Diese Beschichtung ist robust, schützt und ist in vielen Farben erhältlich. Die Oberflächenbeschaffenheit ist hochwertig und besser als bei Standardlackierung.
Herausforderungen bei der Aluminiumbearbeitung
Obwohl Aluminium weich und leicht ist, bringt seine Bearbeitung einige besondere Herausforderungen mit sich:
Zahnfleischbildung
Aluminium hat einen niedrigen Schmelzpunkt (660 °C) – die beim Schneiden oder Schleifen entstehende Reibungswärme kann dazu führen, dass das Metall weich wird und am Schneidwerkzeug haftet, was zu einem „Verklebungseffekt“ führt. Um dies zu mildern, ist es ratsam, Hartmetallfräser zu verwenden und diese kontinuierlich durch einen Ethanolnebel zu schmieren.
Höhere Kosten Höhere Risiken
Aluminium ist teurer als viele andere gängige Metalle, daher sind die Kosten für den Austausch/die Reparatur beschädigter Teile erheblich höher.
Kontaminationsrisiko
Bei Kontakt mit der Atmosphäre bildet Aluminium eine Oxidschicht, die schädlich sein kann, wenn sie nicht vor dem Schweißen oder Bearbeiten entfernt wird. Diese Oxidschicht kann zu Unvollkommenheiten und Porosität im Endprodukt führen.
Kostenvoranschläge für die CNC-Bearbeitung von Aluminium
Die Kosten sind ein kritischer Faktor bei der Bearbeitung, insbesondere bei der Produktion in großem Maßstab. Hier sind die Hauptkosten, die im Lebenszyklus eines Aluminiumprodukts anfallen:
- Rohstoffkosten: Der Preis von Aluminium variiert je nach Dicke, Güteklasse und Größe des Materials. Als grobe Schätzung können Sie die gängige Aluminiumlegierung 6061 heranziehen. Sie kostet zwischen 12 und 15 US-Dollar pro Pfund.
- Bearbeitungskosten: Die Betriebskosten für Maschinen variieren je nach Leistungsfähigkeit. Für eine 3-Achsen-CNC-Maschine beträgt der Preis zwischen 25 und 30 USD pro Stunde. Für fortgeschrittenere 5-Achsen-CNC-Maschinen liegen die Kosten zwischen 40 und 50 USD pro Stunde.
- Werkzeugkosten: Das Hartmetallwerkzeug, das zur Aluminiumbearbeitung verwendet wird, kostet etwa 2 bis 5 US-Dollar pro Stück.
Anwendungen von CNC-Maschinen-Aluminiumteilen
Aluminium ist aufgrund seiner günstigen Eigenschaften und der einfachen Bearbeitbarkeit eines der am häufigsten verwendeten Metalle in der Industrie. Tabelle 1 listet Aluminiumanwendungen in wichtigen Alltagsbereichen auf.
| Einsatzbereiche | Spezifische Anwendungen | Aluminiumsorten |
| Automobilindustrie | Motorkomponenten (Kolben, Zylinder) | 4032, 2618 |
| Getriebe und Struktur | 6061, 7075 | |
| Luft- und Raumfahrt | Flugzeugstrukturrahmen | 2024, 7075 |
| Getriebekomponenten | 7075, 2024 | |
| Befestigungselemente und Beschläge | 7075, 6061 | |
| Elektronik | Kühlkörper für das Wärmemanagement | 6063, 1100 |
| Gehäuse für elektronische Geräte | 5052, 6061 | |
| Komponenten für Steckverbinder und Schalter | 6061, 2024 | |
| Lebensmittel und Verpackung | Maschinenkomponenten für die Lebensmittelverarbeitung | 6061, 5052 |
| Teile für Verpackungsmaschinen | 6061, 5052 | |
| Formen für Lebensmittelverpackungen | 3003, 6061 |
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