1 Forschungsmethode 

1.1 Designansatz

Die Studie untersuchte, wie spezifische geometrische Entscheidungen und Toleranzentscheidungen die CNC-Bearbeitungskosten beeinflussen. Es wurden drei repräsentative Teilekategorien ausgewählt:

1. Dünnwandgehäuse,

2. Präzisionswellen,

3. Funktionshalterungen aus Aluminium 6061-T6, Edelstahl 304 und POM.

Jede Kategorie wurde mit variablen Merkmalen modelliert, darunter Taschen-Tiefe, Radius, Anzahl der Bohrungen, Fasengeometrie und Toleranzbandbreite. Alle Feature-Variationen wurden so konzipiert, dass sie gängigen industriellen Einschränkungen und den Fähigkeiten der Lieferanten entsprechen.

1.2 Datenquellen

Die Daten stammten aus:

• Zykluszeitprotokollen, die von drei- und vierachsigen vertikalen Bearbeitungszentren in der Routineproduktion verwendet wurden,
• Werkzeugverschleißmessungen, die durch Voreinstellgeräte erfasst wurden,
• CAM-generierten Werkzeugwegsimulationen basierend auf Mastercam 2024,
• Kostenaufschlüsselungen, die von der Produktionsplanungsabteilung bereitgestellt wurden.

Um die Konsistenz zu gewährleisten, wurden alle Bearbeitungsparameter unter Verwendung derselben Schneidwerkzeugsorte, des Spindeldrehzahlbereichs und der Kühlmittelbedingungen normalisiert.

1.3 Werkzeuge und Reproduzierbarkeit

Das Experiment verwendete:

• Mastercam 2024 für die Werkzeugweggenerierung,
• Digitale Mikrometer von Mitutoyo für die Dimensionsvalidierung,
• ein standardisiertes Kostenmodell (Arbeit, Maschinenkosten pro Stunde, Materialkosten, Werkzeugkosten).

Der Workflow ist vollständig replizierbar, indem identische CAD-Geometrien, CAM-Einstellungen und Materialvorräte verwendet werden.

2 Ergebnisse und Analyse

2.1 Zykluszeitvergleich

Tabelle 1 fasst die Änderung der Zykluszeit bei der Vereinfachung nicht-funktionaler Merkmale zusammen.
(Im endgültigen Dokument eine dreizeilige Tabelle mit korrekter Ausrichtung und Einheiten verwenden.)

Tabelle 1 Feature-Reduzierung vs. Zykluszeitänderung

Die Ergebnisse zeigen, dass vereinfachte Taschen und standardisierte Radien die Bearbeitungsgänge erheblich reduzieren. Tiefere Taschen und kleine benutzerdefinierte Radien zeigten die höchste Korrelation mit erhöhtem Werkzeugverschleiß und verlängerten Schrupp-/Schlichtzyklen.

2.2 Toleranzeinfluss

Die Erweiterung der Toleranzbänder von ±0,01 mm auf ±0,05 mm senkte die Schlichtzeit um 14–19 %. Die Schritte zur Werkzeugdurchbiegungskompensation wurden entsprechend reduziert, und es waren weniger Inspektionsiterationen erforderlich.

2.3 Vergleich mit bestehenden Erkenntnissen

Bestehende Studien zur CNC-Kostenmodellierung berichten über ähnliche Trends in der Beziehung zwischen Toleranzbändern und Schlichtzeit. Das Experiment bestätigt diese Beobachtungen und quantifiziert den Nutzen für die Multi-Material-Produktion.

3 Diskussion

3.1 Interpretation der Ergebnisse

Die meisten Kostensenkungen resultieren aus der Werkzeugwegvereinfachung und dem optimierten Werkzeugeingriff. Größere Radien ermöglichen High-Feed-Strategien, wodurch der Werkzeugverschleiß reduziert wird. Die Toleranzerweiterung verringert direkt die Schlichtgänge, insbesondere bei Edelstahlkomponenten, bei denen der Zerspanungswiderstand hoch ist.

3.2 Einschränkungen

• Es wurden nur drei Materialien bewertet; hitzebeständige Legierungen und Titan wurden nicht berücksichtigt.
• Die Fünf-Achsen-Bearbeitung wurde ausgeschlossen, was die Anwendbarkeit auf komplexe Luft- und Raumfahrtgeometrien einschränkt.
• Die Kostenmodellierung ging von stabilen Arbeits- und Strompreisen aus, die sich je nach Region unterscheiden können.

3.3 Praktische Implikationen

Hersteller, die CNC-Teile für die schnelle Produktion entwerfen, können diese DFM-Tipps einsetzen, um die Stückkosten zu senken, ohne die strukturelle Leistung zu verändern. Die Standardisierung von Radien und die Anpassung nicht-kritischer Toleranzen sind besonders effektiv bei Losgrößen unter 500 Stück/Monat.

4 Fazit

Die Auswertung zeigt, dass die konsequente Anwendung von DFM-Richtlinien—geometrische Vereinfachung, optimierte Radien und angemessene Toleranzbänder—die Bearbeitungskosten in erster Linie durch eine verkürzte Zykluszeit und einen geringeren Werkzeugverbrauch senkt. Diese Erkenntnisse unterstützen zukünftige Anwendungen bei der Neugestaltung von Komponenten und dem Lieferanten-Benchmarking. Weitere Forschung kann sich auf die Mehrachsenbearbeitung und komplexe Legierungen ausweiten.