Strategier for omkostningsoptimering i CNC-bearbejdning baseret på design
CNC-bearbejdning står for præcision, kvalitet og pålidelighed som næsten ingen anden fremstillingsproces. Disse egenskaber gør CNC-bearbejdede komponenter ideelle til applikationer, hvor snævre tolerancer og funktionalitet er afgørende. CNC-bearbejdede komponenter er dog ofte dyrere end komponenter af tilsvarende størrelse fremstillet med andre produktionsmetoder. I denne artikel giver vi dig konkrete tips til, hvordan CNC-komponenter kan designes og indkøbes omkostningseffektivt, så også små virksomheder, forskningsinstitutioner og startups får adgang til avanceret CNC-teknologi til attraktive omkostninger.
CNC-bearbejdningstid kan betragtes som den vigtigste omkostningsdrivende parameter og overstiger ofte materialeomkostninger, initiale investeringsomkostninger samt omkostninger til overflade- og varmebehandling. Den største omkostningsoptimering i CNC-fremstilling opnås derfor ved at reducere bearbejdningstiden. Den mest effektive metode hertil er implementering af en gennemtænkt designproces, også kendt som ”design for manufacturing”. Centrale strategier for optimering af CNC-omkostninger omfatter forbedringer af den bearbejdede del, maskingeometri og værktøjsdimensioner samt forenkling af fremstillingen af komplekse geometrier. Senere i artiklen viser vi desuden, at betydelige besparelser kan opnås gennem en effektiv digital indkøbsstrategi.
Grundprincipper for CNC-bearbejdning
Ved fræsning eller drejning anvendes roterende skæreværktøjer til at fjerne materiale fra et emne. Den ønskede geometri skabes ved gradvist at fjerne materiale lag for lag. Når værktøjet indgreb med grundmaterialet, dannes spåner. Både emnet og værktøjet kan bevæges i forskellige retninger. Enkle fræsemaskiner har tre bevægelsesakser, hvor værktøjet bevæges lineært langs x-, y- og z-aksen. I 5-aksede fræsemaskiner kan spændebordet med komponenten og/eller værktøjet desuden vippes omkring to akser.
Jo mere kompleks en komponent er, desto flere akser kræves der for at nå alle overflader med værktøjet. For at reducere fremstillingsomkostningerne bør delen derfor kun designes så kompleks som nødvendigt, og unødvendige funktioner bør elimineres. Nedenfor følger en række designanbefalinger.
Afrunding af indvendige hjørner i CNC-bearbejdede dele
Optimal bearbejdelighed kræver effektiv materialefjernelse, hvilket kan opnås ved at øge radius i indvendige hjørner, så værktøjet behøver færre gentagne gennemløb. Geometrier med små indvendige radier skal bearbejdes med mindre værktøjer og lavere hastigheder, hvilket reducerer risikoen for værktøjsbrud, men øger bearbejdningstiden. En praktisk designregel er en indvendig radius med et længde-til-diameter-forhold på 3:1.
Sammenfattende kan omkostninger reduceres ved at afrunde indvendige hjørner:
1. Tilføj en radius på mindst 1/3 af hullets dybde
2. Brug samme radius på alle indvendige kanter for at undgå værktøjsskift
3. I bunden af hulrummet anvendes en lille radius, f.eks. 0,5 mm eller 1,0 mm – eller ingen radius
Hvis der kræves skarpere indvendige kanter, eksempelvis når en rektangulær form skal passe i et hulrum, kan dette opnås ved hjælp af underfræsninger i stedet for at reducere den indvendige radius.
Begrænsning af dybden på hulrum og dybe lommer
Bearbejdning af dybe hulrum medfører høje omkostninger på grund af den store mængde materiale, der skal fjernes. På grund af CNC-værktøjers begrænsede skærelængde opnås optimal skæreydelse typisk ved en dybde på to til tre gange diameteren. For eksempel kan et fræseværktøj med en diameter på 12,0 mm uden problemer bearbejde hulrum op til cirka 25,0 mm dybde. Dybere hulrum kan bearbejdes, men til højere omkostninger, da der kræves specialværktøjer eller lavere fremføringshastigheder.
Derfor er det optimalt at begrænse hulrumsdybden til maksimalt fire gange den største dimension i XY-planet. Metoder som trinvis nedføring eller alternative processer som trådgnistning og broaching kan anvendes, men medfører højere omkostninger.
Begrænsning af gevindlængder
Set fra et konstruktivt synspunkt bør gevindlængden ikke overstige 1,5 gange gevindhullets diameter. Længere gevind bidrager ikke til øget styrke, men øger derimod omkostningerne ved CNC-bearbejdning. For blindhuller skal der dog efterlades en ugevindet bund på mindst halvdelen af diameteren.
Anvendelse af standardhulstørrelser og optimering af huldesign
Standardbor kan anvendes til præcis hulbearbejdning. Ikke-standardiserede størrelser øger omkostningerne på grund af længere bearbejdningstid. Gennemgående huller er billigere at bearbejde end blinde huller og bør derfor indgå i designfasen. Huldybden bør begrænses til fire gange diameteren, da dybere huller kræver betydeligt længere bearbejdningstid. Det anbefales at anvende diametertrin på 0,1 mm op til 10,0 mm og 0,5 mm for større diametre.
Parametrisk optimering af gevindhuller under bearbejdning
Huldybde og gevindtappens størrelse er de vigtigste parametre ved optimering af gevindhullers geometri. En gevindlængde på maksimalt tre gange huldiameteren er optimal. Dybere gevind øger risikoen for værktøjsbrud og forlænger gevindprocessen. Standardiserede gevindtappe reducerer omkostningerne betydeligt på grund af deres tilgængelighed. Meget små gevindtappe bør undgås, da de ofte kræver manuel gevindskæring, hvilket øger både tid og risiko for brud.
Specificering af nødvendige tolerancer på bearbejdelige komponenter
Snævre tolerancer er en af de primære årsager til høje bearbejdningsomkostninger. Tolerancer bør derfor kun specificeres, når de er funktionelt nødvendige. Hvor der ikke er angivet specifikke tolerancer på tekniske tegninger, bør standardtolerancer anvendes, da disse er tilstrækkelige for de fleste ikke-kritiske geometriske funktioner.
Omkostninger kan yderligere reduceres ved at definere ét fælles referencepunkt for alle tolererede dimensioner. Geometrisk dimensionering og tolerancering (GD&T) bør anvendes med omtanke, da disse krav er markante omkostningsdrivere.
Minimering af antal opspændinger og bearbejdningskonfigurationer
Det er ideelt at designe dele, der kan bearbejdes med så få operationer som muligt i én opspænding. Eksempelvis kræver en del med blinde huller på begge sider to opspændinger, hvilket øger omkostningerne på grund af ekstra arbejde eller flere maskinakser.
Derudover kræver komplekse geometrier ofte fleraksede CNC-systemer, hvilket driver fremstillingsomkostningerne op. Opdeling af komplekse komponenter i flere enklere dele, som efterfølgende samles ved boltning eller svejsning, kan derfor være en særdeles omkostningseffektiv løsning.
Undgå små detaljer med høje slankhedsforhold
Små geometriske detaljer med et højt højde-til-bredde-forhold er mere tilbøjelige til vibrationer under bearbejdning, hvilket reducerer den samlede nøjagtighed. Stivgørende strukturer eller integration i andre vægge kan øge stabiliteten.
Lavere CNC-omkostninger opnås ved at holde et maksimalt højde-til-tykkelse-forhold på 5:1. Større forhold resulterer ofte i dårlig overfladefinish og vibrationer. Korte og tykkere vægge øger stivheden og muliggør hurtigere bearbejdning.
Tilstedeværelsen af støttende geometriske elementer som ribber og buede vægge kan forstærke tynde strukturer og tillade yderligere reduktion af vægtykkelsen. Højde-til-længde-forhold på op til 25:1 kan i visse geometrier opretholdes uden væsentlig indvirkning på bearbejdningsomkostningerne.
Undgå tynde vægge i CNC-fræste dele
Ved CNC-bearbejdning kan tynde vægge deformeres på grund af vibrationer, hvilket gør det vanskeligt at overholde tolerancer og øger omkostningerne. En minimumstykkelse på 1 mm anbefales. Hvis endnu tyndere vægge er nødvendige, kan EDM-processer anvendes, hvilket dog øger prisen.
Design af CNC-bearbejdelige komponenter fokuserer ofte på lav vægt og høj ydeevne, især inden for luftfarts- og avionikindustrien. Tynde vægge er afgørende for letvægtsdesign, men der er begrænsninger i fremstillingen, som skal tages i betragtning, især med hensyn til omkostninger.
Overvej emnets råmål
Emnets samlede dimensioner påvirker bearbejdningsomkostningerne. Det anbefales, at råmaterialet er mindst 3,0 mm større end de færdige mål for at sikre præcis bearbejdning.
Ved at tilpasse slutmålene til tilgængelige standardemner kan der opnås betydelige materialebesparelser og bedre bearbejdelighed.
Fjernelse af tekst- og mærkningsfunktioner fra bearbejdelige dele
Tilføjelse af tekst på emnets overflade øger bearbejdningsomkostningerne. Alternativt kan mærkning udføres via serigrafi, maling eller lasergravering. For god læsbarhed anbefales skrifttyper på mindst 20 punkt såsom Serif eller Arial.
Styring af overfladebehandling på flere flader
Det anbefales kraftigt at anvende én ensartet overfladebehandling for at reducere omkostninger og proceskompleksitet. Kombinationer af forskellige overfladebehandlinger på samme komponent øger både procestrin og omkostninger.
Forenkling af komplekse geometrier til bearbejdelige komponenter
Komplekse geometrier kan ofte opdeles i enklere og mindre bearbejdelige komponenter, som efterfølgende samles til en samlet enhed. Dette reducerer bearbejdningstiden og de samlede omkostninger, især for dele med dybe lommer.
Integration af affasninger og radier i CNC-bearbejdede dele
Affasninger og radier øger både bearbejdningstid og omkostninger, men forbedrer sikkerhed og belastningsfordeling. Radier giver bedre spændingsfordeling, mens affasninger ofte anvendes på skrå kanter.
Begge forbedrer også delens æstetik og sikkerhed. Valget bør baseres på funktion, holdbarhed og omkostninger.
Reduktion af omkostninger for CNC-bearbejdede dele gennem digitale indkøbsplatforme
Som i enhver B2B-indkøbsproces bestemmes prisen både af emnets egenskaber og adgangen til leverandører. Designoptimering skaber grundlaget for omkostningseffektiv produktion.
Digitale platforme forenkler indkøbsprocessen ved at samle tilbud, leverandører og kvalitetssikring i ét system.
Med InstaWerk kan CAD-filer uploades direkte for at modtage et øjeblikkeligt tilbud. Der kan vælges mellem et bredt udvalg af materialer, tolerancer og overfladebehandlinger.
Bag kulisserne driver InstaWerk et eksklusivt netværk af CNC-producenter med adgang til tusindvis af CNC-maskiner. Ved at samle ordrer opnås konkurrencedygtige vilkår, hvor kvalitet og fortrolighed altid prioriteres.
Og bedst af alt: processen er enkel, gratis og kan afprøves med det samme – helt uden forpligtelser – via vores onlineberegner for drejede og fræste dele. Kom i gang med InstaWerk i dag.
Why choose InstaWerk?
