Was versteht man unter 3+2-Achsen-Bearbeitung?

Bei der Bearbeitung mehrseitiger Werkstücke stehen Werkstätten in der Regel vor zwei Extremen: Entweder sie bleiben bei einer 3-Achsen-Maschine und nehmen das ständige manuelle Wenden, das erneute Ausrichten der Werkstücke, die verschwendete Zykluszeit und die sich kumulierenden Toleranzfehler in Kauf – oder sie investieren in eine teure simultan arbeitende 5-Achsen-Fräsmaschine und stellen sich der damit verbundenen komplexen Programmierung und Kollisionssimulation.

Hier kommt die 3+2-Achsen-Bearbeitung als ultimativer Sweet Spot mit hoher Kapitalrendite ins Spiel. Die Logik ist einfach: Man nutzt die Drehachsen, um das Werkstück in einen bestimmten Winkel zu neigen und zu arretieren, und führt dann hochsteife Zerspanungsvorgänge durch, genau wie bei einer herkömmlichen 3-Achsen-Maschine.

Einfach ausgedrückt löst es ein zentrales Problem: Wie lässt sich eine “mehrseitige Bearbeitung in einer Aufspannung” mithilfe der einfachsten 3-Achsen-Programmierung und der stabilsten mechanischen Steifigkeit erreichen?.

In diesem Artikel wird die 3+2-Achsen-Bearbeitung anhand von sieben wesentlichen Aspekten näher beleuchtet: Definition, Funktionsprinzip, Maschinenkonfigurationen, Prozessvorteile, Kostenaufschlüsselung, technischer Vergleich (3-Achsen-Bearbeitung vs. 3+2-Achsen-Bearbeitung vs. simultane 5-Achsen-Bearbeitung) sowie DFM-Richtlinien (Design for Manufacturing).

Was versteht man unter 3+2-Achsen-Bearbeitung?

Viele fragen sich, warum wir von “3+2” sprechen, obwohl die Maschine doch eindeutig fünf physikalische Achsen nutzt.

Der Name spiegelt tatsächlich die zugrunde liegende Kinematik treffend wider. Bei der 3+2-Achsen-Bearbeitung (in der Branche gemeinhin als „positional“ oder „indexiert“ 5-Achsen-Bearbeitung bezeichnet) werden die räumliche Positionierung und der eigentliche Zerspanungsvorgang im Wesentlichen in zwei getrennte Phasen unterteilt:

Zu Beginn des Prozesses drehen sich die beiden Drehachsen der Maschine, um das Werkstück oder den Spindelkopf auf den gewünschten Raumwinkel auszurichten. Nach der Positionierung werden die Drehachsen mechanisch oder hydraulisch geklemmt, um eine hochsteife Arretierung zu gewährleisten. Während des anschließenden Zerspanungsvorgangs sind diese Drehachsen an keiner Interpolationsbewegung beteiligt; die Bearbeitung erfolgt vollständig über die linearen X-, Y- und Z-Achsen und verläuft genau wie beim herkömmlichen 3-Achsen-Fräsen. Erst nachdem das aktuelle Merkmal fertiggestellt ist, werden die Drehachsen entriegelt, auf den nächsten Winkel indexiert und für den nächsten Zyklus erneut arretiert.

Dies ist der grundlegende Unterschied zwischen der 3+2- und der simultanen 5-Achsen-Bearbeitung: Bei der simultanen Bearbeitung müssen alle 5 Achsen während des Zerspanungsvorgangs dynamisch interpolieren und kompensieren, während bei der 3+2-Achsen-Bearbeitung die Drehachsen während des Zerspanungsvorgangs vollständig statisch und starr arretiert bleiben müssen.

Folglich wird auf Steuerungsebene die 3+2-Achsen-Bearbeitung weiterhin als 3-Achsen-Bearbeitung programmiert und ausgeführt. Dabei werden lediglich die räumlichen Positionierungsmöglichkeiten einer 5-Achsen-Plattform genutzt, um herkömmliche 3-Achsen-Einrichtungen zu optimieren.

So funktioniert die 3+2-Achsen-Bearbeitung

Um eine 3+2-Achsen-Bearbeitung erfolgreich durchzuführen, müssen die CNC-Steuerung, die Maschinenhardware und die CAM-Software in den folgenden drei Schritten koordiniert zusammenarbeiten:

Schritt 1: Koordinatensystemumwandlung (TWP)

Bei der herkömmlichen 3-Achsen-Bearbeitung bewegt sich das Werkzeug ausschließlich innerhalb eines festen Werkstückkoordinatensystems (WCS). Sobald die Drehachsen das Werkstück neigen, steht das ursprüngliche Koordinatensystem nicht mehr senkrecht zur Werkzeugachse.

Um dieses Problem zu beheben, nutzt die CNC-Steuerung eine Koordinatentransformationstechnik namens „Tilted Working Plane“ (TWP) – diese wird in der Regel über den Befehl G68.2 bei FANUC oder die PLANE-Funktion bei Heidenhain ausgeführt.

Die Logik ist einfach: Sobald die Drehachsen ihre Positionierung abgeschlossen haben, erstellt die Steuerung mithilfe mathematischer Matrizen eine temporäre, virtuelle 3-Achsen-Ebene auf der geneigten Oberfläche. Dadurch kann das Programm Standardbefehle für die X-, Y- und Z-Achse ausführen, ohne dass die Steuerung wie bei der simultanen 5-Achsen-Bearbeitung dynamische Berechnungen des Werkzeugmittelpunkts in Echtzeit durchführen muss.

Schritt 2: Mechanische Klemmung der Drehachsen

Die Eignung der 3+2-Achsen-Bearbeitung für schwere Zerspanungsaufgaben hängt in hohem Maße von ihrem physikalischen Spannmechanismus ab.

Sobald die Drehachsen das Werkstück auf den Sollwinkel ausgerichtet haben, stützt sich die Maschine nicht mehr auf das elektromagnetische Haltemoment der Servomotoren, um den Schnittkräften standzuhalten. Stattdessen werden sofort Hochdruck-Hydraulik- oder Pneumatikbremsen im Drehtisch oder Schwenkkopf aktiviert. Bei Maschinen mit hoher Steifigkeit werden häufig Curvic-Kupplungen zur formschlüssigen mechanischen Verriegelung eingesetzt.

Diese starre Verriegelung verwandelt die Drehachsen in eine solide, statische Konstruktion, wodurch Schnittvibrationen und Stoßkräfte direkt auf den Maschinenbettguss übertragen werden, um die Prozessstabilität zu gewährleisten.

Schritt 3: CAM-Bahnplanung und Übergänge

In CAM-Software basiert die Programmierlogik der 3+2-Achsen-Bearbeitung auf einer ebenenbezogenen Programmierung. Der Programmierer muss lediglich verschiedene Bearbeitungsebenen und die entsprechenden Werkzeugachsenrichtungen definieren. Der Postprozessor fügt dann automatisch eine sichere Übergangssequenz zwischen diesen Ebenen ein. Die Standard-Bewegungssequenz lautet:

Werkzeug auf Sicherheitshöhe zurückziehen → Drehachsen entriegeln und indexieren → Drehachsen festspannen → Eintauchen und fräsen.

Diese Logik verhindert jegliche Kollision zwischen Werkzeug, Werkstück und Spannvorrichtungen während der Drehbewegungen.

Maschinen und Anlagen für die 3+2-Achsen-Bearbeitung

In der Serienfertigung erfolgt die 3+2-Achsen-Bearbeitung auf CNC-Maschinen weltweit führender Hersteller. Je nach mechanischer Bauweise lassen sich diese Maschinen im Allgemeinen in zwei Hauptkategorien einteilen:

Kategorie 1: 5-Achsen-Maschinen mit Drehzapfen (Tisch-Tisch)

Bei einer Schwenkmaschine sind die beiden Drehachsen (in der Regel die A- und die C-Achse) in den Arbeitstisch integriert. Die Spindel bleibt in einer festen vertikalen Position, während sich das Werkstück wie eine Wiege neigt und dreht. Dies ist die beliebteste Maschinenkonfiguration für die 3+2-Achsen-Bearbeitung, da sie eine hervorragende Zerspanungssteifigkeit bietet.

Haas Automation – UMC-Serie

Typische Modelle: Haas UMC-750 oder UMC-500.

Wichtigste Merkmale: Es handelt sich hierbei um äußerst beliebte 5-Achs-Maschinen, die weltweit in Werkstätten zum Einsatz kommen. Aufgrund ihrer Erschwinglichkeit und ihrer benutzerfreundlichen Steuerungssysteme werden sie in vielen Werkstätten gezielt als hocheffiziente 3+2-Achs-Maschinen zur Bearbeitung von Verteilerrohren, Ventilkörpern und mehrseitigen Bauteilen eingesetzt.

DMG MORI – DMU-Baureihe

Typische Modelle: DMG MORI DMU 50.

Wichtigste Merkmale: DMG MORI gilt in der Branche als Maßstab für Präzision. Die Maschinen des Unternehmens zeichnen sich durch äußerst robuste Spindeln und eine steife Bettkonstruktion aus, die bei der Ausführung anspruchsvoller 3+2-Positionen-Schruppzyklen eine außergewöhnliche Zerspanungssteifigkeit gewährleisten.

Kategorie 2: 5-Achsen-Maschinen mit Schwenkkopf (Head-Head)

Bei einer Maschine mit Schwenkkopf bleibt der Arbeitstisch stationär. Die beiden Drehachsen (in der Regel die B- und die C-Achse) sind in den Spindelkopf integriert. Die Spindel neigt das Werkzeug in die gewünschten Winkel, während der Tisch das Gewicht trägt. Diese Bauweise eignet sich ideal für die Bearbeitung sehr großer, schwerer Bauteile.

Okuma – MU-Serie

Typische Modelle: Okuma MU-5000V.

Wichtigste Merkmale: Als führender japanischer Maschinenbauer ist Okuma für seine hohe thermische Stabilität und Spindelsteifigkeit bekannt. Sobald der Schwenkkopf für die 3+2-Bearbeitung arretiert ist, steht seine Steifigkeit der einer herkömmlichen 3-Achsen-Fräsmaschine in nichts nach.

Mazak – VARIAXIS-Serie

Typische Modelle: Mazak VARIAXIS i-700.

Wichtigste Merkmale: Bekannt für seine außergewöhnlichen Multitasking-Fähigkeiten. Die fortschrittliche Smooth-CNC-Steuerung von Mazak bietet eine hervorragende algorithmische Unterstützung für Koordinatensystemtransformationen (TWP) und gewährleistet schnelle, flüssige Übergänge zwischen geneigten Ebenen.

Alternative Lösung: Nachrüstung einer 3-Achsen-Maschine

Wenn ein Betrieb nur über ein begrenztes Budget verfügt und keine brandneue 5-Achs-Maschine anschaffen möchte, ist die Aufrüstung eines vorhandenen 3-Achs-Vertikalbearbeitungszentrums (VMC) eine sinnvolle Lösung.Der Ansatz: Ein hochwertiger 2-Achsen-Drehtisch (oder -Platte) wird auf dem Arbeitstisch einer vorhandenen 3-Achsen-Maschine installiert. Branchenübliche Marken: Japanische Drehtische wie Tsudakoma werden für diesen Zweck häufig eingesetzt und verleihen einer standardmäßigen 3-Achsen-Fräsmaschine sofort eine 3+2-Achsen-Positionierfähigkeit.

Warum sollte man sich für die 3+2-Achsen-Bearbeitung entscheiden?

Warum ist die 3+2-Achsen-Bearbeitung so beliebt? Sie löst die genauen Probleme der 3-Achsen- und der simultanen 5-Achsen-Bearbeitung anhand von drei einfachen Punkten:

• Einmalige Einrichtung, Stapeln ohne Toleranz: Die Bearbeitung mehrerer Seiten auf einer 3-Achsen-Fräsmaschine erfordert fünfmaliges manuelles Wenden, was zu Einrichtungsfehlern führt. Mit dem 3+2-Verfahren lassen sich fünf Seiten in einer einzigen Aufspannung bearbeiten – das spart Arbeitsaufwand und verhindert kumulative Toleranzen.
• Kürzere Werkzeuge, höhere Steifigkeit: Durch das Neigen des Werkstücks rückt die Spindel näher an die Schnittfläche heran. Dadurch entfallen lange, biegsame Werkzeuge, sodass kurze, steife Werkzeuge für schwere Zerspanungsvorgänge eingesetzt werden können, die vibrationsfrei sind und eine bessere Oberflächengüte erzielen.
• Einfache Programmierung, geringer Lernaufwand: Die simultane 5-Achsen-Programmierung erfordert komplexe Kollisionsvermeidung; „3+2“ ist lediglich eine Standard-3-Achsen-Programmierung auf geneigten Ebenen. Jeder 3-Achsen-Programmierer kann dies ohne nennenswerten Schulungsaufwand ausführen.

Kosten- und Wirtschaftlichkeitsanalyse

In der Machbarkeitsstudie eines jeden Fertigungsprojekts bilden die Kosten ein umfassendes Finanzmodell, das sich aus den Investitionsausgaben (CapEx) und den Betriebsausgaben (OpEx) zusammensetzt.

Erstens: Was die Investitionsausgaben (CapEx) betrifft, bietet die 3+2-Achsen-Bearbeitung eine bemerkenswerte Kapitaleffizienz. Eine hochwertige, importierte Simultan-5-Achsen-Maschine kostet in der Regel zwischen $500.000 und $1.000.000. Im Gegensatz dazu kostet eine einheimische 3+2-Achsen-Maschine nur etwa $100.000 bis $150.000. Darüber hinaus senkt die Nachrüstung einer bestehenden 3-Achsen-Fräsmaschine mit einem zweiachsigen Drehtisch die Einstiegshürde für die Hardware auf lediglich $20.000 bis $30.000. Dies verkürzt die Amortisationszeit drastisch und sorgt für eine stabile Bilanz bei kleinen bis mittleren Maschinenbaubetrieben.

Zweitens besteht ein krasser Unterschied bei den Kosten für Softwarelizenzen und Personalaufwand. Die simultane 5-Achs-Bearbeitung erfordert hochwertige CAM-Software mit Modulen für kontinuierliche Bewegungen sowie hochqualifizierte Programmierer, die in der Lage sind, komplexe dynamische Sicherheitsabstände zu berechnen. Darüber hinaus stellt die Entwicklung maßgeschneiderter Postprozessoren für kontinuierliche Bewegungen einen erheblichen Vorabaufwand dar. Demgegenüber erfordert die 3+2-Bearbeitung lediglich standardmäßige 3-Achsen-CAM-Bahnen, die auf geneigte Ebenen projiziert werden. Der Programmieraufwand bleibt praktisch identisch mit dem bei standardmäßigen 3-Achsen-Konfigurationen, sodass vorhandenes Programmierpersonal die Aufträge mit minimalem Schulungsaufwand ausführen kann und Risiken im Zusammenhang mit spezialisierten Arbeitskräften entfallen.

Schließlich liegt der langfristige Unterschied bei den Betriebskosten (OpEx). Simultane 5-Achs-Maschinen unterliegen während dynamischer Interpolationen einem kontinuierlichen, mehrachsigen mechanischen Verschleiß, was zu deutlich höheren Wartungskosten führt. Da bei der 3+2-Bearbeitung die Drehachsen bei schweren Zerspanungsvorgängen mechanisch geklemmt und arretiert werden, werden aggressive Bearbeitungskräfte direkt auf das starre Maschinenbett übertragen, anstatt von aktiven Servomotoren und Getrieben absorbiert zu werden. Dies verlängert die Lebensdauer kritischer Antriebskomponenten erheblich und minimiert katastrophale Ausfallverluste.

Typische Anwendungsbereiche und Einschränkungen

Bei der Fertigungsplanung ist die Festlegung der Grenzen der 3+2-Achsen-Bearbeitung für die Optimierung der Kapazität des Maschinenparks von entscheidender Bedeutung. Zwar eignet sich diese Bearbeitungsmethode hervorragend für die Bearbeitung komplexer Bauteile mit mehrseitigen Merkmalen, weist jedoch deutliche physikalische Einschränkungen bei der Bearbeitung durchgehender organischer Oberflächen auf.

Typische Anwendungsbereiche

Der optimale Anwendungsbereich für die 3+2-Achsen-Bearbeitung liegt bei prismatischen Werkstücken und Formen mit tiefen Kavitäten. In der Automobil-, Hydraulik- und Luft- und Raumfahrtindustrie weisen Bauteile wie Motorblöcke, Hydraulikverteiler, Getriebegehäuse und Ventilkörper zahlreiche schräge Bohrungen, Senkungen und Befestigungsflächen in verschiedenen Ausrichtungen auf. Die 3+2-Bearbeitung ermöglicht das Bohren, Gewindeschneiden und Taschenfräsen an all diesen Flächen in einer einzigen Aufspannung. Zudem ermöglicht beim Schruppen und Vorschlichten von Kunststoffspritzgussformen und Druckgussformen das Schwenken des Werkstücks den Einsatz kürzerer, wendeschneidiger Planfräser für das Hochgeschwindigkeits-Schruppen, was die Zerspanungsleistung erheblich verbessert und gleichzeitig die Spindel vor Rattern schützt.

Technische Einschränkungen

Die grundlegende Einschränkung der 3+2-Achsen-Bearbeitung besteht darin, dass keine kontinuierliche, simultane 5-Achsen-Interpolation durchgeführt werden kann. Da es sich um einen “positionellen” Prozess handelt, müssen die Drehachsen während des Zerspanungsvorgangs festgeklemmt und unbeweglich bleiben. Folglich ist bei Bauteilen mit komplexen organischen Kurven – wie beispielsweise Blisks, Laufrädern, Turbinenschaufeln oder stark konturierten Strukturteilen für die Luft- und Raumfahrt – eine simultane Werkzeugbahnbewegung zwingend erforderlich, was deren Fertigung mit 3+2-Achsen unmöglich macht. Erfordert ein Bauteil zudem häufige Wechsel zwischen stark fragmentierten Bearbeitungsebenen, führt der sich wiederholende Zyklus aus “Zurückfahren, Entriegeln, Indexieren, Spannen und Eintauchen” zu erheblichen Leerlaufzeiten, wodurch der Prozess weniger effizient ist als die kontinuierliche 5-Achsen-Bearbeitung.

3+2-Achsen-Bearbeitung im Vergleich zur kontinuierlichen 5-Achsen-Bearbeitung

Sowohl die 3+2-Achsen-Bearbeitung als auch die kontinuierliche 5-Achsen-Bearbeitung basieren auf 5-Achsen-CNC-Plattformen, nutzen die Drehachsen jedoch auf unterschiedliche Weise. Der Hauptunterschied besteht darin, dass bei der 3+2-Achsen-Bearbeitung die Drehachsen zur Positionierung verwendet werden, während bei der kontinuierlichen 5-Achsen-Bearbeitung alle fünf Achsen gleichzeitig während des Zerspanungsvorgangs zum Einsatz kommen.

Vergleich	3+2-Achsen-Bearbeitung	Kontinuierliche 5-Achsen-Bearbeitung
Achsenbewegung	Drehachsen positionieren das Werkstück oder das Werkzeug in einem festgelegten Winkel und werden während der Zerspanung arretiert. Es bewegen sich nur die X-, Y- und Z-Achsen.	Die X-, Y- und Z-Achsen sowie die Drehachsen bewegen sich gleichzeitig, wodurch eine stufenlose Änderung der Werkzeugausrichtung möglich ist.
Steifigkeit	Höhere Steifigkeit durch mechanische Verriegelung der Drehachsen, wodurch sich die Maschine für schwere Zerspanungsarbeiten und den Materialabtrag eignet.	Geringere Steifigkeit beim Schneiden, da die Drehachsen in dynamischer Bewegung bleiben.
Oberflächenqualität	Hervorragend geeignet für abgewinkelte Strukturen und vielseitige Teile, erfordert jedoch bei komplexen gekrümmten Oberflächen möglicherweise mehrere Einrichtungsvorgänge.	Ideal für komplexe Freiformflächen mit sanfteren Übergängen und weniger Werkzeugspuren.
Programmierkomplexität	Verwendet einfachere Methoden zur Koordinatentransformation wie TWP, die eine einfachere Programmierung und Nachbearbeitung ermöglichen.	Erfordert erweiterte Funktionen wie RTCP/TCPM zur Werkzeugkompensation in Echtzeit, was die Programmierung komplexer macht.
Die besten Anwendungen	Ideal für Werkstücke mit mehreren schrägen Flächen, Bohrungen, Taschen und für die allgemeine mehrseitige Bearbeitung.	Ideal für Formen, Laufräder, Turbinenschaufeln und komplex geformte Bauteile.

In der praktischen Fertigung kombinieren viele Hersteller beide Verfahren: Die 3+2-Achsen-Bearbeitung wird für die Schrupp- und Vorschlichtbearbeitung eingesetzt, um Steifigkeit und Effizienz zu maximieren, während die kontinuierliche 5-Achsen-Bearbeitung wird zur Endbearbeitung komplexer Oberflächen verwendet.

DFM-Richtlinien für die 3+2-Achsen-Bearbeitung

Um die Effizienz zu maximieren und die Kosten zu senken, sollten Sie bei der Konstruktion diese vier schnellen DFM-Regeln beachten:

• Indizierungsebenen minimieren: Ordnen Sie abgewinkelte Elemente (Bohrungen, Schlitze) auf möglichst wenigen Ebenen an. Weniger Drehungen bedeuten kürzere Zykluszeiten.
• Freiraum zu den Befestigungselementen sicherstellen: Bei erhöhten Spannvorrichtungen ist am unteren Ende des Werkstücks eine Klemmzugabe von 3 mm bis 5 mm vorzusehen. Dies verhindert Kollisionen zwischen Spindel und Spannvorrichtung beim Neigen.
• Eckenradien optimieren: Die Inneneckenradien 10% bis 20% sollten größer als der Radius des Schneidwerkzeugs sein, um ein Flattern in tiefen Aussparungen zu verhindern.
• Schräge Bohrungen ausrichten: Richten Sie die Achsen der schrägen Bohrungen nach Möglichkeit parallel aus. So kann die Maschine diese in einem einzigen Durchgang bohren, wodurch zusätzliche Indexierungen vermieden werden.

Fazit

Die 3+2-Achsen-Bearbeitung ist die perfekte Verbindung zwischen Einfachheit und Leistungsfähigkeit. Durch den Einsatz von Standard-3-Achsen-Programmierung zur Realisierung einer “Ein-Rüstung, mehrseitige Bearbeitung” bietet sie maximale Steifigkeit und Kapitalrendite bei komplexen Verteilern, Gehäusen und Formkomponenten.

Bei Xtmade nutzen wir modernste mehrachsige CNC-Technologie, um diese komplexen Konstruktionen zum Leben zu erwecken. Unser erfahrenes DFM-Entwicklungsteam prüft Ihre Dateien im Vorfeld, um Kollisionen zu vermeiden, die Bearbeitungsebenen zu optimieren und den Rüstaufwand zu reduzieren. Ganz gleich, ob Sie Rapid-Prototypen oder serienreife Bauteile benötigen – Xtmade macht die hochpräzise Fertigung einfach, schnell und äußerst kosteneffizient.