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Wie Kehlen und Fasen die Kosten der CNC-Bearbeitung beeinflussen

Kehlen und Fasen werden in der Regel bei massiven Modellen verwendet, um ihnen ein angenehmes Aussehen zu geben sowie scharfe Ecken und Kanten zu entfernen. Viele Ingenieure verwenden diese Eigenschaften der Einfachheit halber bei ihren CAD-Modellen, um die Eigenschaften des Designs zu verbessern und seine Qualität zu erhöhen. Aber welchen Einfluss haben Kehlnähte und Fasen auf die Kosten im Rahmen der CNC-Bearbeitung?

Diese Kehlen und Fasen sind ästhetisch gefällig und geben dem Design einen Mehrwert. Sie verlängern aber auch die Fertigungszeit und erhöhen die Kosten des CNC-Bearbeitungsprojekts merklich.

Die hauptsächlichen Fragen, die man sich also stellen sollte, bevor man einem Entwurf eine Kehle oder Fase hinzufügt sind:

  • Worin besteht die hauptsächliche Funktion der Kehle oder Fase?
  • Ist die Kehle oder Fase für die Funktion des Teils wirklich relevant?
  • Wie kosteneffizient ist das Hinzufügen dieser Eigenschaft in Bezug auf die herzustellende Menge?
  • Wie können die Toleranzen geprüft werden?

Für ein besseres Verständnis darüber, weshalb diese Abwägungen über Design und Kosten so wichtig sind, sollten wir ein paar Beispiele durchgehen.

Warum Kehlen und Fasen die Bearbeitungskosten erhöhen

Das Einrichten der Werkzeuge ist zeitaufwändig und teuer

Schauen wir uns zu Anfang an, wie Kehle und Fase im Rahmen des CNC-Bearbeitungsprozesses gefertigt werden. Fasen werden normalerweise mit einem Werkzeug erzeugt, das im richtigen Winkel geschliffen ist, wie zum Beispiel einem Senker, einem Fasenwerkzeug oder einem Anbohrer.

Das Fasenwerkzeug wird dabei bei außen liegenden Fasen verwendet, während Anbohrer und Senker für innenliegende Fasen genutzt wird.

Countersinks for CNC machines
Durch ihren geraden Winkel können Fasen einfach bei einem einzelnen Maschinendurchgang mit einem Werkzeug wie diesen Senkern geschnitten werden

Kehlen werden mit einer Schaftfräse erzeugt, das Profil des Teils ausarbeitet. Liegt die Kehle entlang einer Kante des Bauteils, so wird sehr wahrscheinlich eine Radiusfräse verwendet werden.

Wie dem auch sei, diese Werkzeuge einzurichten, kann sehr zeitaufwändig und teuer sein. Die Fräse muss den Radius so in die Ober- und Seitenflächen einarbeiten, dass keine Fehler oder Stufen verbleiben.

Um das zu ermöglichen, werden die Kehlen entlang der Teilkanten (wie die grüne Kehle in Abbildung 1) typischerweise mit einer Radiusfräse gefertigt. Um eine Kehle von hoher Qualität zu erzeugen wird die Fräse so programmiert, dass sie der Teilkante sehr nah folgt und sehr kleine Zustellungen macht.

Dies macht den Prozess jedoch sehr teuer. Das Hinzufügen von weiteren Kehlen und Fasen, die eine hohe Präzision erfordern, erhöht die Bearbeitungszeit signifikant. Im Bereich der Fertigung ist Zeit jedoch Geld. Deshalb sollte man, bevor man eine weitere Kehle oder Fase hinzufügt, immer abwägen, ob sie für die Funktion des Teils notwendig sind, und die zusätzlichen Kosten wert sind.

3D model representing a part with fillets and chamfers
Abbildung 1
Ball nose mills for CNC machines
Radiusfräsen werden dazu verwendet schrittweise die Oberfläche von Hohlkehlen an Ecken und Formschrägen zu entfernen, was signifikant die Bearbeitungszeit erhöht

Kehlen und Fasen sind nur schlecht für kleine Stückzahlen geeignet

Der Produktionsumfang ist ein weiterer Faktor, der die Kosten in die Höhe treibt. Die Bearbeitungskosten sind umgekehrt proportional zur Zahl der produzierten Teile, weshalb geringe Stückzahlen höhere Produktionskosten bedeuten und umgekehrt.

Darüber hinaus erhöhen Kehlen und Fasen zusätzlich zur geringen Stückzahl die Gesamtkosten noch weiter (vgl. Tabelle mit Kostengegenüberstellung weiter unten). Eine große Charge verwendet vielleicht Guss- oder Schmiedeprozesse. In diesem Fall wäre die Kehle nicht nur kosteneffizient, sondern sogar zwingend notwendig.

Wie die Fertigungskosten durch Kehlen und Fasen verringert werden

Bei der Bewertung dieser Faktoren und der Entscheidung, ob eine Kehle oder Fase hinzugefügt werden sollte, ist der nächste Schritt abzuwägen, wie das Teil bei niedrigen Kosten gefertigt werden kann.

Fasen mit den richtigen Toleranzen entwerfen

In Abbildung 2 (unten) wird das blaue Loch auf der Oberseite des Teils, ein M18 X 2, mit einer 0,635 mm großen Fase abgeschlossen. Diese Fase ist nötig, damit die Halterung einfacher in das Loch geführt werden kann.

3D model representing a part with fillets and chamfers
Abbildung 2

Beim Entwurf einer solchen Fase, sollten Toleranzen nicht ignoriert werden. Je enger die Toleranzen gefasst sind, umso teurer wird das Bauteil.

Im gezeigten Beispiel in Abbildung 2, ist der Durchmesser der Fase auf bis zu drei Dezimalstellen angegeben. Das bedeutet, dass der Durchmesser der Fase nur um ± 0,127 mm von der nominalen Größe abweichen darf. 

Eine enger gefasste Toleranz würde demnach die Kosten erhöhen, da häufiger geprüft werden müsste, und dafür eine entsprechende Fasenlehre mit einer auf drei Dezimalstellen genauen Genauigkeit notwendig wäre. Naturgemäß werden die Teile mit wachsender Sorgsamkeit und genaueren Messungen immer teurer.

Würde hingegen die Fase auf eine Genauigkeit von zwei Dezimalstellen geändert, würde sich die erlaubte Abweichung auf ± 0,254 mm verdoppeln. Dies würde es erlauben, weniger häufig zu prüfen, und einen Messschieber statt der Fasenlehre zu verwenden. Sollte diese geringfügige  Anpassung im Hinblick auf das Design akzeptabel sein, könnten die Kosten somit reduziert werden.

Fasen möglichst entfernen

Fasen gänzlich aus der Bohrungsbeschreibung zu entfernen, kann ebenfalls als ein Weg angesehen werden, die Dinge weniger teuer und deutlich simpler zu gestalten. (vgl. Tabelle weiter unten)

Zum Beispiel, wie in Abbildung 3 zu sehen, liegt die Hauptfunktion der Fase an den seitlichen grauen Löchern darin, dass ein Bolzen beim Zusammenbau einfacher in das Loch eingeführt werden kann. Wenn die exakte Größe kein kritischer Faktor ist, kann man auch die Detaileigenschaft der Fase vom Modell entfernen und eine Notiz zur Zeichnung hinzufügen, die besagt, dass “alle scharfen Kanten entfernt werden sollen”.

Alternativ kann die Bohrung auch so beschrieben werden, dass das Detail mit einer minimalen und maximalen Größe und einer großzügigen Toleranz, wie in Abbildung 3 zu sehen, versehen wird.

3D model representing a part with fillets and chamfers
Abbildung 3

Wenn möglich Fasen statt Kehlen verwenden

Falls der Entwurf es erlaubt, so sollten Kehlen gegen Fasen ausgetauscht werden, um das Teil günstiger zu machen. So sind zum Beispiel Fasen entlang der Teilkanten, wie die rote Fase, sowohl einfacher als auch kostengünstiger als Kehlen. 

Es braucht deutlich mehr Zeit, um eine Radiusfräse für eine Kehle einzurichten als ein Fasenwerkzeug, da der Werkzeugeinrichter bei der Kehle viel mehr darauf achten muss, wie die Oberflächen in die Kehle übergehen. Damit dies erreicht werden kann, immer auch in Anbetracht der erforderlichen Genauigkeit und Präzision, muss der Radiuskopf dann noch mehrfach über die Kehlregion geführt werden.

Da das Fasenwerkzeug weniger Zeit benötigt, um eingerichtet und betrieben zu werden, spart es Kosten um Vergleich zu einer Kehle.

Falls die Kehle tatsächlich notwendig ist, und eine Fase keine Option darstellt, sollte man versuchen eine Standardgröße zu verwenden, wenn eine Schaftfräse verwendet werden kann. Der Standard für Schaftfräsen beginnt bei 1,6 mm und steigt in 0,8 mm-Schritten an. Eine Kehle mit diesem Werkzeug auszuarbeiten ist immer schneller als die Verwendung einer Radiusfräse.

Die folgende Tabelle erklärt die Kostenunterschiede entsprechend der jeweiligen Detaileigenschaften im Vergleich der Kosten der CNC-Bearbeitung für 1, 10 und 100 Teile.

3D modelKosten für 1 TeilKosten für 10 TeileKosten für 100 Teile

Mit Kehlen und Fasen
€449.81€146.93€58.96

Nur mit Kehlen
€436.60 (-3%)*€143.84 (-2%)*€57.92 (-2%)*

Nur mit Fasen
€436.15 (-3%)*€143.72 (-2%)*€56.98 (-3%)*

Ohne weiter Eigenschaften
€400.13 (-11%)*€133.99 (-9%)*€54.86 (-7%)*

* im Vergleich zum Preis mit Kehlen und Fasen

Nutzung von Online-Ressourcen für eine bessere Bearbeitbarkeit

Das Verständnis und die Abwägung darüber, wie Designentscheidungen, wie zum Beispiel das Hinzufügen von Kehlen und Fasen, die Bearbeitungszeit und die Kosten beeinflussen, braucht einige Übung und Erfahrung.

Allerdings ist es mit der Vielzahl an Designtipps für die CNC-Bearbeitung, die online verfügbar sind, möglich früh zu beginnen, und die eigenen Entwürfe und Fähigkeiten zu verbessern.

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