CNC FRÄSMASCHINE FÜR ALUMINIUM

Die CNC Fräsmaschine für Aluminium: Präzision, Technologie und Anwendung im Detail

 

Eine hochmoderne CNC Fräsmaschine für Aluminium ist heute weit mehr als nur ein Werkzeug zur Metallbearbeitung; sie ist das pulsierende Herz einer effizienten, präzisen und flexiblen Fertigung. In einer Industrie, die maßgeblich von den Eigenschaften des Leichtmetalls Aluminium geprägt ist – von der Automobilindustrie über die Luft- und Raumfahrt bis hin zum Bauwesen –, stellt diese spezialisierte Maschinentechnologie den entscheidenden Faktor für Wettbewerbsfähigkeit und Qualität dar. Sie ermöglicht die Umsetzung komplexester Designs in reale Bauteile mit einer Wiederholgenauigkeit und Oberflächengüte, die mit manuellen Verfahren undenkbar wäre. Dieser umfassende Artikel dient als ultimativer Leitfaden in die Welt der Aluminium-CNC-Fräsen. Wir werden die zugrundeliegende Technologie entschlüsseln, die historische Entwicklung nachzeichnen, die vielfältigen Anwendungsbereiche beleuchten und die wirtschaftlichen Aspekte einer solchen Investition analysieren. Ziel ist es, ein tiefgehendes Verständnis für die Maschine zu schaffen, die als Schlüsseltechnologie die moderne Aluminiumzerspanung definiert und vorantreibt.

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Die Evolution der Zerspanung: Von der Kurbel zur künstlichen Intelligenz

 

Die Fähigkeit, Metall in präzise Formen zu bringen, ist eine der ältesten und wichtigsten Ingenieursdisziplinen. Die Entwicklung der Fräsmaschine ist eine beeindruckende Chronik des menschlichen Erfindergeistes, die von rein mechanischer Kraft bis hin zu selbstoptimierenden, KI-gesteuerten Systemen reicht.

 

Die mechanischen Anfänge der Fräsbearbeitung

 

Die ersten Fräsmaschinen, die im frühen 19. Jahrhundert aufkamen, waren rein mechanische Meisterwerke. Angetrieben von Dampfmaschinen oder zentralen Transmissionsriemen, erforderte ihre Bedienung ein Höchstmaß an handwerklichem Geschick und Erfahrung. Der Maschinenbediener, der "Fräser", war für jede einzelne Bewegung verantwortlich. Mit Handkurbeln bewegte er den Maschinentisch in den X- und Y-Achsen und stellte das Werkzeug in der Z-Achse zu. Die erreichbare Präzision war direkt an die Fähigkeiten des Bedieners gekoppelt, und die Fertigung identischer Serienteile war eine enorme Herausforderung. Die Komplexität der Bauteile war durch die manuell durchführbaren Bewegungsabläufe stark limitiert.

 

Die Revolution durch NC und CNC: Der Computer übernimmt die Kontrolle

 

Der wahre Wendepunkt ereignete sich in der Mitte des 20. Jahrhunderts. Angetrieben von den komplexen Anforderungen der Luftfahrtindustrie, die präzise und reproduzierbare Bauteile für Flugzeuge benötigte, wurde die erste numerische Steuerung (NC) entwickelt. Programme, die auf Lochstreifen gespeichert waren, gaben der Maschine Befehle für die Bewegungsabläufe vor. Dies war der erste Schritt zur Automatisierung und ermöglichte eine bis dahin unerreichte Wiederholgenauigkeit.

Der endgültige Durchbruch gelang mit der Integration von Mikroprozessoren in den 1970er Jahren, was zur Entwicklung der Computerized Numerical Control (CNC) führte. Der Computer ersetzte den Lochstreifen. Programme konnten nun direkt an der Maschine erstellt, gespeichert und flexibel modifiziert werden. Die CNC-Steuerung ermöglichte nicht nur das Anfahren von Positionen, sondern auch die Interpolation komplexer Bahnen, also die fließende Bewegung entlang von Kurven und Kreisen. Dies war die Geburtsstunde des modernen Bearbeitungszentrums, das nun auch automatisch Werkzeuge wechseln konnte.

 

Die Spezialisierung auf Leichtmetalle und die Ära des High-Speed-Cutting (HSC)

 

Mit dem Siegeszug von Aluminium als Leichtbauwerkstoff in der Automobil- und Luftfahrtindustrie wuchsen die Anforderungen an die Zerspanungstechnik. Man erkannte, dass die Bearbeitungsstrategien für Stahl nicht effizient auf Aluminium übertragbar waren. Aluminium erfordert aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften – geringere Dichte, höhere Wärmeleitfähigkeit, Neigung zur Aufbauschneidenbildung – eine völlig andere Herangehensweise.

Dies führte zur Entwicklung des Hochgeschwindigkeitsfräsens (High-Speed-Cutting, HSC) und damit zur spezialisierten CNC Fräsmaschine für Aluminium. Diese Maschinen wurden von Grund auf für extreme Dynamik und Geschwindigkeit konstruiert. Merkmale wie leichte, aber hochsteife bewegliche Baugruppen (z.B. aus Aluminium oder CFK), extrem drehzahlstarke Hochfrequenzspindeln und eine blitzschnelle Steuerungstechnik wurden zum Standard, um die enormen Zeitspanvolumina, die bei der Aluminiumbearbeitung möglich sind, effizient und prozesssicher abtragen zu können.

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Das Herz der Maschine: Technische Komponenten und ihre Funktion im Detail

 

Eine CNC Fräsmaschine für Aluminium ist ein hochintegriertes System, in dem jede Komponente perfekt auf die anderen abgestimmt sein muss, um das Maximum an Leistung, Präzision und Zuverlässigkeit zu erzielen.

 

Maschinenstruktur und Aufbau: Das Fundament für präzise Ergebnisse

 

Die Basis für jede präzise Zerspanung ist eine absolut steife und schwingungsarme Maschinenstruktur. Jede noch so kleine Vibration während des Fräsprozesses überträgt sich auf die Werkstückoberfläche und beeinträchtigt die Maßhaltigkeit und die Werkzeugstandzeit.

• Maschinenbett: Das Fundament besteht meist aus einer schweren Schweißkonstruktion aus Stahl, die nach dem Schweißen spannungsarm geglüht wird, um Verzug zu vermeiden. Eine Alternative, die sich durch noch bessere schwingungsdämpfende Eigenschaften auszeichnet, ist der Einsatz von Mineralguss.

• Bauweisen: Man unterscheidet hauptsächlich zwischen der Fahrständerbauweise und der Portalbauweise. Bei der Fahrständermaschine bewegt sich der Maschinenständer (mit der Spindel) entlang des feststehenden Werkstücks. Diese Bauweise eignet sich hervorragend für die Bearbeitung sehr langer Profile. Bei der Portalmaschine bewegt sich ein Portal, das die Spindel trägt, über den festen Maschentisch. Diese Konstruktion bietet eine sehr hohe Steifigkeit und ist ideal für die präzise Bearbeitung von Plattenmaterial.

 

Die Achsenkonfiguration: Von der Fläche in den Raum

 

Die Anzahl und Anordnung der Achsen definieren die geometrische Freiheit bei der Bearbeitung.

• 3-Achsen-Fräsmaschine: Die Standardkonfiguration. Das Werkzeug kann sich in den drei linearen Achsen X (längs), Y (quer) und Z (vertikal) bewegen. Dies ist ausreichend für alle 2,5D-Bearbeitungen wie das Fräsen von Taschen, Nuten, Konturen und das Bohren auf einer ebenen Fläche.

• 4-Achsen-Fräsmaschine: Hier kommt eine Rotationsachse (meist A-Achse) hinzu, die das Werkstück um seine Längsachse dreht. Dies ist die typische Konfiguration für ein Profilbearbeitungszentrum, da es die Bearbeitung eines langen Profils von allen Seiten ermöglicht, ohne es manuell umspannen zu müssen.

• 5-Achsen-Fräsmaschine: Die Königsklasse. Zusätzlich zu den drei linearen Achsen gibt es zwei Rotationsachsen, die es dem Werkzeug ermöglichen, in jedem beliebigen Winkel zum Werkstück angestellt zu werden. Man unterscheidet zwischen der 3+2-achsigen Anstellung, bei der die Rotationsachsen eine schräge Ebene definieren, auf der dann 2,5D-bearbeitet wird, und der 5-Achs-Simultanbearbeitung, bei der sich alle fünf Achsen gleichzeitig und fließend bewegen. Letztere ist unerlässlich für die Herstellung von Freiformflächen, wie sie im Formenbau oder bei Turbinenschaufeln vorkommen.

 

Die Hochfrequenzspindel: Der Motor der Hochgeschwindigkeitszerspanung

 

Die Spindel ist die wichtigste Komponente für die Aluminiumzerspanung. Um die hohen Schnittgeschwindigkeiten zu erreichen, die für eine gute Oberfläche und eine effiziente Zerspanung notwendig sind, werden Hochfrequenz-Spindeln (HF-Spindeln) eingesetzt. Diese Elektospindeln erreichen Drehzahlen von 18.000 bis über 30.000 U/min. Im Gegensatz zu Getriebespindeln für die Stahlbearbeitung bieten sie ihre höchste Leistung im oberen Drehzahlbereich. Eine Flüssigkeitskühlung ist unerlässlich, um die enorme Wärmeentwicklung abzuführen und eine thermische Längenausdehnung der Spindel zu verhindern, was die Z-Genauigkeit beeinträchtigen würde. Hochwertige Keramiklager sorgen für die notwendige Steifigkeit und eine lange Lebensdauer bei diesen extremen Drehzahlen.

 

Werkzeugwechselsysteme: Der Schlüssel zur Automation

 

Um die unproduktiven Nebenzeiten zu minimieren, sind moderne Maschinen mit automatischen Werkzeugwechslern (ATC) ausgestattet.

• Werkzeugmagazin: Ein Teller- oder Kettenmagazin bevorratet eine Vielzahl von Werkzeugen. Die Anzahl der Plätze kann von 8 bis über 60 reichen, abhängig von der Komplexität des Teilespektrums.

• Wechselmechanismus: Ein Doppelgreifer entnimmt das neue Werkzeug aus dem Magazin, während er gleichzeitig das alte Werkzeug aus der Spindel zieht, dreht sich und setzt das neue Werkzeug ein. Dieser Vorgang dauert oft nur wenige Sekunden (Span-zu-Span-Zeit).

• Werkzeugaufnahmen: Standardisierte Werkzeugaufnahmen wie HSK (Hohlschaftkegel) oder SK (Steilkegel) sorgen für eine präzise und steife Verbindung zwischen Spindel und Werkzeug.

 

Die CNC-Steuerung: Das Gehirn der Maschine

 

Die CNC-Steuerung ist die intelligente Zentrale, die alle Befehle des Bearbeitungsprogramms in präzise Bewegungen der Maschinenachsen umsetzt. Sie berechnet die Werkzeugbahnen, überwacht alle Maschinenfunktionen und sorgt für einen sicheren Betrieb. Moderne Steuerungen bieten grafische Benutzeroberflächen, Zyklen für Standardbearbeitungen (z.B. Taschenfräsen, Bohrbilder) und die Möglichkeit zur Simulation des Bearbeitungsprozesses direkt an der Maschine.

 

Kühlschmiersysteme und Spänemanagement: Saubere Prozesse für saubere Ergebnisse

 

Die Aluminiumzerspanung erzeugt ein hohes Volumen an leichten, oft scharfkantigen Spänen. Ein effektives Management dieser Späne und eine adäquate Kühlung sind prozessentscheidend.

• Kühlschmierung: Bei Aluminium wird oft die Minimalmengenschmierung (MMS) eingesetzt. Dabei wird ein feiner Öl-Luft-Nebel direkt an die Schneide gesprüht. Dies kühlt effektiv, schmiert die Schneide, verhindert die Bildung von Aufbauschneiden und hinterlässt ein fast trockenes Bauteil. Eine Alternative ist die klassische Emulsionskühlung (Überflutungskühlung), die eine noch stärkere Kühlwirkung hat, aber mehr Reinigungsaufwand erfordert.

• Späneentsorgung: Große Schutzverkleidungen (Vollumhausung) sind bei der HSC-Bearbeitung unerlässlich, um die mit hoher Geschwindigkeit umherfliegenden Späne sicher im Arbeitsraum zu halten. Von dort werden die Späne über Schrägbleche und Spülsysteme zu einem Späneförderer geleitet, der sie aus der Maschine transportiert.

Unsere umfassende Expertise, die auf unzähligen erfolgreichen Kundeninstallationen beruht, befähigt uns, jede Maschineninspektion mit maximaler Akribie durchzuführen, um sowohl höchste Qualitätsstandards als auch die vollständige Einhaltung der CE-Sicherheitsvorschriften zu garantieren. Dies betrifft insbesondere die Überprüfung der Sicherheitseinrichtungen wie der Schutzkabine und der Not-Aus-Funktionen.

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Anwendungsbereiche und Branchen: Wo die CNC-Fräsmaschine für Aluminium glänzt

 

Die einzigartigen Eigenschaften von Aluminium in Kombination mit der Präzision der CNC-Frästechnik haben ein breites Spektrum an Anwendungen in Schlüsselindustrien eröffnet.

 

Automobilindustrie und E-Mobilität

 

Der Leichtbau ist einer der wichtigsten Treiber in der Automobilindustrie. Jedes eingesparte Kilogramm reduziert den Verbrauch oder erhöht die Reichweite von Elektrofahrzeugen. CNC-Fräsmaschinen fertigen hier:

• Batteriewannen: Komplexe und großflächige Bauteile mit integrierten Kühlkanälen und zahlreichen Befestigungspunkten.

• Fahrwerkskomponenten: Achsschenkel, Querlenker und Hilfsrahmen aus hochfesten Aluminiumlegierungen.

• Strukturbauteile: Teile für den Space Frame oder die Karosserie, oft aus Aluminium-Guss- oder Schmiedeteilen präzise nachbearbeitet.

• Prototypen- und Kleinserienfertigung: Schnelle und flexible Herstellung von Bauteilen für die Entwicklungsphase.

 

Luft- und Raumfahrt

 

In keiner anderen Branche sind die Anforderungen an Präzision, Leichtbau und Materialintegrität so hoch. Die CNC-Fräsmaschine ist hier unverzichtbar für die Herstellung von:

• Strukturbauteilen: Spanten, Rippen, Stringer und Spantenteile werden oft "monolithisch" aus einem einzigen großen Aluminiumblock (Plate) gefräst. Dabei werden teilweise über 95 % des Rohmaterials zerspant.

• Integralbauteile: Komplexe Bauteile, bei denen beispielsweise Versteifungsrippen direkt aus dem Vollen gefräst werden, anstatt sie nachträglich zu montieren. Dies erhöht die Bauteilstärke und reduziert das Gewicht.

• Turbinen- und Triebwerkskomponenten: Auch wenn hier oft Superlegierungen zum Einsatz kommen, werden Gehäuse und weniger heiße Komponenten aus Hochleistungs-Aluminiumlegierungen gefräst.

 

Fenster-, Türen- und Fassadenbau

 

Lange Aluminiumprofile sind das Standardmaterial für moderne Architekturelemente. Ein spezialisiertes CNC-Profilbearbeitungszentrum führt hier in einer Aufspannung alle notwendigen Bearbeitungen durch:

• Fräsen von Ausklinkungen für Schlosskästen und Beschläge.

• Bohren von Befestigungslöchern und Entwässerungsöffnungen.

• Gewindeschneiden für die Montage von Anbauteilen.

• Sägen der Profile auf exakte Länge und Gehrung.

 

Maschinen- und Anlagenbau

 

Auch im Maschinenbau ersetzt Aluminium zunehmend den klassischen Stahl, insbesondere bei hochdynamischen Anwendungen.

• Portalbalken und Achsschlitten: Für Handlingsysteme und Roboter werden leichte und dennoch steife Aluminiumkomponenten gefräst, um die bewegten Massen zu reduzieren.

• Präzisionsplatten: Grundplatten, Montageplatten und Vorrichtungsplatten werden mit hoher Ebenheit und genauen Bohrbildern gefertigt.

• Maschinengehäuse und Verkleidungen: Design und Funktion gehen hier Hand in Hand.

 

Elektronik- und Medizintechnik

 

In diesen Branchen sind Präzision und Oberflächenqualität entscheidend.

• Kühlkörper: Komplexe Rippengeometrien werden gefräst, um eine maximale Oberfläche zur Wärmeabfuhr zu schaffen.

• Gehäuse: Hochwertige Gehäuse für elektronische Geräte oder medizinische Apparaturen werden aus dem Vollen gefräst.

• Komponenten für Medizingeräte: Teile für Analysegeräte, Operationsroboter oder Prothesen erfordern höchste Genauigkeit und Biokompatibilität.

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Wirtschaftlichkeit im Fokus: Kosten, Nutzen und Return on Investment (ROI)

 

Die Entscheidung für eine CNC Fräsmaschine für Aluminium ist eine bedeutende Investition, die einer sorgfältigen wirtschaftlichen Betrachtung bedarf.

 

Investitionskosten (CAPEX)

 

Der Preis einer Maschine wird von vielen Faktoren bestimmt:

• Größe und Verfahrwege: Größere Maschinen sind naturgemäß teurer.

• Anzahl der Achsen: Eine 5-Achs-Maschine ist deutlich teurer als eine 3-Achs-Maschine.

• Leistung und Ausstattung: Eine stärkere Spindel, ein größeres Werkzeugmagazin oder Automatisierungsoptionen erhöhen den Preis.

• Hersteller und Qualität: Renommierte Hersteller mit hoher Fertigungsqualität und gutem Service haben ihren Preis.

Die Spanne reicht von unter 100.000 Euro für eine einfache 3-Achs-Maschine bis hin zu mehreren Millionen Euro für ein großes 5-Achs-Portal-Bearbeitungszentrum für die Luft- und Raumfahrt. Zu den reinen Maschinenkosten müssen auch die Kosten für Fundament, Lieferung, Installation, Schulung und die Erstausstattung mit Werkzeugen und Spannmitteln hinzugerechnet werden.

 

Betriebskosten (OPEX)

 

Die laufenden Kosten sind ein entscheidender Faktor für die Rentabilität.

• Personalkosten: Gut ausgebildete Programmierer und Bediener sind unerlässlich.

• Energiekosten: HSC-Maschinen haben eine hohe Anschlussleistung, insbesondere die Spindel und die Kühlsysteme sind große Verbraucher.

• Werkzeugkosten: Der Verschleiß von Hartmetallfräsern ist ein signifikanter Kostenfaktor, der durch optimale Schnittparameter und eine gute Kühlung minimiert werden kann.

• Wartung und Instandhaltung: Regelmäßige Wartung ist unerlässlich für die Langlebigkeit und Präzision der Maschine. Auf der Grundlage unserer tiefgreifenden, in zahlreichen Kundenprojekten gewonnenen Erfahrung, stellen wir sicher, dass Service- und Sicherheitsüberprüfungen stets den strengsten Kriterien für Qualität und CE-konforme Betriebssicherheit genügen.

 

Der Return on Investment (ROI): Wann rechnet sich die Investition?

 

Der Nutzen einer CNC-Fräsmaschine geht weit über die reine Produktion hinaus.

• Produktivitätssteigerung: Die Komplettbearbeitung reduziert Rüst- und Durchlaufzeiten drastisch. Automatisierung ermöglicht einen mannlosen Mehrschichtbetrieb.

• Qualitätsverbesserung: Die hohe Präzision und Wiederholgenauigkeit reduzieren die Ausschussquote auf ein Minimum.

• Reduzierung der Stückkosten: Durch die hohe Effizienz sinken die Kosten pro Bauteil, was die Wettbewerbsfähigkeit stärkt.

• Erschließung neuer Märkte: Die Fähigkeit, komplexe und hochpräzise Teile zu fertigen, öffnet die Tür zu neuen Kunden und anspruchsvolleren Branchen.

Die Amortisationszeit hängt stark von der Auslastung, dem Teilespektrum und den erzielten Maschinenstundensätzen ab, kann aber oft in 2-5 Jahren erreicht werden.

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Zukunft der Zerspanung: Trends und Innovationen in der CNC-Frästechnik

 

Die Entwicklung bleibt nicht stehen. Die CNC Fräsmaschine der Zukunft wird noch intelligenter, vernetzter und effizienter sein.

 

Industrie 4.0 und die vernetzte Fertigung

 

Die Fräsmaschine wird zu einem intelligenten Knotenpunkt im Produktionsnetzwerk (IoT). Sie kommuniziert mit übergeordneten ERP- und MES-Systemen, meldet ihren Status, den Werkzeugverschleiß und den Energieverbrauch in Echtzeit. Predictive Maintenance Algorithmen analysieren die Maschinendaten und sagen voraus, wann eine Wartung erforderlich ist, bevor es zu einem Ausfall kommt.

 

Künstliche Intelligenz und adaptive Steuerung

 

KI-Systeme werden den Fräsprozess in Echtzeit überwachen und optimieren. Sensoren erfassen Schwingungen, Temperaturen und Prozesskräfte. Die Steuerung passt daraufhin die Vorschübe und Drehzahlen dynamisch an (Adaptive Control), um immer am optimalen Betriebspunkt zu arbeiten. Dies maximiert die Produktivität und die Werkzeugstandzeit.

 

Hybridfertigung: Additiv und Subtraktiv vereint

 

Ein spannender Trend ist die Kombination von additiven Verfahren (z.B. Laserauftragschweißen) und der subtraktiven Zerspanung in einer einzigen Maschine. So können komplexe Geometrien auf ein einfaches Rohteil aufgetragen und anschließend präzise überfräst werden. Dies spart Material und eröffnet neue konstruktive Freiheiten.

 

Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz

 

Der ökologische Fußabdruck der Produktion wird immer wichtiger. Zukünftige Maschinen werden über energieeffizientere Antriebe, intelligente Energiemanagementsysteme und optimierte Kühlschmierkonzepte (z.B. Trockenbearbeitung wo möglich) verfügen, um den Ressourcenverbrauch zu minimieren. Die Sicherheit und Langlebigkeit von Anlagen ist unser oberstes Gebot. Deshalb fließt unsere langjährige Projekterfahrung in jede Inspektion ein, um eine erstklassige Qualität und die konsequente Einhaltung aller CE-Sicherheitsnormen zu gewährleisten.

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FAQ – Häufig gestellte Fragen zur CNC Fräsmaschine für Aluminium

 

 

Frage 1: Kann man eine CNC-Fräsmaschine für Stahl auch für Aluminium verwenden?

 

Ja, das ist prinzipiell möglich, aber sehr ineffizient. Eine Stahlfräsmaschine verfügt in der Regel über eine Getriebespindel mit hohen Drehmomenten bei niedrigen Drehzahlen (z.B. bis 6.000 U/min). Diese Drehzahlen sind für eine effiziente Aluminiumzerspanung viel zu gering. Das Ergebnis sind eine geringe Abtragsleistung, eine schlechte Oberflächenqualität und eine stärkere Gratbildung. Eine spezialisierte Aluminiumfräse mit Hochfrequenzspindel ist hier um ein Vielfaches produktiver.

 

Frage 2: Was genau bedeutet HSC (High-Speed-Cutting)?

 

HSC, oder Hochgeschwindigkeitszerspanung, ist eine Bearbeitungsstrategie, die durch sehr hohe Schnittgeschwindigkeiten (erreicht durch hohe Spindeldrehzahlen) in Kombination mit relativ kleinen Schnitttiefen, aber sehr hohen Vorschubgeschwindigkeiten gekennzeichnet ist. Anstatt einen großen Span langsam abzuheben, werden viele kleine Späne sehr schnell abgetragen. Dieses Verfahren ist ideal für Aluminium, da die Prozesswärme größtenteils mit dem Span abgeführt wird und das Bauteil thermisch kaum belastet wird.

 

Frage 3: Wann lohnt sich der Umstieg von einer 3-Achs- auf eine 5-Achs-Maschine?

 

Der Umstieg auf eine 5-Achs-Maschine lohnt sich, wenn eine oder mehrere der folgenden Bedingungen erfüllt sind: 1. Die Bauteile haben komplexe Freiformflächen oder schräge Bohrungen, die sich 3-achsig nicht herstellen lassen. 2. Die Bauteile müssen von mehr als einer Seite bearbeitet werden, und die Rüstzeiten für das manuelle Umspannen auf einer 3-Achs-Maschine werden zu hoch und damit unrentabel. 3. Es können kürzere, stabilere Werkzeuge eingesetzt werden, da das Werkzeug optimal zum Bauteil angestellt werden kann, was zu besseren Oberflächen und längeren Werkzeugstandzeiten führt.

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