Kostenoptimalisatiestrategieën in CNC-bewerking op basis van ontwerp
CNC-bewerking staat voor precisie, kwaliteit en betrouwbaarheid zoals nauwelijks een ander productieproces. Deze eigenschappen maken CNC-bewerkte componenten ideaal voor toepassingen waarbij nauwe toleranties en functionaliteit essentieel zijn. CNC-bewerkte componenten zijn echter vaak duurder dan componenten van vergelijkbare grootte die met andere productieprocessen worden vervaardigd. In dit artikel geven we praktische tips over hoe CNC-componenten kostenefficiënt kunnen worden ontworpen en ingekocht, zodat ook kleine bedrijven, onderzoeksinstellingen en start-ups toegang krijgen tot hoogwaardige CNC-technologie tegen aantrekkelijke kosten.
De CNC-bewerkingstijd kan worden beschouwd als de belangrijkste kostenbepalende factor en overtreft vaak de materiaalkosten, initiële investeringskosten en kosten voor oppervlakte- of warmtebehandelingen. De grootste kostenoptimalisatie in het CNC-productieproces wordt daarom bereikt door de bewerkingstijd te verkorten. De meest effectieve manier om dit te realiseren is het toepassen van een doordacht ontwerpproces, ook wel bekend als “design for manufacturing”. Belangrijke strategieën voor het optimaliseren van CNC-kosten omvatten verbeteringen aan het bewerkte onderdeel, de machinegeometrie en gereedschapsafmetingen, evenals het vereenvoudigen van de productie van complexe geometrieën. Verderop in dit artikel laten we zien dat ook met een efficiënte digitale inkoopstrategie aanzienlijke besparingen kunnen worden gerealiseerd.
Principes van CNC-bewerking
Bij frezen of draaien worden roterende snijgereedschappen gebruikt om materiaal van een blok te verwijderen. Daarbij ontstaat de doelgeometrie door materiaal laag voor laag weg te nemen. Het contact van het gereedschap met het basismateriaal produceert spanen. Zowel het werkstuk als het gereedschap kan in verschillende richtingen bewegen. Eenvoudige freesmachines beschikken over drie bewegingsassen, waarbij het gereedschap lineair langs de x-, y- en z-as beweegt. Bij 5-assige freesmachines kan bovendien de opspantafel met het component en/of het gereedschap om twee assen worden gekanteld.
Naarmate de complexiteit van het component toeneemt, zijn meer assen nodig om alle oppervlakken met het gereedschap te bereiken. Om productiekosten te beperken, moet het onderdeel daarom slechts zo complex worden ontworpen als noodzakelijk en moeten overbodige kenmerken worden vermeden. Hieronder volgen enkele ontwerptips.
Afronden van interne hoeken bij CNC-bewerking
Een optimale bewerkbaarheid van CNC-onderdelen vereist efficiënte materiaalverwijdering. Dit kan worden bereikt door de radius van interne hoeken te vergroten, zodat het gereedschap minder herhaalde bewerkingsgangen hoeft te maken. Geometrieën met kleine interne radii moeten met kleinere gereedschappen en lagere snelheden worden bewerkt, wat het risico op gereedschapsbreuk vermindert maar de bewerkingstijd verlengt. Een praktische ontwerprichtlijn is een interne radius met een lengte-diameterverhouding van 3:1.
Samengevat kunnen kosten worden verlaagd door interne hoeken af te ronden:
1. Voeg een radius toe van minimaal 1/3 van de pocketdiepte
2. Gebruik dezelfde radius voor alle interne randen om gereedschapswissels te vermijden
3. Gebruik aan de bodem van de pocket een kleine radius, bijvoorbeeld 0,5 mm of 1,0 mm, of helemaal geen radius
Wanneer scherpere interne randen vereist zijn, bijvoorbeeld wanneer een rechthoekige vorm in een pocket moet passen, kan dit worden bereikt door gebruik te maken van ondersnijdingen in plaats van het verkleinen van de interne radius.
Beperken van de diepte van holtes en diepe pockets
Het bewerken van diepe holtes veroorzaakt hoge kosten vanwege het grote volume aan te verwijderen materiaal. Door de beperkte snijlengte van CNC-gereedschappen wordt optimale snijprestatie doorgaans bereikt bij een diepte van twee tot drie keer de diameter. Zo kan een frees met een diameter van 12,0 mm eenvoudig holtes bewerken tot circa 25,0 mm diepte. Diepere holtes zijn mogelijk, maar tegen hogere kosten doordat speciale gereedschappen of lagere voedingen nodig zijn.
Daarom is het optimaal om de holtediepte te beperken tot vier keer de grootste afmeting in het XY-vlak. Methoden zoals stapsgewijs afdalen met kleinere bewerkingsstappen of alternatieve processen zoals draadvonken en brootsen kunnen worden toegepast, maar gaan gepaard met hogere kosten.
Beperken van schroefdraadlengtes
Vanuit constructief oogpunt mag de schroefdraadlengte niet meer bedragen dan 1,5 keer de diameter van het schroefgat. Langere schroefdraden dragen niet bij aan de sterkte, maar verhogen wel de CNC-bewerkingskosten. Bij blinde schroefgaten moet aan de bodem echter een ongeschroefd gedeelte van minimaal een halve diameter worden aangehouden.
Gebruik van standaard gatmaten en optimalisatie van gatontwerp
Standaardboren kunnen worden gebruikt voor nauwkeurige gatbewerking. Niet-standaard maten verhogen de kosten door langere bewerkingstijden. Doorlopende gaten zijn goedkoper te bewerken dan blinde gaten en moeten daarom bij voorkeur al in de ontwerpfase worden voorzien. De gatdiepte moet worden beperkt tot vier keer de diameter, aangezien diepere gaten aanzienlijk meer bewerkingstijd vereisen. Aanbevolen wordt om gatdiameters in stappen van 0,1 mm tot 10,0 mm te ontwerpen en in stappen van 0,5 mm voor diameters boven 10,0 mm.
Parametrische optimalisatie van getapte gaten tijdens de bewerking
De diepte van het gat en de maat van de tap zijn de belangrijkste parameters bij het optimaliseren van getapte gaten. Een schroefdraadlengte van maximaal drie keer de gatdiameter is optimaal. Dieper tappen verhoogt het risico op gereedschapsbreuk en verlengt het proces. Gestandaardiseerde tappen zijn breed beschikbaar en verlagen de kosten aanzienlijk. Het gebruik van zeer kleine tappen wordt afgeraden, omdat deze vaak handmatig moeten worden getapt, wat de tijd en het risico op breuk vergroot.
Specificeren van alleen noodzakelijke toleranties op bewerkbare componenten
Een van de belangrijkste oorzaken van hoge bewerkingskosten is het toepassen van nauwe toleranties, wat de complexiteit en moeilijkheidsgraad van het proces verhoogt. Daarom moeten toleranties alleen worden gespecificeerd wanneer dit functioneel noodzakelijk is. Indien geen specifieke toleranties zijn aangegeven op tekeningen, volstaan standaardtoleranties voor de meeste niet-kritische geometrische kenmerken.
Bewerkingskosten kunnen verder worden beperkt door één referentiepunt vast te leggen voor alle getolereerde afmetingen. Geometrische maatvoering en toleranties (GD&T) moeten met zorg worden toegepast, aangezien deze belangrijke kostendrijvers zijn.
Minimaliseren van het aantal opspanningen en bewerkingsconfiguraties
Het is ideaal om onderdelen te ontwerpen die met zo min mogelijk bewerkingen in één opspanning kunnen worden vervaardigd. Een onderdeel met blinde gaten aan beide zijden vereist bijvoorbeeld twee opspanningen, wat de kosten verhoogt door extra handelingen of extra machineassen.
Daarnaast vereisen complexe geometrieën vaak meerassige CNC-systemen, wat de productiekosten verhoogt. Het opsplitsen van complexe componenten in meerdere eenvoudigere onderdelen die afzonderlijk kunnen worden bewerkt en daarna worden samengebouwd, is daarom bijzonder kosteneffectief.
Vermijd kleine kenmerken met hoge slankheidsverhoudingen
Kleine geometrische kenmerken met een hoge hoogte-breedteverhouding zijn gevoeliger voor trillingen tijdens de bewerking, wat de nauwkeurigheid vermindert. Door verstevigingen toe te voegen of ze te integreren in andere wandstructuren neemt de stijfheid toe.
Lagere CNC-bewerkingskosten worden bereikt door een maximale hoogte-dikteverhouding van 5:1 aan te houden. Grotere verhoudingen leiden vaak tot een slechtere oppervlaktekwaliteit en trillingssporen. Kortere en dikkere wanden verhogen de stijfheid en maken snellere bewerking mogelijk.
Het toevoegen van ondersteunende geometrische elementen, zoals ribben en gebogen wanden, kan dunwandige structuren versterken en verdere reductie van de wanddikte mogelijk maken. In specifieke geometrieën kunnen hoogte-lengteverhoudingen tot 25:1 worden aangehouden zonder significante kostenimpact.
Voorkom dunne wanden in CNC-gefreesde onderdelen
Tijdens CNC-bewerking kunnen onderdelen met dunne wanden vervormen door trillingen. Dit bemoeilijkt het aanhouden van toleranties en verhoogt de kosten. Een minimale wanddikte van 1 mm (of 1/32 inch) wordt aanbevolen. Indien een dunnere wand noodzakelijk is, kunnen EDM-processen worden toegepast, wat de kosten verhoogt.
Het ontwerp van CNC-bewerkbare componenten wordt vaak geoptimaliseerd voor een laag gewicht en duurzame prestaties. Dunne wanden zijn daarbij essentieel, vooral in lucht- en ruimtevaarttoepassingen. Toch zijn er productietechnische en kostengerelateerde beperkingen die in acht moeten worden genomen.
Rekening houden met de afmetingen van het ruwmateriaal
De totale afmetingen van het ruwmateriaal beïnvloeden de bewerkingskosten. Aanbevolen wordt dat het ruwmateriaal minimaal 3,0 mm groter is dan de eindafmetingen van het onderdeel.
Door de eindafmetingen af te stemmen op beschikbare standaardafmetingen kunnen aanzienlijke materiaalbesparingen en een betere bewerkbaarheid worden bereikt.
Verwijderen van tekst en markeringen van bewerkbare onderdelen
Het aanbrengen van tekst op het oppervlak verhoogt de bewerkingskosten door extra processtappen. Alternatief kunnen markeringen worden aangebracht via zeefdruk, lakken of lasergraveren.
Voor goede leesbaarheid wordt het gebruik van Serif- of Arial-lettertypen van minimaal 20 punten aanbevolen.
Beheersen van meervoudige oppervlakteafwerkingen
Het wordt sterk aanbevolen om één uniforme oppervlaktebehandeling toe te passen om kosten en processtappen te beperken. Het combineren van verschillende afwerkingen op één onderdeel verhoogt de complexiteit en de kosten.
Vereenvoudigen van complexe geometrieën tot bewerkbare componenten
Complexe geometrieën kunnen vaak worden opgesplitst in kleinere, eenvoudiger te bewerken componenten die vervolgens worden samengevoegd tot één geheel. Dit verbetert de bewerkbaarheid en verlaagt de totale kosten, met name bij onderdelen met diepe pockets.
Integratie van afschuiningen en afrondingen in CNC-bewerkte onderdelen
Afschuiningen en afrondingen verhogen de bewerkingstijd en -kosten, maar verbeteren veiligheid en belastbaarheid. Afrondingen zorgen voor een betere spanningsverdeling, terwijl afschuiningen vaak bij schuine randen worden toegepast.
Beide verbeteren ook de esthetiek en veiligheid van onderdelen die door mensen worden gehanteerd. De keuze moet gebaseerd zijn op functie, duurzaamheid en kosten.
Kostenreductie van CNC-bewerkte onderdelen door digitale inkoopplatforms
Zoals bij elk B2B-inkoopproces wordt de prijs bepaald door het product en de toegang tot leveranciers. Geoptimaliseerd ontwerp vormt de basis voor kostenefficiënte productie.
Digitale platforms vereenvoudigen het inkoopproces door offertes, leveranciers en kwaliteitsborging te bundelen.
Met InstaWerk kunnen CAD-bestanden direct worden geüpload voor een onmiddellijke offerte. Er is een breed scala aan materialen, toleranties en oppervlakteafwerkingen beschikbaar.
Achter de schermen exploiteert InstaWerk een exclusief netwerk van CNC-fabrikanten met toegang tot duizenden machines. Door orders te bundelen worden zeer concurrerende voorwaarden gerealiseerd, met kwaliteit en vertrouwelijkheid als hoogste prioriteit.
En het beste van alles: het proces is eenvoudig, gratis en direct zonder verplichtingen te proberen via onze online calculator voor gedraaide en gefreesde onderdelen. Start vandaag nog met bestellen via InstaWerk.
Why choose InstaWerk?
