Sie haben bestimmt schon einmal an einer Maschine gestanden, die mindestens so groß war wie Ihr Wohnzimmertisch, auf dem ein Auto hätte stehen können – und dann gesehen, wie sie mit der ruhigen Laune eines Malers, der eine Bleistiftskizze zeichnet, Metall schnitt. Diese Aufnahme zeigt, was große CNC-Maschinen (Computerized Numerical Control) ausmacht. Während Teile, die in herkömmlichen CNC-Werkstätten bearbeitet werden, aus der Handfläche herausragen, werden Bauteile in bestimmten Branchen in Metern und nicht in Millimetern gemessen.
In den folgenden Unterabschnitten wird erläutert, wie Werkstätten präzise Schnitte erzielen, welche Maschinen sie verwenden und welche Gefahren eine Fehlentscheidung birgt, wenn viele Optionen auf einer falschen Wahl basieren. Dies kann zu kostspieligen Fehlern führen. Ob Portalfräsmaschinen oder tragbare Lasertracker – dieses Buch geht in die Tiefe, ohne den Leser mit Fachbegriffen zu überfordern.
„Groß“ ist ein bewegliches Ziel. Ein Bearbeitungszentrum mit einem 1 m × 2 m großen Tisch wirkt in einem Werkzeugbau riesig, wirkt aber neben einer 20 m auf Schienen verfahrbaren Brückenfräse bescheiden. In der Industriepraxis werden große Werkstücke oft als alles definiert, was außerhalb des ISO 40-Werkzeugwechslerbereichs liegt oder schwerer ist als die sichere Hubhöhe eines Gabelstaplers. Zu den praktischen Merkmalen gehören:
● Tischlänge über 3 m bzw. Stützenabstand über 2 m
● Z-Achsen-Hub größer als 1 m
● Teilegewicht, für das ein Brückenkran und kein Palettenwagen erforderlich ist
Herkömmliche Bearbeitungszentren basieren auf Gusseisenrahmen und einem kastenförmigen Arbeitsbereich. Große CNC-Maschinen erweitern diese Architektur. Säulen können auf im Werkstattboden eingelassenen Schienen laufen, während Querschienen auf und ab bewegt werden, um Werkstücke unterschiedlicher Höhe zu bearbeiten. Die thermische Drift nimmt mit der Länge zu, daher gehören Kompensationsroutinen zum täglichen Einrichten und sind keine optionalen Extras. Die Vorschubgeschwindigkeiten werden reduziert, um Vibrationen zu dämpfen, und die Werkzeughalter werden länger, um tiefe Taschen zu erreichen, ohne die Spindelnase zu beschädigen.
Große CNC-Bearbeitung Der Materialabtrag erfolgt weiterhin mit rotierenden oder hin- und hergehenden Fräsern. Eine Steuerung steuert die Achsenmotoren. Der G-Code gibt der Maschine vor, wann beschleunigt, abgebremst und der Offset geprüft werden soll. Mehrachsige Bewegung – drei, vier, fünf oder sogar sieben Achsen – ermöglicht es dem Bohrer, komplexe Winkel mit nur einer Einstellung zu erreichen. Der Maßstabswechsel bedeutet, dass sich jeder kleine Fehltritt auf die Größe der Arbeitsfläche auswirkt. Daher halten die Bediener Sonden und Sensoren fest, um den Fräser auf Kurs zu halten.
Manchmal hilft es, einen Schritt zurückzutreten und die gängigsten Großformatmaschinen auf einen Blick zu vergleichen. Die folgende Tabelle zeigt den Arbeitsbereich jedes Typs, seine Hauptstärken und die Aufgaben, bei denen er in der Regel die besten Ergebnisse liefert.
Maschinentyp | Typischer Arbeitsbereich (L × B × H) | Hauptstärken | Häufige Anwendungen |
Portal-/Brückenmühle | 3 – 20 m × 2 – 6 m × 1 – 3 m | Bearbeitet sehr breite Teile in einem Setup; flexible Kopfoptionen | Flugzeugflügelholme, Windturbinennaben und große Formen |
Horizontal-Bohrwerk in Plattenbauweise | 5 – 30 m × 2 – 4 m × 2 – 6 m | Tieflochbohren und Plandrehen; Drehtische für schwere Gussteile | Turbinengehäuse, Motorblöcke und Hydraulikverteiler |
Langbett-Drehzentrum | Ø 0,5 – 4 m × Länge 3 – 12 m | Starre Unterstützung für Wellen; angetriebene Werkzeuge für Nuten und Abflachungen | Antriebswellen, Propellernaben, Schienenachsen |
Mehrzweck-Fräs-Drehmaschine | 2 – 10 m × 1 – 3 m × 1 – 3 m | Kombiniert Fräsen und Drehen; weniger Teiletransfers | Satellitenstrukturen, komplexe Ventilkörper |
Großflächenschleifer | 1 – 6 m × 0,5 – 3 m × 0,5 – 1 m | Erzielt eine hohe Ebenheit und Oberflächengüte auf harten Materialien | Pressplatten, Werkzeugmaschinenbetten, Panzerplatten |
Stellen Sie sich einen Brückenkran vor, der über einem Maschinenbett steht. Der Querträger – das Portal – trägt einen Fräskopf, der hin und her schwenkt. Schienen an beiden Seiten führen das Portal, während massive Kugelumlaufspindeln oder Zahnstangenantriebe es vorwärts bewegen. Viele Portalfräsmaschinen unterstützen austauschbare Köpfe: Hochgeschwindigkeitsspindeln für Aluminium, Zahnradfräsköpfe für Antriebsgehäuse und rechtwinklige Aufsätze für tiefe Seitenwände. Einige Modelle sind sogar mit additiven Köpfen für hybride Build-and-Cut-Zyklen ausrüstbar.
Horizontalbohrwerk, oft kurz HBM genannt, dreht eine lange Stange, die am Boden ausgerichtet ist. Die Stange gleitet in den Spindelstock hinein und heraus, um zu bohren, auszubohren oder zu plandrehen, ohne das Werkstück neu positionieren zu müssen. Große HBMs sind mit Drehtischen ausgestattet, die 30-Tonnen-Schmiedeteile bearbeiten. Extralange DRO-Skalen erfassen Bewegungen mit einer Auflösung im Submikrometerbereich und verwandeln langsame, schwere Schnitte in Präzisionselemente.
Bei einer Wellenlänge von sechs Metern biegen sich herkömmliche Drehmaschinen unter der Last durch. Hochleistungsdrehzentren verfügen über Doppelspindeln, Lünetten und hydrostatisch gelagerte Reitstöcke. Viele sind mit angetriebenen Werkzeugrevolvern oder Frässpindeln ausgestattet, wodurch Drehen und Fräsen in einem Arbeitsgang kombiniert werden. Drehachsen (C und B) indexieren das Werkstück, sodass die Fräser Keilnuten oder Ölnuten ohne zusätzliches Einrichten erreichen.
Klemmen, Schraubstöcke und Spannfutter lassen sich mit der Plattform erweitern. Modulare Spanntürme werden in T-Nuten verschraubt und lassen sich schnell umbauen. Hydraulische Klemmen sparen Kraft, da 60 Schrauben sonst einen halben Tag Schraubenarbeit erfordern würden. Um Vibrationen zu vermeiden, schieben Maschinisten wolframgefüllte Stangen in Bohrwerkzeuge, wodurch die Masse leicht verändert und Vibrationen gedämpft werden.
Umfangreiche Arbeiten beginnen typischerweise mit dem Planfräsen – dem Abschleifen der Oberfläche, um eine saubere Referenz zu schaffen. Die Fräser reichen vom 200-mm-Walzenfräser bis zum 400-mm-Schlagfräser. Konturschnitte, anschließend Kanten und Rippen. Es folgen Taschen, oft drei- bis viermal tiefer als der Werkzeugdurchmesser. Extra lange Verlängerungen halten die Schäfte von den Werkzeugwänden fern; jeder zusätzliche Zentimeter erhöht den Schwenkbereich, sodass die Spindeldrehzahlen moderat bleiben. Schlichtschnitte glätten die Oberflächen und erfüllen Vorgaben wie Ra 1,6 µm.
Rohschmiedeteile werden mit Maßangabe und Entformungsschräge geliefert. Schruppwerkzeuge zerspanen sie in einem Wirbel aus blauen Spänen, sodass 3–5 mm Rest übrig bleiben. Hartmetalleinsätze mit positivem Spanwinkel schneiden freier und kühler, was bei späteren Wärmerichtschritten Zyklen spart. Die Werkzeuge werden fertig bearbeitet, um anschließend die Durchmesser auf ±0,02 mm genau zu bringen – ein engeres Band, als viele von Teilen in der Größe von Telefonmasten erwarten.
Manche Träger in der Luft- und Raumfahrt benötigen mehrere Meter lange Schmierkanäle. Einlippenbohrer, Auswerferbohrer und BTA-Bohrer erfüllen diese Aufgabe. Kühlmittelzufuhr durch die Spindel spült Späne aus, sodass diese nicht in der Bohrung verschweißen. Um Gewinde ab M60 zu schneiden, greifen Maschinen auf starre Gewindebohrer mit Drehmomenthaltern zurück. Stufenbohren schont die Lebensdauer des Gewindebohrers; jede Vorbohrung gibt den Weg für das größere Werkzeug vor.
Wenn die Toleranzanforderungen unter zehn Mikrometer fallen, übergeben die Fräser die Schleifmaschinen. Brückenschleifmaschinen gleiten über das Werkstück wie ein Seidenband über eine Geschenkbox. CBN-Scheiben schleifen sich durch harte Nitrierschichten, ohne zu belasten. Anschließend werden die Ebenheitsprüfungen mit Autokollimatoren oder Laserinterferometern an mehreren Punkten der Oberfläche durchgeführt.
Manche Werkstätten schweißen Baugruppen auf dem Bohrwerktisch und bearbeiten sie anschließend in derselben Einspannung. Das spart Hubarbeitsbühnen und beschleunigt die Ausrichtung. Nach dem Schweißen beseitigen Fräser wärmebedingte Verformungen. Die Zusammenarbeit zwischen Fertigung und Bearbeitung ist nahtlos, wenn beide Teams dasselbe Koordinatensystem nutzen.
Kohlenstoffstähle der unteren Preisklasse (A36, 1045) eignen sich hervorragend für Pressenrahmen, Kranausleger usw. Legierungsgüten (4140, 4340) sorgen für zusätzliche Zugfestigkeit von Wellen, die einer Drehbelastung ausgesetzt sind.
Die Giganten der Luft- und Raumfahrtindustrie wählen Platten aus 7050 und 7055 für Holme. Aluminium-Lithium-Varianten sparen Gewicht und bleiben dennoch steif – ideal für Satellitendecks.
Öl- und Gasverteiler aus 17-4 PH oder Duplex-Edelstahl sind korrosionsbeständig in Salzlake. Hitzebeständige Stähle – A286, Incoloy 800 – werden im Inneren von Kraftwerken eingesetzt.
Titan 6-4 vereint geringe Dichte und hohe Streckgrenze, stumpft Werkzeuge jedoch aufgrund seiner gummiartigen Beschaffenheit schnell ab. Superlegierungen – Inconel 718 und Hastelloy X – trotzen 700 °C heißen Abgasströmen, treiben die Spindelbelastung jedoch bis an den Rand des Red Dot.
Nicht jedes große Teil besteht aus Metall. Kohlefaserplatten für Rennwagen-Monocoques lassen sich mit diamantbeschichteten Fräsern sauber bearbeiten. UHMW-PE-Auskleidungen für Schüttgutrutschen sind abriebfest und gleiten geräuschärmer über Rollen.
Aluminium wächst etwa 23 µm pro Meter und °C. Bei einer 10 m langen Platte verschiebt eine Temperaturschwankung von 5 °C die Löcher um mehr als die Dicke eines Blattes Papier. Werkstätten installieren Klimatisierungssysteme, die die Temperatur auf ±1 °C genau halten. Ist dies nicht möglich, messen Maschinen unmittelbar vor dem Schnitt Referenzpunkte und aktualisieren die Abweichungen in Echtzeit.
Jeder Motorschritt wird auf einem flexiblen Rahmen weitergeführt. Portalsäulen wiegen viele Tonnen und biegen sich dennoch unter Last. Konstrukteure gießen Polymerbeton in Hohlräume, um die Gussteile ohne massive Stahlrippen zu versteifen. Am Boden schützen Isolierplatten die Maschine vor dem durch den Beton dringendem Vibrationsgeräusch eines Gabelstaplers.
Lasertracker schießen Strahlen auf retroreflektierende Kugeln, um die Koordinaten eines Teils über eine Spannweite von 30 m auf 0,020 mm genau abzubilden. Tragbare Koordinatenmessarme werden am Tisch befestigt und greifen in die Taschen, um Live-Messungen durchzuführen. Prozessbegleitende Messtaster prüfen die Merkmale zwischen den Durchläufen und vermeiden so das „Schneiden, Kranen, Messen, Kranen, Nachschneiden“-Karussell.
Flügelholme dehnen sich wie das Rückgrat eines fliegenden Wals. Durch das Fräsen aus einem Stück entfallen Befestigungsreihen, das Gewicht wird reduziert und Ermüdungsrisse werden minimiert. Fahrwerksträger aus 300M-Stahl tragen die volle Stoßbelastung beim Aufsetzen; ihre Seitenwände müssen auf Bruchteile eines Millimeters parallel bleiben, um Seitenlastschwingungen zu vermeiden.
Dampfturbinengehäuse, jedes so groß wie ein Lieferwagen, benötigen flache Anschlussflansche, um den Druck abzufangen. Windturbinennaben wiegen 50 Tonnen, müssen aber Rotorblattschrauben aufnehmen können, die auf 0,05 mm genau ausgerichtet sind, um Vibrationen bei 10 U/min zu verhindern.
Spritzgussformen für Muldenkipper-Karosserien sind von Ende zu Ende 12 m lang. Ein Brückenfräswerk konturiert den inneren Bogen, sodass Stanzwerkzeuge Platten ohne Beulen formen. Baggerrahmen aus dicken Blechen weisen Bohrwerke auf, die Stiftlöcher öffnen, in denen gehärtete Buchsen für den Armdrehpunkt befestigt sind.
Propellernaben, oft aus Nickel-Aluminium-Bronze, entstehen aus Rohgussteilen voller gekühlter Vertiefungen. CNC-Dreh- und Fräsmaschinen bearbeiten sie in einer Aufspannung. Unterwassergehäuse für ROV-Triebwerke erfordern O-Ring-Nuten mit spiegelnden Oberflächen; ein Ausrutscher hier führt innerhalb weniger Minuten zur Überflutung der Elektronik.
Trägerraketen-Schotten vereinen Taschen, Rippen und Kuppelflansche in übergroßen monolithischen Schmiedeteilen. Dank präziser Bearbeitung überstehen sie kryogene Zyklen während des Aufstiegs. Panzerplatten für Landsysteme werden über Fahrständerfräsen geführt, die Bolzenfenster ohne Verformung einfräsen.
Eine riesige Maschine spannt das gesamte Werkstück einmal ein. Durch diese einmalige Einspannung werden Stapelfehler vermieden, die durch das Bewegen von Teilen zwischen den Vorrichtungen entstehen.
Konstrukteure fügen bisher getrennte Rippen, Häute und Stege zu einem Block zusammen. Weniger Schweißnähte bedeuten kürzere Montagezeiten und weniger Prüfaufwand.
Vor der Einführung großer CNC-Maschinen konnte die Fertigstellung eines Wasserturbinenlaufrads Monate des Schablonenabzeichnens und Handschleifens dauern. Heute laden Programmierer ein Modell, simulieren Späne und beginnen noch in derselben Woche mit der Schruppbearbeitung.
Die digitale Steuerung wiederholt die Werkzeugwege auf den Mikrometer genau. Die Oberflächenrauheit bleibt vom ersten bis zum fünfzigsten Teil innerhalb der Spezifikation, selbst wenn die Bediener die Schichten wechseln.
Die Titanpreise steigen mit der Nachfrage in der Luft- und Raumfahrtbranche. Aluminiumplatten mit einer Dicke von über 150 mm erfordern möglicherweise Direktbestellungen vom Werk. Lieferanten bieten pro Pfund an, aber die Versandkosten explodieren, wenn die Platten die LKW-Ladeflächen überschreiten.
Werkstätten erfassen die tatsächlichen Spindelminuten mithilfe eingebauter Zähler. Schruppen mit 5 mm Tiefe und Schlichten mit 0,5 mm Tiefe kosten nicht dasselbe. Die Stundensätze steigen, um Abschreibung, Bedienerlöhne und Instandhaltungsrücklagen abzudecken.
Hartmetalleinsätze halten in Inconel nur halb so lange wie in 6061-Aluminium. Die Einsparung frischer Schneidkanten vermeidet unerwartete Produktionsunterbrechungen. Manche Werkstätten nutzen Automaten, die die ID jedes Einsatzes erfassen und so die Verschleißdaten mit Schichten und Aufträgen verknüpfen.
Große Teile erfordern häufig eine Prüfung durch Dritte gemäß ASME Y14.5 oder ISO 2768. Die Miete eines tragbaren Koordinatenmessgeräts und die Reisekosten des Prüfers werden zusätzlich in Rechnung gestellt. Übersteigt ein fertiges Modul die Höhe von 4,2 m, werden spezielle Tieflader, Streckenvermessungen und Polizeieskorten in Rechnung gestellt.
Überprüfen Sie Länge, Breite, Höhe des Arbeitsbereichs, Spindelleistung, maximale Tischbelastung und Anzahl der angetriebenen Achsen. Ein Mangel in einem dieser Werte führt zum Abbruch des Programms.
ISO 9001 zeigt die grundlegende Prozesskontrolle. AS9100 signalisiert Genauigkeit in der Luft- und Raumfahrt. API Q1 oder Q2 werden in der Öl- und Gasindustrie bald eine Rolle spielen. Ohne sie werden Prüfer die Dokumentationsspuren in Frage stellen.
Fotos fertiger Teile verraten mehr als Broschüren. Fordern Sie Daten zur Oberflächenbeschaffenheit, Erstmusterprüfberichte und Kundenreferenzen an.
Liefertermine verschieben sich, wenn die Maschinen an ihre Kapazitätsgrenzen stoßen. Zusätzliche Spindelzeiten, Wochenendschichten und Schnellwechselvorrichtungen federn Nachfragespitzen ab. Auch Nachbesserungen nach dem Verkauf – Plansenkungen oder zusätzliche Löcher – erfordern flexible Zeitpläne.
Große CNC-Bearbeitungen bringen Präzision in Laborqualität in Komponenten, die so schwer sind wie Stadtbusse. Portalfräsmaschinen, HBMs und Langbettdrehmaschinen, gepaart mit Lasertrackern und Klimaanlagen, machen diese Leistung fast zur Routine. Materialverhalten, Vibrationen und thermische Drift stellen die Entwicklungsteams nach wie vor auf die Probe. Kluge Käufer sollten daher vor der Entscheidung die Rahmenbedingungen, Zertifizierungen und Erfolgsbilanz einer Werkstatt prüfen.
Eine ehrliche Prüfung bestehender Produktionslinien deckt oft Baugruppen auf, die unter einer Hochleistungsspindel zu einzelnen, stabileren Teilen verkleinert werden könnten. Dadurch verkürzen sich die Lieferzeiten, die Qualität steigt und Projekte werden mit weniger nächtlichen Hektiken vorangetrieben. Um zu prüfen, ob die Bearbeitung übergroßer Teile den nächsten Bau rationalisieren würde, sammeln Sie Zeichnungen, listen Sie Toleranzengpässe auf und sprechen Sie mit einem bewährten Großformatpartner.
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