Fertigungsgerecht konstruieren: Innenradien, Aufspannungen und Toleranzen

Thema: CAD & Konstruktion

Ein CAD-Modell, das sich fehlerfrei exportieren lässt, ist noch kein fertigbares Bauteil. Die Software zeichnet scharfe Innenecken, 0,3 mm dünne Stege und Hundertstel-Toleranzen an jedem Maß ohne Widerspruch. Ob ein rotierender Fräser diese Geometrie erreicht und ob die Toleranz gebraucht wird, zeigt sich sonst erst beim Einrichten.

Was fertigungsgerecht konstruieren bedeutet

Fertigungsgerecht konstruieren bedeutet, das Fertigungsverfahren beim Entwurf mitzudenken: Welche Werkzeuge erreichen jede Fläche, wie oft wird umgespannt, und welche Maße tragen eine Funktion? Ziel ist eine Geometrie, die ihre Aufgabe erfüllt, ohne vermeidbare Sonderwerkzeuge, Umspannungen oder Prüfschritte zu verlangen.

Innenecken, Taschen und Wände am Werkzeug ausrichten

Ein Fräser ist rund, deshalb erhält jede Innenecke einer Tasche mindestens den Radius des zuletzt eingesetzten Werkzeugs; eine scharfe 90°-Innenecke entsteht so nicht. Protolabs Network empfiehlt als Innenradius mindestens ein Drittel der Taschentiefe und eine Taschentiefe bis zum Vierfachen der Breite. Wie Eckenradius, Werkzeugradius und Mittelpunktbahn zusammenhängen, erklärt der Beitrag zum Ausrundungsradius beim Fräsen.

Ein Eckenradius etwas größer als der Fräserradius ist günstiger als ein gleich großer, weil der Werkzeugmittelpunkt dann einen Bogen fährt, statt in der Ecke abrupt umzulenken. Muss ein rechteckiges Gegenstück hineinpassen, etwa bei Steckverbindungen im Modellbau, hilft ein Eckenfreischnitt in T-Bone- oder Dog-Bone-Form.

Dünne Wände schwingen beim Fräsen und geben beim Spannen nach. Der Leitfaden empfiehlt mindestens 0,8 mm für Metalle und 1,5 mm für Kunststoffe; 0,5 mm beziehungsweise 1,0 mm gelten nur im Einzelfall als machbar.

Bohrungen und Gewinde mit Normwerkzeugen planen

Bohrungen entstehen am schnellsten mit einem Bohrer aus dem vorhandenen Satz. Protolabs empfiehlt Durchmesser bis 10 mm in Schritten von 0,1 mm, darüber in Schritten von 0,5 mm; ein Maß wie 12,3 mm verlangt ein Sonderwerkzeug oder eine gefräste Bohrung. Gebohrte Sacklöcher haben einen kegeligen Grund, ein flacher Grund braucht einen weiteren Fräsgang.

Gewinde sollten Normmaße mit Regelsteigung haben und höchstens etwa dreimal so lang sein wie ihr Nenndurchmesser; im Sackloch bleibt ein gewindefreier Auslauf. Das Werkstattskript der Universität Zürich nennt ein Kernloch, das im Sackloch etwa 35 % tiefer ist als das Gewinde, und als Kernlochdurchmesser Nenndurchmesser minus Steigung, etwa 8,5 mm für M10 × 1,5. Die Bearbeitung an der Maschine beschreibt der Beitrag Gewindebohren auf der CNC.

Die Werte stammen aus der industriellen CNC-Fertigung. Für leichtere Werkstatt- und Modellbaumaschinen, an denen lange, dünne Werkzeuge früher an Grenzen stoßen, sind sie ein vorsichtiger Ausgangspunkt, keine Zusage.

Aufspannungen, Bezüge und Toleranzen

Jede Drehung des Werkstücks ist eine neue Aufspannung mit eigenem Antasten. Protolabs Network hält drei bis vier Aufspannungen oft für vertretbar; Merkmale, die genau zueinander liegen müssen, sollten in derselben Aufspannung entstehen. Am günstigsten ist eine 2,5D-Geometrie, die in einer Aufspannung fertig wird, notfalls aufgeteilt in Einzelteile, die anschließend gefügt werden. Eine ebene Spannfläche oder eine Spannzugabe am Rohteil erleichtert den Spannplan.

Toleranzen kosten Fertigungs- und Prüfaufwand. Typisch sind laut Protolabs Network ±0,1 mm, machbar ±0,02 mm; ohne Angabe gilt dort ISO 2768 mittel oder fein. Enge Toleranzen gehören nur an Funktionsmaße und auf einen gemeinsamen Bezug. Was ohne Einzelangabe gilt, erklärt der Beitrag zu Allgemeintoleranzen nach ISO 2768.

Eigenes Rechenbeispiel: Eckenradius und Werkzeugauskragung

Wir nehmen einen Motorhalter aus Aluminium mit einer Tasche von 40 mm × 30 mm und 18 mm Tiefe an. Mit Innenradien von 1,5 mm darf der letzte Fräser höchstens 3 mm Durchmesser haben und muss mit etwa 20 mm Auskragung die volle Tiefe erreichen: L/D = 20 / 3 ≈ 6,7. Die Taschentiefe beträgt das Sechsfache des Fräserdurchmessers, genau die Schwelle, ab der der Leitfaden von tiefen Taschen spricht.

Nach der Drittelregel ergibt sich ein Innenradius von 18 mm / 3 = 6 mm. Ein Fräser mit 10 mm Durchmesser fährt dann in der Ecke einen Bogen mit 6 − 5 = 1 mm Radius, und es gilt L/D = 20 / 10 = 2. Nach der Biegeformel des Kragbalkens, f = F · L³ / (3 · E · I) mit I = π · d⁴ / 64, vereinfacht als Vollzylinder, verhalten sich die Durchbiegungen bei gleicher Querkraft und Auskragung wie (10 / 3)⁴ ≈ 123. Der dünne Fräser biegt sich rund 120-mal so stark durch und verträgt nur deutlich kleinere Zustellungen.

Mitsubishi Materials nennt die Durchbiegung proportional zur dritten Potenz der Auskragung; Seco Tools gibt für 20 % weniger Auskragung etwa die halbe Durchbiegung an. Auch nach dem Vorräumen mit dem großen Fräser bleiben die vier Ecken auf voller Tiefe für das kleine Werkzeug, was die Bearbeitungsfolge mit Restmaterialgängen berücksichtigen muss. Reale Kräfte und Zustellungen hängen von Werkzeug und Werkstoff ab; maßgeblich sind die Herstellerangaben.

Typische Fehler und Grenzen der Richtwerte

Häufige Fehler sind Taschen mit scharfen CAD-Standardkanten, verschiedene Innenradien an einem Teil, die zusätzliche Werkzeugwechsel erzwingen, erhabene statt gravierter Schrift und eine pauschale Toleranz von ±0,01 mm im Schriftfeld. Außenrundungen verlangen einen eigenen Radiusfräser, wo oft eine Fase genügt hätte.

Die Richtwerte sind keine Normwerte und ersetzen nicht die Funktion: Eine Passung bleibt eng, wenn das Bauteil sie braucht, und ein dünner Steg kann im Modellbau zur Gewichtsersparnis gewollt sein. Dann wird der Mehraufwand bewusst eingeplant und mit der Werkstatt abgestimmt.

Prüfliste vor der Fertigungsfreigabe

• Verfahren geklärt; rotationssymmetrische Teile sind laut Protolabs auf der Drehmaschine meist wirtschaftlicher.
• Innenradien passend zu einem ausreichend steifen Fräser und möglichst einheitlich.
• Taschentiefe zu Breite und Werkzeugdurchmesser geprüft, Auskragung abgeschätzt.
• Wände über den Mindestwerten, schmale Merkmale an Wände angebunden.
• Bohrungen und Gewinde mit Normmaßen, Auslauf im Sackloch berücksichtigt.
• Merkmale aus wenigen Richtungen erreichbar, Spannfläche vorhanden.
• Toleranzen nur an Funktionsmaßen, alles Übrige über Allgemeintoleranzen.

Danach werden die Festlegungen in die Konstruktionszeichnung übertragen. Jede spätere Änderung erzeugt einen neuen Modell- und Zeichnungsstand.