Aluminium für CNC-Bearbeitungsmaterialien
Aluminium gehört heute zu den am häufigsten bearbeiteten Werkstoffen. Tatsächlich stehen CNC-Bearbeitungsprozesse für Aluminium nach Stahl an zweiter Stelle hinsichtlich der Häufigkeit ihrer Anwendung. Dies ist hauptsächlich auf seine hervorragende Bearbeitbarkeit zurückzuführen.
In seiner reinsten Form ist das chemische Element Aluminium weich, duktil, nicht magnetisch und silberweiß. Es wird jedoch nicht nur in reiner Form verwendet. Aluminium wird üblicherweise mit verschiedenen Elementen wie Mangan, Kupfer und Magnesium legiert, um Hunderte von Aluminiumlegierungen mit deutlich verbesserten Eigenschaften herzustellen.
Dieser Artikel untersucht die Prozesse, Werkzeuge, Parameter und Herausforderungen der CNC-Bearbeitung von Aluminium und seinen Legierungen. Er behandelt außerdem die Eigenschaften von Aluminium, die gängigsten Legierungen für die CNC-Bearbeitung sowie die Anwendung von Aluminium in verschiedenen Branchen.
Bearbeitbarkeit
Aluminium lässt sich leicht formen, bearbeiten und mit verschiedenen Verfahren zerspanen. Aufgrund seiner Weichheit und der damit verbundenen leichten Splitterbildung kann es schnell und einfach mit Werkzeugmaschinen geschnitten werden. Es ist zudem kostengünstiger und benötigt weniger Energie zur Bearbeitung als Stahl. Diese Eigenschaften sind sowohl für den Zerspanungsmechaniker als auch für den Kunden, der das Bauteil bestellt, von großem Vorteil. Darüber hinaus führt die gute Zerspanbarkeit von Aluminium zu geringerer Verformung während der Bearbeitung. Dies ermöglicht eine höhere Genauigkeit, da CNC-Maschinen engere Toleranzen erreichen können.
Verhältnis von Kraft zu Gewicht
Aluminium hat etwa ein Drittel der Dichte von Stahl. Dadurch ist es relativ leicht. Trotz seines geringen Gewichts weist Aluminium eine sehr hohe Festigkeit auf. Diese Kombination aus Festigkeit und geringem Gewicht wird als Festigkeits-Gewichts-Verhältnis bezeichnet. Das hohe Festigkeits-Gewichts-Verhältnis von Aluminium macht es besonders geeignet für Bauteile, die in verschiedenen Branchen wie der Automobil- und Luftfahrtindustrie benötigt werden.
Korrosionsbeständigkeit
Aluminium ist unter üblichen maritimen und atmosphärischen Bedingungen kratzfest und korrosionsbeständig. Diese Eigenschaften lassen sich durch Anodisieren verbessern. Es ist wichtig zu beachten, dass die Korrosionsbeständigkeit je nach Aluminiumsorte variiert. Die am häufigsten CNC-bearbeiteten Sorten weisen jedoch die höchste Beständigkeit auf.
Leistung bei niedrigen Temperaturen
Die meisten Werkstoffe verlieren bei Minustemperaturen einige ihrer wünschenswerten Eigenschaften. So werden beispielsweise Kohlenstoffstähle und Gummi bei niedrigen Temperaturen spröde. Aluminium hingegen behält seine Weichheit, Duktilität und Festigkeit auch bei sehr niedrigen Temperaturen.
Elektrische Leitfähigkeit
Die elektrische Leitfähigkeit von Reinaluminium beträgt bei Raumtemperatur etwa 37.7 Millionen Siemens pro Meter. Aluminiumlegierungen weisen zwar eine geringere Leitfähigkeit als Reinaluminium auf, sind aber dennoch ausreichend leitfähig, um in elektrischen Bauteilen Verwendung zu finden. Aluminium ist hingegen ungeeignet, wenn die elektrische Leitfähigkeit eines bearbeiteten Teils nicht erwünscht ist.
Recyclingfähigkeit
Da es sich bei der CNC-Bearbeitung um ein subtraktives Fertigungsverfahren handelt, entstehen große Mengen an Spänen, die als Abfallmaterial gelten. Aluminium ist gut recycelbar, was bedeutet, dass sein Recycling vergleichsweise wenig Energie, Aufwand und Kosten erfordert. Dies macht es für diejenigen attraktiv, die Ausgaben decken oder Materialverschwendung reduzieren möchten. Zudem ist Aluminium dadurch ein umweltfreundlicheres Material für die Bearbeitung.
Eloxalpotential
Die Anodisierung, ein Oberflächenveredelungsverfahren zur Erhöhung der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit eines Materials, lässt sich bei Aluminium leicht durchführen. Dieses Verfahren erleichtert auch das Einfärben von bearbeiteten Aluminiumteilen.
Beliebte Aluminiumlegierungen für die CNC-Bearbeitung
Aus unserer Erfahrung bei Xometry wissen wir, dass die folgenden 5 Aluminiumsorten am häufigsten für die CNC-Bearbeitung verwendet werden.
EN AW-2007 / 3.1645 / AlCuMgPb
Alternative Bezeichnungen: 3.1645; EN 573-3; AlCu4PbMgMn.
Diese Aluminiumlegierung enthält Kupfer als Hauptlegierungselement (4-5 %). Es handelt sich um eine kurzspanige Legierung, die langlebig, leicht und hochfunktional ist und dieselben hohen mechanischen Eigenschaften wie AW 2030 aufweist. Sie eignet sich auch zum Gewindeschneiden, für Wärmebehandlungen und Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Aufgrund all dieser Eigenschaften wird EN AW 2007 häufig bei der Herstellung von Maschinenteilen, Bolzen, Nieten, Muttern, Schrauben und Gewindestangen verwendet. Diese Aluminiumsorte weist jedoch eine geringe Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit auf. Daher wird empfohlen, nach der Teilebearbeitung eine Schutzanodisierung durchzuführen.
EN AW-5083 / 3.3547 / Al-Mg4,5Mn
Alternative Bezeichnungen: 3.3547; Legierung 5083; EN 573-3; UNS A95083; ASTM B209; AlMg4.5Mn0.7
AW 5083 ist für seine hervorragende Leistung in rauen Umgebungen bekannt. Es enthält Magnesium und kleine Spuren von Chrom und Mangan. Diese Sorte ist sowohl in chemischen als auch in maritimen Umgebungen sehr korrosionsbeständig. Von allen nicht wärmebehandelbaren Legierungen hat AW 5080 die höchste Festigkeit; eine Eigenschaft, die es auch nach dem Schweißen behält. Obwohl diese Legierung nicht in Anwendungen mit Temperaturen über 65 °C verwendet werden sollte, eignet sie sich hervorragend für Anwendungen mit niedrigen Temperaturen.
Aufgrund seiner zahlreichen wünschenswerten Eigenschaften wird AW 5080 in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, darunter in kryogenen Geräten, Schiffsanwendungen, Druckgeräten, chemischen Anwendungen, Schweißkonstruktionen und Fahrzeugkarosserien.
EN AW 5754 / 3.3535 / Al-Mg3
Alternative Bezeichnungen: 3.3535; Legierung 5754; EN 573-3; U21NS A95754; ASTM B 209; Al-Mg3.
Da es sich bei AW 5754 um eine geschmiedete Aluminium-Magnesium-Legierung mit dem höchsten Aluminiumanteil handelt, kann sie gewalzt, geschmiedet und extrudiert werden. Sie ist außerdem nicht wärmebehandelbar und kann kaltverformt werden, um ihre Festigkeit zu erhöhen, allerdings bei geringerer Duktilität. Darüber hinaus ist diese Legierung hervorragend korrosionsbeständig und weist eine hohe Festigkeit auf. Angesichts dieser Eigenschaften ist es verständlich, dass AW 5754 eine der beliebtesten CNC-gefrästen Aluminiumsorten ist. Sie wird typischerweise in Schweißkonstruktionen, Bodenbelägen, Angelausrüstung, Fahrzeugkarosserien, in der Lebensmittelverarbeitung und bei Nieten verwendet.
EN AW-6060 / 3.3206 / Al-MgSi
Alternative Bezeichnungen: 3.3206; ISO 6361; UNS A96060; ASTM B 221; AlMgSi0,5
Dabei handelt es sich um eine magnesium- und siliziumhaltige Aluminium-Knetlegierung. Sie ist wärmebehandelbar und weist eine mittlere Festigkeit, gute Schweißbarkeit und gute Formbarkeit auf. Zudem ist sie sehr korrosionsbeständig, eine Eigenschaft, die durch Eloxieren noch weiter verbessert werden kann. EN AW 6060 wird häufig im Bauwesen, in der Lebensmittelverarbeitung, in der Medizintechnik und im Automobilbau eingesetzt.
EN AW-7075 / 3.4365 / Al-Zn6MgCu
Alternative Bezeichnungen: 3.4365; UNS A96082; H30; Al-Zn6MgCu.
Zink ist das wichtigste Legierungselement in dieser Aluminiumsorte. Obwohl EN AW 7075 nur durchschnittlich bearbeitbar ist, schlechte Kaltverformungseigenschaften aufweist und sich weder zum Schweißen noch zum Löten eignet, hat es ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Dichte, eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Witterungseinflüsse und Meeresumgebungen und eine Festigkeit, die mit einigen Stahllegierungen vergleichbar ist. Diese Legierung wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Drachenflieger- und Fahrradrahmen, Kletterausrüstung, Waffen und Formenbau.
EN AW-6061 / 3.3211 / Al-Mg1SiCu
Alternative Bezeichnungen: 3.3211, UNS A96061, A6061, Al-Mg1SiCu.
Diese Legierung enthält Magnesium und Silizium als Hauptlegierungselemente sowie Spuren von Kupfer. Mit einer Zugfestigkeit von 180 MPa ist dies eine hochfeste Legierung und eignet sich sehr gut für stark beanspruchte Strukturen wie Gerüste, Eisenbahnwaggons, Maschinen- und Flugzeugteile.
EN AW-6082 / 3.2315 / Al-Si1Mg
Alternative Bezeichnungen: 3.2315, UNS A96082, A-SGM0,7, Al-Si1Mg.
Diese Legierung wird typischerweise durch Walzen und Extrusion hergestellt und hat eine mittlere Festigkeit mit sehr guter Schweißbarkeit und Wärmeleitfähigkeit. Sie ist sehr beständig gegen Spannungsrisskorrosion. Ihre Zugfestigkeit liegt zwischen 140 und 330 MPa. Sie wird häufig im Offshore-Bau und bei Containern eingesetzt.
CNC-Bearbeitungsverfahren für Aluminium
Sie können Aluminium mit einer Reihe der heute verfügbaren CNC-Bearbeitungsverfahren bearbeiten. Einige dieser Verfahren sind wie folgt.
CNC-Drehen
Beim CNC-Drehen rotiert das Werkstück, während das Einpunkt-Schneidwerkzeug entlang seiner Achse stationär bleibt. Je nach Maschine führt entweder das Werkstück oder das Schneidwerkzeug eine Vorschubbewegung gegen das jeweils andere aus, um Material abzutragen.
CNC Fräsen
CNC-Fräsen ist das am häufigsten eingesetzte Verfahren zur Bearbeitung von Aluminiumteilen. Dabei rotiert ein Mehrpunkt-Fräswerkzeug um seine Achse, während das Werkstück um seine eigene Achse stationär bleibt. Der Schneidvorgang und der damit verbundene Materialabtrag erfolgen durch die Vorschubbewegung des Werkstücks, des Werkzeugs oder beider zusammen. Diese Bewegung kann entlang mehrerer Achsen ausgeführt werden.
Taschenentnahme
Taschenfräsen, auch als Taschenfräsen bekannt, ist eine Form des CNC-Fräsens, bei der eine hohle Tasche in ein Teil gefräst wird.
Zugewandt
Beim Plandrehen in der spanenden Fertigung geht es darum, durch Plandrehen oder Planfräsen einen flachen Querschnittsbereich auf der Oberfläche eines Werkstücks zu erzeugen.
CNC Bohren
CNC-Bohren ist das Verfahren zur Herstellung eines Lochs in einem Werkstück. Dabei bewegt sich ein rotierendes Mehrpunkt-Schneidwerkzeug bestimmter Größe geradlinig senkrecht zur zu bohrenden Oberfläche und erzeugt so ein Loch.
Werkzeuge zur Bearbeitung von Aluminium
Bei der Auswahl eines Werkzeugs für die CNC-Bearbeitung von Aluminium spielen mehrere Faktoren eine Rolle.
Werkzeugkonstruktion
Die Werkzeuggeometrie beeinflusst die Effizienz bei der Aluminiumbearbeitung. Einer davon ist die Schneidenzahl. Um Probleme beim Spanabtransport bei hohen Schnittgeschwindigkeiten zu vermeiden, sollten Schneidwerkzeuge für die CNC-Bearbeitung von Aluminium 2–3 Schneiden aufweisen. Eine höhere Schneidenzahl führt zu kleineren Spanmulden. Dadurch können sich die großen Späne, die bei Aluminiumlegierungen entstehen, festsetzen. Bei geringen Schnittkräften und wenn ein guter Spanabtransport entscheidend für den Prozess ist, sollten Sie 2 Schneiden verwenden. Für ein optimales Verhältnis von Spanabtransport und Werkzeugfestigkeit verwenden Sie 3 Schneiden.
Helixwinkel
Der Spiralwinkel ist der Winkel zwischen der Werkzeugmittellinie und einer Tangente an die Schneidkante. Er ist ein wichtiges Merkmal von Schneidwerkzeugen. Ein größerer Spiralwinkel beschleunigt zwar den Spanabtransport, erhöht aber gleichzeitig Reibung und Wärmeentwicklung. Dies kann bei der CNC-Bearbeitung von Aluminium mit hohen Schnittgeschwindigkeiten zum Verschweißen der Späne mit der Werkzeugoberfläche führen. Ein kleinerer Spiralwinkel hingegen erzeugt weniger Wärme, transportiert die Späne aber möglicherweise nicht so effektiv ab. Für die Aluminiumbearbeitung eignen sich Spiralwinkel von 35° oder 40° für Schruppbearbeitungen, während ein Spiralwinkel von 45° optimal für die Schlichtbearbeitung ist.
Freiwinkel
Der Freiwinkel ist ein weiterer wichtiger Faktor für die einwandfreie Funktion eines Werkzeugs. Ein zu großer Winkel führt dazu, dass sich das Werkzeug ins Werkstück eingräbt und rattert. Ein zu kleiner Winkel hingegen verursacht Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück. Für die CNC-Bearbeitung von Aluminium sind Freiwinkel zwischen 6° und 10° optimal.
Werkzeugmaterial
Hartmetall ist das bevorzugte Material für Schneidwerkzeuge in der CNC-Bearbeitung von Aluminium. Da Aluminium ein weiches Material ist, kommt es bei einem Schneidwerkzeug für Aluminium nicht auf Härte, sondern auf die Fähigkeit an, eine rasiermesserscharfe Schneide zu erhalten. Diese Eigenschaft besitzen Hartmetallwerkzeuge und hängt von zwei Faktoren ab: der Korngröße des Hartmetalls und dem Bindemittelanteil. Während eine größere Korngröße zu einem härteren Material führt, gewährleistet eine kleinere Korngröße ein zäheres und schlagfesteres Material – genau die Eigenschaft, die wir benötigen. Kleinere Körner erfordern Kobalt, um die feine Kornstruktur und die Festigkeit des Materials zu erzielen.
Kobalt reagiert jedoch bei hohen Temperaturen mit Aluminium und bildet eine Aluminiumaufbaukante an der Werkzeugoberfläche. Um diese Reaktion zu minimieren und gleichzeitig die erforderliche Festigkeit zu gewährleisten, ist es entscheidend, ein Hartmetallwerkzeug mit dem richtigen Kobaltanteil (2–20 %) zu verwenden. Hartmetallwerkzeuge sind in der Regel beständiger gegen die hohen Drehzahlen, die bei der CNC-Bearbeitung von Aluminium auftreten, als Stahlwerkzeuge.
Neben dem Werkzeugmaterial ist die Werkzeugbeschichtung ein wichtiger Faktor für die Schneidleistung. ZrN (Zirkonnitrid), TiB₂ (Titandiborid) und diamantähnliche Beschichtungen sind einige geeignete Beschichtungen für Werkzeuge, die bei der CNC-Bearbeitung von Aluminium eingesetzt werden.
Vorschübe und Geschwindigkeiten
Die Schnittgeschwindigkeit ist die Drehzahl des Schneidwerkzeugs. Aluminium verträgt sehr hohe Schnittgeschwindigkeiten; daher hängt die Schnittgeschwindigkeit für Aluminiumlegierungen von den Grenzen der verwendeten Maschine ab. Bei der CNC-Bearbeitung von Aluminium sollte die Geschwindigkeit so hoch wie möglich sein, da dies die Bildung von Aufbauschneiden reduziert, Zeit spart, den Temperaturanstieg im Werkstück minimiert, den Spanbruch verbessert und die Oberflächengüte erhöht. Die optimale Schnittgeschwindigkeit hängt von der Aluminiumlegierung und dem Werkzeugdurchmesser ab.
Die Vorschubgeschwindigkeit ist die Strecke, die das Werkstück oder Werkzeug pro Werkzeugumdrehung zurücklegt. Der benötigte Vorschub hängt von der gewünschten Oberflächengüte, der Festigkeit und der Steifigkeit des Werkstücks ab. Für Schruppbearbeitungen wird ein Vorschub von 0.15 bis 2.03 mm/U benötigt, für Schlichtbearbeitungen hingegen 0.05 bis 0.15 mm/U.
Schneidflüssigkeit
Trotz seiner guten Bearbeitbarkeit sollte Aluminium niemals trocken geschnitten werden, da dies die Bildung von Aufbauschneiden begünstigt. Geeignete Kühlschmierstoffe für die CNC-Bearbeitung von Aluminium sind öllösliche Emulsionen und Mineralöle. Kühlschmierstoffe, die Chlor oder aktiven Schwefel enthalten, sind zu vermeiden, da diese Elemente Aluminium verfärben.
Nachbearbeitungsprozesse
Nach der Bearbeitung eines Aluminiumteils können Sie bestimmte Prozesse durchführen, um die physikalischen, mechanischen und ästhetischen Eigenschaften des Teils zu verbessern. Die am weitesten verbreiteten Prozesse sind die folgenden.
Kugel- und Sandstrahlen
Das Perlenstrahlen ist ein Veredelungsverfahren für ästhetische Zwecke. Bei diesem Verfahren wird das bearbeitete Teil mit winzigen Glasperlen unter Verwendung einer Hochdruckluftpistole bestrahlt, wodurch Material effektiv entfernt und eine glatte Oberfläche gewährleistet wird. Es verleiht Aluminium eine satinierte oder matte Oberfläche. Die wichtigsten Prozessparameter beim Perlenstrahlen sind die Größe der Glasperlen und der verwendete Luftdruck. Verwenden Sie dieses Verfahren nur, wenn die Maßtoleranzen eines Teils nicht kritisch sind.
Zu den weiteren Veredelungsverfahren gehören Polieren und Lackieren.
Beschichtung
Dabei wird ein Aluminiumteil mit einem anderen Material wie Zink, Nickel und Chrom beschichtet. Dies geschieht, um die Teileprozesse zu verbessern und kann durch elektrochemische Prozesse erreicht werden.
Eloxieren
Eloxieren ist ein elektrochemischer Prozess, bei dem ein Aluminiumteil in eine Lösung aus verdünnter Schwefelsäure getaucht und eine elektrische Spannung an Kathode und Anode angelegt wird. Dieser Prozess wandelt die freiliegenden Oberflächen des Teils effektiv in eine harte, elektrisch nicht reaktive Aluminiumoxidbeschichtung um. Die Dichte und Dicke der erzeugten Beschichtung hängt von der Konsistenz der Lösung, der Eloxierzeit und dem elektrischen Strom ab. Sie können Eloxieren auch durchführen, um ein Teil zu färben.
Pulverbeschichtung
Beim Pulverbeschichtungsverfahren wird ein Teil mithilfe einer elektrostatischen Spritzpistole mit farbigem Polymerpulver beschichtet. Anschließend wird das Teil bei einer Temperatur von 200 °C ausgehärtet. Die Pulverbeschichtung verbessert die Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß, Korrosion und Stöße.
Wärmebehandlung
Teile aus wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungen können einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um ihre mechanischen Eigenschaften zu verbessern.
Anwendungen von CNC-gefrästen Aluminiumteilen in der Industrie
Wie bereits erwähnt, verfügen Aluminiumlegierungen über eine Reihe wünschenswerter Eigenschaften. Daher sind CNC-gefräste Aluminiumteile in mehreren Branchen unverzichtbar, darunter in den folgenden:
- Luft- und Raumfahrt: Aufgrund des hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses werden zahlreiche Flugzeugbeschläge aus bearbeitetem Aluminium hergestellt;
- Automobilindustrie: Ähnlich wie in der Luft- und Raumfahrtindustrie werden auch in der Automobilindustrie zahlreiche Teile wie Wellen und andere Komponenten aus Aluminium gefertigt;
- Boardelektronik: Aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit werden CNC-gefräste Aluminiumteile häufig als elektronische Komponenten in Elektrogeräten verwendet.
- Lebensmittel / Pharmazeutika: Da Aluminiumteile mit den meisten organischen Substanzen nicht reagieren, spielen sie in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie eine wichtige Rolle.
- Sport: Aluminium wird häufig zur Herstellung von Sportgeräten wie Baseballschlägern und Sportpfeifen verwendet;
- Kryogen: Die Fähigkeit von Aluminium, seine mechanischen Eigenschaften bei Temperaturen unter Null zu behalten, macht Aluminiumteile für kryogene Anwendungen attraktiv.