Schmieden, Gießen und CNC-Fräsen: Unterschied zwischen den Versionen

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===Der Nachteil des CNC-Fräsens===
===Der Nachteil des CNC-Fräsens===


There are a couple of issues. First, it wastes a lot of metal. The stuff removed is just metal shavings, and can only be sold for scrap. By comparison, forging uses almost all of the metal, except for a little bit of "flash" that seeps into the crack between the tool and the die. The process can be time consuming -- you can remove a couple of cubic inches of metal per minute. (limited mostly by your ability to keep the friction of cutting from overheating, and possibly melting things. This is especially important for the cutting tool, which may be severely weakened if you get it too hot, never mind near to melting), A part that is "sprawling" like your right crank, can take 10 minutes or more to make, compared to the small number of seconds that it takes a press to cycle. (A large press can make several parts per squish, providing even higher productivity.)
Es gibt einige nachteilige Aspekte. Zuallererst wird eine Menge Metall verschwendet. Was entfernt wird, sind nur noch Metallspäne die an den Schrotthändler verkauft werden können. Im Vergleich dazu fällt beim Schmieden so gut wie kein Abfall an bis auf ein wenig Grate, die zwischen den Gesenken entstehen. Der CNC Prozess kann sehr zeitaufwändig sein, weil man nur wenige Kubikzentimeter Material pro Minute entfernen kann. Das hat im wesentlichen mit der Problematik zu schaffen, dass es schwierig ist, dass der Fräskopf und das Material nicht überhitzen und evtl. zu schmelzen beginnen. Ein Bauteil, dass so langgestreckt ist wie eine Kurbel, kann durchaus 10 Minuten benötigen. Eine Schmiedepresse benötigt dafür nur wenige Sekunden und kann in einem Arbeitsschritt sogar mehrere Bauteile gleichzeitig fertigstellen.


They are complicated machines, full of servomechanisims, and measuring technology that can measure to 0.005 mm (0.0001") while covered in oil. A CNC machine has a minimum of 6 motors (including some to change tools, and one or more to pump oil and coolant various places). This translates to running costs that may be well over $1/minute. (The computer is not a significant part of the cost any more.)
CNC Fräsen sind komplizierte Maschinen, die mit Servomechanik und Messinstrumenten vollgestopft ist. Eine CNC Fräse hat mindestens sechs Motoren (inklusive des Antriebs und Pumpen für Öl und andere Kühlflüssigkeiten). Laufzeitkosten von 1 €/Minute oder mehr sind üblich. Dabei sind die Computer nicht einmal der Löwenanteil bei den Kosten.
 
Zuguterletzt bleibt das Problem der Widerstandsfähigkeit. Wenn man Metall nur fräst, erhält man nicht die eng gepresste Oberfläche eine geschmiedeten Bauteils. Im schlimmsten Fall können innen liegende Kanten mit scharfen Anschlüssen über bleiben. Das sind Zonen mit erhöhter Belastung, an denen leicht Risse entstehen können. Insbesondere [[Aluminium]] ist anfällig dafür und [[Titan]] ist sogar noch empfindlicher.


Oh yeah, strength. Well, if you cut away metal, it doesn't have the tightly packed surface finish of a forging. Worse, there may be inside corners that have a sharp junction. These are "stress risers," places that cracks can start (in any metal, but aluminum is particularly sensitive to it. Titanium is even worse.)
===Vorteile des CNC-Fräsens===
===Vorteile des CNC-Fräsens===
Beim Schmieden lassen sich keine spitzen Innenwinkel herstellen. Sonst würde man das Bauteil nicht mehr aus der Form lösen können. Daher müssen alle Innenwinkel größer als 90° sein. Zudem müssen sie gerundete Ecken haben, weil sonst in der Form  das Metall nicht in die Ecken gepresst sondern dort abgeschnitten würde.


You can't use an acute inside angle on a forging, you would never be able to get the part out of the mold. So all inside corners must be wider than 90 degrees, and have radiused edges (if you had a die (mold) that tried to form a sharp corner, it would cut rather than push the metal into place.
CNC Fräsen hat solche Restriktionen nicht. Wenn man jedoch schön gerundete Kanten haben möchte, muss man zwischenzeitlich das Fräswerkzeug tauschen. Mit einem flachen Werkzeug entfernt man das überschüssige Metall an den flachen Stellen und man benötigt ein gerundetes Werkzeug, um gerundete Innenwinkel zu fräsen. Um also Zonen mit hoher Belastung auszugleichen benötigt man wieder mehr teure Maschinenzeit.


CNC doesn't impose such restrictions, though to get nicely radiused corners, you might have to change tools, to make the last pass. (you use a flat tool to get rid of the bulk of the metal over the flat areas, and use a round nosed tool to form the inside radius where needed.) So eliminating stress risers means more expensive machining time.
==Warum CNC?==


==Warum CNC?==
Wenn man obige Abschnitte liest, kann man sich fragen, warum man überhaupt CNC Fräsen für Fahrradbauteile einsetzt. Die Formen (Gesenke), mit denen geschmiedet wird, werden CNC gefräst. Dadurch wurden die Werkzeugkosten für das Schmieden erheblich gesenkt. Den größten Fortschritt hat das CNC Fräsen durch das Militär erlebt. Wenn man nur etwa 30 irgendwelcher Dinger mit komplizierter Form bauen will, ist CNC Fräsen genau richtig.


So why CNC at all? Well its good at making small numbers of compicated shapes. In fact, they are just the thing to make the molds (called tools and dies) to do your forging in. (As a result, CNC technology has in fact lowered the "tooling" costs associated with forging!) It got its biggest boost from the missle folks. If you only plan to build 30 of something, CNC is just the thing for parts with a complicated shape, like that landing gear strut on that fighter.
Die [https://de.wikipedia.org/wiki/Friedensdividende Friedensdividende] der 1980er und 1990er Jahre hinterließ einen Haufen Werkstätten mit CNC Fräsen. Da die Kosten einer nicht ausgelasteten Maschine leicht über die Hälfte der Kosten ausmacht, die eine voll ausgelastete Maschine erzeugt, wurden Aufträge gesucht, um nicht bankrott zu gehen. Daher wurde nach Dingen gesucht, die Geld in die Kasse spülen. Dabei entstanden [[Vitrinen-Teile]] und andere Dinge, bei denen man mit "Weltraumtechnik" Marketing betreiben konnte und die Nachteile von CNC zu überdecken. (Bezüglich dessen lohnt sich auch ein Blick in den Golfsport und in Auto-Tuning Abteilungen)


The peace dividend left a bunch of shops with excess CNC capacity. Since the cost of the machine "just sitting idle" can easily be over half what it costs running full out on a billable job, it was find something for it to do, or the bank may be calling the auctioneer. They cast around for things that would get some money in to make the lease payments. Boutique bike parts and other things, where "rocket science" adds enough marketing appeal to overcome CNC's inefficencies, were something these shops latched onto. (for others, take a look at golf clubs or mototcycle and car hop up parts)
Eine Presse ist eine große und schwere "Low-Tech" Maschine, die sehr geringe Wartungs- und Betriebskosten hat. Man bekommt sie einfach nicht kaputt. Die kompliziertes Teile an dieser Maschine sind die Sensoren, die dafür Sorgen, dass der Maschinist nicht zwischen die Maschinenteile gerät. Sie besteht entweder aus einem Motor, der eine Hydraulikpumpe eintreibt, oder einer Gesenkschmniede, die von einer Mechanik angehoben und wieder fallen gelassen wird (RUMMS!!). Keine tollen Messgeräte, kein Computer - außer man hat einen Roboter daneben stehen, der Rohlinge einlegt und fertige Teile heraushebt.


A press, while big and heavy is a very simple "low tech" machine, that has very low maintence requirements. For the most part, they are too stupid to break. The most complicated part of a press are the sensors that make sure that the operator's body is out of the way before it starts moving. It's either a single motor connected to a pump, and a big hydraulic piston, or a "drop forge", a big lump of metal, with a mechanisim that picks it up, and drops it. (CLANG!!!!!). No fancy measuring gear. No computer, unless they have a robot next to it to load and unload the finished parts.
==Warum Schmieden?==
==Warum Schmieden?==
CNC Fräsen ist eine gute Ergänzung zum Schmieden. Es gibt eine Menge Formen, die sich durch Schmieden nicht herstellen lassen. Innenliegende Gewinde sind dafür ein Beispiel. So nimmt man die rohe geschmiedete Kurbel aus der Presse, spannt sie in die CNC Fräse, um Löcher für die Pedale mit [[Innengewinde]], [[Kurbelabzieher]] und Löcher für die [[Kettenblattschraube]]n zu schneiden. Natürlich kann man auch in echter Massenproduktion einfach eine billige Maschine nehmen, die ausschließlich diese drei Tätigkeiten durchführen kann.


CNC is a good compliment to forging. There are a lot of shapes that forging can't produce. Internal threads, for instance. So you might take your raw forged crank blank out of the press, then put it in a CNC machine to tap the holes for the pedals, crank puller and chainring bolts. Sure, if you were producing them in the millions, you would just set up a simple machine that could only drill and tap crank holes.
Wenn man weiß, dass man pro Jahr 50.000 Stück produziert und jedes mal diese 5 Löcher im 110 mm Lochkreis zu bohren hat, programmiert man die CNC Fräse, um eine Halterung zu fertigen, die fünf Bohrer genau im richtigen Kreis halten kann und immer einheitliche Löscher bohrt. Ein weiterer [[Gewindebohrer]] wird von der Halterung für das Kurbelabzieherloch gehalten, die letzte Halterung ist für den Gewindebohrer für das Pedalgewinde. Das funktioniert jeweils schneller und wesentlich billiger als jedes einzelne Teil von einer CNC Fräse machen zu lassen, die immer nur maximal 2 Löcher auf einmal herstellen kann und immer wieder Zeit benötigt, das Bauteil in die richtige Position zu bringen. Keine der beiden Herstellungsvarianten benötigt einen fähigen Machinisten und man kann auch eine Maschine bauen, die einfach nur die Bauteile von der einen zur nächsten Maschine bewegt, sowie eine weitere Maschine, die die fertigen Teile stapelt. Das ist nicht perfekt, weil jede Maschine immer nur genau eine Aufgabe übernehmen kann. Wenn man einen anderen Lochkreis produzieren will, macht man sich eine neue Maschine. Möglicherweise ist es ratsam, einzelne Teile austauschbar zu machen, wenn man zum Beispiel unterschiedliche Kurbellängen (z.B. 170 und 175) herstellen möchte. Möglicherweise sind auch zwei Maschinen günstiger.
 
If you know that you will be making 50,000 a year, and its always going to be 5 holes in a 110 mm circle, you program the CNC to make a fixture that holds the 5 drill bits in that circle, and has them turn in unison. Add another bit in the middle geared down to cut the puller threads, and # 7 to thread the pedal hole. Its faster than the computer (which will do one or at most two holes at a time, and will spend time moving the part to the place for the next hole.) and a whole lot cheaper to run. Neither takes any skill on the operators part, and there may indeed be a pick and place machine that specializes in stacking parts. It isn't perfect, it can only do that one job. Want to change bolt circles? You have to make a new machine. It might be worth it to make it changable so it can do 170's and 175's, it might be better to just make two different machines.
 
[Actually, I think they generally use the same forgings/castings for all crank lengths, just cut them down at different place, except, perhaps for super-top-of-the-line models.]


Tatsächlich (so glaubte [[Sheldon Brown]] werden jedes mal die gleichen unfertigen Kurbeln geschmiedet und diese einfach auf die gewünschte Länge gekürzt. Das dürfte allerdings bei hochwertigen Modellen nicht der Fall sein.


==Quelle==  
==Quelle==  
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel [http://www.sheldonbrown.com/dp-forging.html Forging, Casting and CNC Machining] von der Website [http://sheldonbrown.com Sheldon Browns]. Originalautoren des Artikels sind [[Sheldon Brown]] und [[Jeff del Papa]].
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel [http://www.sheldonbrown.com/dp-forging.html Forging, Casting and CNC Machining] von der Website [http://sheldonbrown.com Sheldon Browns]. Originalautoren des Artikels sind [[Sheldon Brown]] und [[Jeff del Papa]].


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Aktuelle Version vom 19. November 2019, 13:39 Uhr

Dieser Artikel befasst sich mit den Unterschieden zwischen Schmieden und CNC-Fräsen und beleuchtet sowohl die Vor- und Nachteile. Anders als es die Artikelüberschrift suggeriert, wird der Prozess des Gießens nur am Rande erwähnt. Warum der Artikel nicht einfach "Schmieden und CNC-Fräsen" heißt, ist ein Rätsel, das Sheldon Brown nicht aufgelöst hat.

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Schmieden

Um etwas zu Schmieden erstellt man zuerst eine Form aus sehr gutem Stahl. Man steckt nun eine Platte des Metallstücks, das man schmieden möchte, zwischen die beiden Hälften der Form und drückt nun die beiden Hälften der Form sehr KRÄFTIG zusammen. Zumeist wird das in Pressen gemacht, die einen Druck von mehreren zehn oder hunderten Tonnen aufbringen können. Die beiden Teile der Form heißen Gesenke, normalerweise ist eines fest montiert und das andere beweglich.

Das Metall fließt wie Zahnpasta und wenn man die Form öffnet, hat man das Teil. Ein wenig Veredeln und gewünschte Teil ist gebrauchsfertig. Das ist ein recht teurer Vorgang. Die Formen herzustellen kostet eine Menge und die Presse an sich ist zwar einfach aber das enorme Gewicht macht es teuer. Wenn man jedoch eine große Menge Teile herstellt , wird es wieder günstig. Das zu formende Metall kann entweder kühl (maximal 1/3 der Temperatur seines Schmelzpunkts oder sehr heiß - knapp unter dem Schmelzpunkt - sein. Wenn man Eisen formen möchte, muss das Metall sehr heiß gemacht werden.

Andere oft verwendete Prozesse sind Gießen (flüssiges Metall in eine Form schütten) und CNC-Fräsen (Computer Numeric Control).

Das widerstandsfähigste Ergebnis erhält man normalerweise durch Schmieden. Wenn Metall abkühlt, bilden sich Gefüge, die stark sind aber nicht perfekt zusammen"kleben". Daher können gegossene Stücke leichter brechen. Wenn man sich die Bruchstelle anschaut, sieht man eine zerfurchte matte Oberfläche, die zwischen den einzelnen Gefügen auseinander gebrochen ist. Sie zeigt schlechte Duktilität (Dehnfestigkeit).

Wenn man ein Stück Metall schmiedet, kollabieren die individuellen Gefüge. Das Ergebnis ist ein wenig dichter und wird eher verbiegen als brechen. Das Ergebnis ist ein ganzes Stück widerstandsfähiger als ein Guss oder ein aus einem Stück Metall gefrästes Bauteil. Dabei ist gerade die Oberfläche, weil sie den meisten Druck erhalten hat, die stärkste Stelle. Je weniger Störungen diese Oberfläche aufweist, desto widerstandsfähiger ist das Bauteil. Ein Bruch zeigt eine glänzende Fläche, weil die Spalten zwischen den Gefügen weg sind. Die Fließrichtung des Metalls durch den Druck des Schmiedens zeigt ähnliche Strukturen wie Holz, so dass es an spezifischen Stellen widerstandsfähiger ist. Gut konzipierte Gesenke geben Kontrolle über diesen Fluss und können so Bauteile an den am meisten belasteten Stellen widerstandsfähiger gestalten.

CNC Fräsen

CNC Fräsen startet mit einem Rohling, der ein Stück Vollmetall ist. Dieses Stück Metall wurde entweder gegossen, geschmiedet oder gewälzt (zwischen zwei Walzen gepresst, was eine Art limitiertes Schmieden darstellt, weil man hier nur Platten mit Gefügen wie bei einer Tafel herstellen kann).

Der Rohling wird in eine ziemlich normale Fräsmaschine eingespannt, die Positionssensoren und Positionierungsmotoren hat, die sich über Kontrollknöpfe bedienen lassen. Jedoch ist der Dreher/Maschinist hier ein Roboter. Ein drehendes Schneidwerkzeug, nimmt alles weg, was nicht zur Kurbel gehört. Das ganze funktioniert wie dreidimensionales Malen nach Zahlen mit guter Interpolation, so dass die Kanten recht geschmeidig werden.

Der Nachteil des CNC-Fräsens

Es gibt einige nachteilige Aspekte. Zuallererst wird eine Menge Metall verschwendet. Was entfernt wird, sind nur noch Metallspäne die an den Schrotthändler verkauft werden können. Im Vergleich dazu fällt beim Schmieden so gut wie kein Abfall an bis auf ein wenig Grate, die zwischen den Gesenken entstehen. Der CNC Prozess kann sehr zeitaufwändig sein, weil man nur wenige Kubikzentimeter Material pro Minute entfernen kann. Das hat im wesentlichen mit der Problematik zu schaffen, dass es schwierig ist, dass der Fräskopf und das Material nicht überhitzen und evtl. zu schmelzen beginnen. Ein Bauteil, dass so langgestreckt ist wie eine Kurbel, kann durchaus 10 Minuten benötigen. Eine Schmiedepresse benötigt dafür nur wenige Sekunden und kann in einem Arbeitsschritt sogar mehrere Bauteile gleichzeitig fertigstellen.

CNC Fräsen sind komplizierte Maschinen, die mit Servomechanik und Messinstrumenten vollgestopft ist. Eine CNC Fräse hat mindestens sechs Motoren (inklusive des Antriebs und Pumpen für Öl und andere Kühlflüssigkeiten). Laufzeitkosten von 1 €/Minute oder mehr sind üblich. Dabei sind die Computer nicht einmal der Löwenanteil bei den Kosten.

Zuguterletzt bleibt das Problem der Widerstandsfähigkeit. Wenn man Metall nur fräst, erhält man nicht die eng gepresste Oberfläche eine geschmiedeten Bauteils. Im schlimmsten Fall können innen liegende Kanten mit scharfen Anschlüssen über bleiben. Das sind Zonen mit erhöhter Belastung, an denen leicht Risse entstehen können. Insbesondere Aluminium ist anfällig dafür und Titan ist sogar noch empfindlicher.

Vorteile des CNC-Fräsens

Beim Schmieden lassen sich keine spitzen Innenwinkel herstellen. Sonst würde man das Bauteil nicht mehr aus der Form lösen können. Daher müssen alle Innenwinkel größer als 90° sein. Zudem müssen sie gerundete Ecken haben, weil sonst in der Form das Metall nicht in die Ecken gepresst sondern dort abgeschnitten würde.

CNC Fräsen hat solche Restriktionen nicht. Wenn man jedoch schön gerundete Kanten haben möchte, muss man zwischenzeitlich das Fräswerkzeug tauschen. Mit einem flachen Werkzeug entfernt man das überschüssige Metall an den flachen Stellen und man benötigt ein gerundetes Werkzeug, um gerundete Innenwinkel zu fräsen. Um also Zonen mit hoher Belastung auszugleichen benötigt man wieder mehr teure Maschinenzeit.

Warum CNC?

Wenn man obige Abschnitte liest, kann man sich fragen, warum man überhaupt CNC Fräsen für Fahrradbauteile einsetzt. Die Formen (Gesenke), mit denen geschmiedet wird, werden CNC gefräst. Dadurch wurden die Werkzeugkosten für das Schmieden erheblich gesenkt. Den größten Fortschritt hat das CNC Fräsen durch das Militär erlebt. Wenn man nur etwa 30 irgendwelcher Dinger mit komplizierter Form bauen will, ist CNC Fräsen genau richtig.

Die Friedensdividende der 1980er und 1990er Jahre hinterließ einen Haufen Werkstätten mit CNC Fräsen. Da die Kosten einer nicht ausgelasteten Maschine leicht über die Hälfte der Kosten ausmacht, die eine voll ausgelastete Maschine erzeugt, wurden Aufträge gesucht, um nicht bankrott zu gehen. Daher wurde nach Dingen gesucht, die Geld in die Kasse spülen. Dabei entstanden Vitrinen-Teile und andere Dinge, bei denen man mit "Weltraumtechnik" Marketing betreiben konnte und die Nachteile von CNC zu überdecken. (Bezüglich dessen lohnt sich auch ein Blick in den Golfsport und in Auto-Tuning Abteilungen)

Eine Presse ist eine große und schwere "Low-Tech" Maschine, die sehr geringe Wartungs- und Betriebskosten hat. Man bekommt sie einfach nicht kaputt. Die kompliziertes Teile an dieser Maschine sind die Sensoren, die dafür Sorgen, dass der Maschinist nicht zwischen die Maschinenteile gerät. Sie besteht entweder aus einem Motor, der eine Hydraulikpumpe eintreibt, oder einer Gesenkschmniede, die von einer Mechanik angehoben und wieder fallen gelassen wird (RUMMS!!). Keine tollen Messgeräte, kein Computer - außer man hat einen Roboter daneben stehen, der Rohlinge einlegt und fertige Teile heraushebt.

Warum Schmieden?

CNC Fräsen ist eine gute Ergänzung zum Schmieden. Es gibt eine Menge Formen, die sich durch Schmieden nicht herstellen lassen. Innenliegende Gewinde sind dafür ein Beispiel. So nimmt man die rohe geschmiedete Kurbel aus der Presse, spannt sie in die CNC Fräse, um Löcher für die Pedale mit Innengewinde, Kurbelabzieher und Löcher für die Kettenblattschrauben zu schneiden. Natürlich kann man auch in echter Massenproduktion einfach eine billige Maschine nehmen, die ausschließlich diese drei Tätigkeiten durchführen kann.

Wenn man weiß, dass man pro Jahr 50.000 Stück produziert und jedes mal diese 5 Löcher im 110 mm Lochkreis zu bohren hat, programmiert man die CNC Fräse, um eine Halterung zu fertigen, die fünf Bohrer genau im richtigen Kreis halten kann und immer einheitliche Löscher bohrt. Ein weiterer Gewindebohrer wird von der Halterung für das Kurbelabzieherloch gehalten, die letzte Halterung ist für den Gewindebohrer für das Pedalgewinde. Das funktioniert jeweils schneller und wesentlich billiger als jedes einzelne Teil von einer CNC Fräse machen zu lassen, die immer nur maximal 2 Löcher auf einmal herstellen kann und immer wieder Zeit benötigt, das Bauteil in die richtige Position zu bringen. Keine der beiden Herstellungsvarianten benötigt einen fähigen Machinisten und man kann auch eine Maschine bauen, die einfach nur die Bauteile von der einen zur nächsten Maschine bewegt, sowie eine weitere Maschine, die die fertigen Teile stapelt. Das ist nicht perfekt, weil jede Maschine immer nur genau eine Aufgabe übernehmen kann. Wenn man einen anderen Lochkreis produzieren will, macht man sich eine neue Maschine. Möglicherweise ist es ratsam, einzelne Teile austauschbar zu machen, wenn man zum Beispiel unterschiedliche Kurbellängen (z.B. 170 und 175) herstellen möchte. Möglicherweise sind auch zwei Maschinen günstiger.

Tatsächlich (so glaubte Sheldon Brown werden jedes mal die gleichen unfertigen Kurbeln geschmiedet und diese einfach auf die gewünschte Länge gekürzt. Das dürfte allerdings bei hochwertigen Modellen nicht der Fall sein.

Quelle

Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Forging, Casting and CNC Machining von der Website Sheldon Browns. Originalautoren des Artikels sind Sheldon Brown und Jeff del Papa.

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