Fertigungsgerechtes Konstruieren (Design for Manufacturability, DFM) beim CNC-Fräsen heißt, ein Teil so zu gestalten, dass ein runder, steifer Fräser jedes Element in wenigen Aufspannungen erreicht und enge Toleranzen nur dort stehen, wo die Funktion sie verlangt. Die folgenden Regeln behandeln Innenradius, Taschentiefe, Wandstärke, Bohrungen, Gewinde, Aufspannungen und Toleranzen, jeweils mit Begründung und Kostenwirkung.
Was bedeutet fertigungsgerechtes Konstruieren (DFM) beim CNC-Fräsen?
Eine Fräsmaschine trägt Material mit einem rotierenden, zylindrischen Fräser ab, der entlang der Spindelachse zugestellt wird. Daraus folgen drei Tatsachen, und jede Regel in diesem Artikel geht auf eine davon zurück. Der Fräser ist rund, also sind Innenecken rund. Der Fräser hat eine endliche Länge und biegt sich unter Last, also erzwingen tiefe, schmale Elemente langsames Zerspanen oder Sonderwerkzeuge. Das Teil muss gespannt werden, also braucht jede Fläche, die der Fräser nicht erreicht, eine weitere Aufspannung.
Die Kosten folgen denselben drei Tatsachen: mehr Maschinenzeit, wenn der Fräser mit geringer Zustellung laufen muss, mehr Aufspannungen, mehr Werkzeuge und mehr Prüfaufwand. Wir beschreiben die Kostenwirkung in Worten, weil ihre Größe von Teil, Werkstoff und Betrieb abhängt.
Sofern eine Zeile nicht „Berechnung“ ausweist, sind die Zahlen unten Richtwerte aus den Konstruktionsleitfäden von Hubs und Protolabs, zwei CNC-Fertigungsdienstleistern. Sie stammen nicht aus einer Norm, und ein Betrieb mit anderen Maschinen zieht seine Grenzen anders. Lesen Sie sie als den Punkt, ab dem die Angebotserstellung schwieriger wird, nicht als Grenze eines bestimmten Betriebs. Unser auditiertes Netzwerk in Bursa deckt das CNC-Fräsen ab.
Welchen Innenradius sollten Sie in Taschen vorgeben?
Regel 1: keine scharfen Innenkanten. Hubs empfiehlt für die senkrechten Innenkanten einen Eckenradius von mindestens einem Drittel der Taschentiefe. Etwas mehr ist besser, zum Beispiel 1 mm über diesem Wert: Der Fräser läuft dann auf einer Kreisbahn statt in einer 90°-Wende und hinterlässt eine bessere Oberfläche. Protolabs sagt dasselbe aus Sicht des Betriebs: Scharfe Innenecken werden vom Verfahren verrundet, und der entstehende Radius ist der kleinste Werkzeugradius.
Der Radius legt den größten Fräser fest, der die Ecke schlichten kann, höchstens den doppelten Radius als Durchmesser. Ein kleinerer Fräser bei gleicher Auskragung ist deutlich weniger steif. Für einen Kragträger mit Einzellast am freien Ende gilt für die Durchbiegung δ = F·L³ / (3·E·I), und für einen massiven Rundquerschnitt ist I = π·d⁴ / 64. Bei fester Auskragung L wächst die Durchbiegung also mit 1/d⁴.
Tabelle 1. Eckenradius, größter Fräser und relative Durchbiegung, Tasche 30 mm tief
| Eckenradius R, mm | Größter Fräser-Ø (2 × R), mm | Tiefe ÷ Fräser-Ø | Relative Durchbiegung bei gleicher Kraft |
|---|---|---|---|
| 10 (⅓ der Tiefe) | 20 | 1,5 | 1 |
| 6 | 12 | 2,5 | 7,7 |
| 3 | 6 | 5 | 123 |
| 1,5 | 3 | 10 | 1.975 |
Quelle: Berechnung Ertaş Engineering nach δ ∝ L³/d⁴ mit L = 30 mm (Kragträgerformel, Wikipedia; Auskragungsregel, Mitsubishi Materials). Massiver Rundstab, Schneiden und Werkzeughalter vernachlässigt. Hubs nennt eine Tasche tief, wenn ihre Tiefe das Sechsfache des Werkzeugdurchmessers übersteigt.
Den Verlust an Steifigkeit gleicht der Betrieb mit geringem Eingriff, mehr Schnitten und weniger Vorschub aus, die Bearbeitungszeit an dieser Ecke steigt. Am billigsten lösen Sie das auf der Zeichnung: mit einem größeren Radius oder einer flacheren Tasche. Braucht das Gegenstück eine rechtwinklige Ecke, entlasten Sie dessen Kante mit einer Fase oder einem Radius, statt eine scharfe Ecke in der Tasche zu verlangen.
Regel 2: Bodenradius 0,5 mm, 1 mm oder keiner. Hubs nennt diese Werte als Empfehlung. Andere Bodenradien lassen sich mit Kugelfräsern herstellen, das bedeutet ein weiteres Werkzeug und einen weiteren Schnitt.
Wie tief darf eine gefräste Tasche sein?
Regel 3: Taschentiefe höchstens das Vierfache der Breite. Das ist die Empfehlung von Hubs, und Protolabs nennt denselben Wert für die Tiefe der Tasche. Hubs nennt eine Tasche tief, wenn ihre Tiefe das Sechsfache des Werkzeugdurchmessers übersteigt, und gibt an, dass mit Spezialwerkzeug Verhältnisse bis 30:1 möglich sind.
Der Grund ist die Auskragung. Nach Mitsubishi Materials ist die Durchbiegung proportional zur dritten Potenz der Auskragung: Bei gleichem Durchmesser verachtfacht sich die Durchbiegung, wenn sich die Auskragung verdoppelt. Für eine Tasche von 40 mm Tiefe muss der Fräser mindestens 40 mm aus dem Halter ragen, gleichgültig wie breit die Tasche ist.
Ist eine Tasche zu tief, gibt es drei Auswege: breiter machen, das Teil in zwei Stücke teilen, die danach gefügt werden, oder die Tasche so verlegen, dass sie von der Gegenseite aus flacher gefräst wird.
Wie dünn darf eine Wand sein?
Regel 4: Metallwände mindestens 0,8 mm dick. Hubs empfiehlt 0,8 mm für Metalle und nennt 0,5 mm als kleinsten machbaren Wert. Protolabs rät, 0,5 mm nicht zu unterschreiten, und ergänzt, dicker sei besser, denn dünne Wände seien weniger steif und neigten stärker zum Schwingen.
Eine dünne Wand weicht dem Fräser während des Schnitts aus, deshalb lässt sich ihre Fertigdicke schwer halten. Trägt die Wand eine Toleranz, zeigt sich der Preis in langsamen Schlichtschnitten und mehr Ausschuss, nicht in zusätzlichem Material.
Welche Grenzen gelten für Bohrungen und Gewinde?
Regel 5: Bohrtiefe 4 × Durchmesser. Hubs empfiehlt eine Bohrtiefe vom Vierfachen des Nenndurchmessers, nennt das Zehnfache als typisch und das Vierzigfache als machbar. Bohrungen tiefer als der typische Wert brauchen Spezialbohrer, mit einem Mindestdurchmesser von 3 mm. Nach Protolabs werden Bohrungen, die deutlich mehr als sechs Durchmesser tief sind, schwierig. Für genaue Bohrungen unter 20 mm Durchmesser empfiehlt Hubs Standardbohrer-Durchmesser.
Regel 6: Gewinde ab M6, Länge 3 × Durchmesser. Hubs empfiehlt M6 oder größer. Gewindefräser schneiden Gewinde bis hinunter zu M6, und Zerspaner bevorzugen sie, weil sie das Risiko eines Gewindebohrerbruchs begrenzen; Gewindebohrer und Schneideisen reichen bis M2. Als Mindestgewindelänge nennt Hubs das 1,5-Fache des Nenndurchmessers, empfohlen ist das Dreifache. Den größten Teil der Last tragen die ersten Gewindegänge, bis zum 1,5-Fachen des Nenndurchmessers.
Wie beeinflussen Aufspannungen, Toleranzen und Rauheit die Kosten?
Regel 7: Elemente auf wenige Flächen legen. Protolabs beschreibt das 3-Achs-Fräsen als Bearbeitung von bis zu sechs orthogonalen Seiten. Laut Hubs ist ein Umspannen bis zu drei- oder viermal oft vertretbar, mehr gilt als übertrieben. Jedes Umspannen ist eine neue Spannung mit eigenem Bezug, deshalb ist eine Positionstoleranz zwischen Elementen auf zwei Flächen schwerer zu halten als innerhalb einer Fläche. Hubs nennt die 5-Achs-Bearbeitung als Weg, mehrere Aufspannungen zu vermeiden.
Regel 8: Allgemeintoleranz nutzen und nur dort einzeln tolerieren, wo die Funktion es verlangt. Unser Netzwerk arbeitet standardmäßig nach ISO 2768-m. Für ein Längenmaß von 50 mm erlaubt Klasse m der ISO 2768-1 ±0,3 mm (Bereich über 30 bis 120 mm). Eine engere Toleranz an einem Element verlangt einen leichten Schlichtschnitt und eine eigene Messung, sparen Sie sie also für Lagersitze, Dichtflächen und Zentrierungen auf. ISO 2768-1:1989 ist weiterhin die Allgemeintoleranznorm für Längen- und Winkelmaße, ein Überarbeitungsprojekt ist gelistet. ISO 2768-2 wurde im Februar 2021 zurückgezogen, siehe den Artikel zur ISO 2768. Geometrische Toleranzen richten sich nach ISO 1101:2017 (2022 bestätigt), Passungen nach ISO 286-1:2010 (2026 bestätigt).
Regel 9: Rauheit nur dort angeben, wo sie zählt. Die Oberflächenbeschaffenheit wird in Zeichnungen nach ISO 21920-1:2021 angegeben, die ISO 1302:2002 ersetzt hat. Stand November 2026 führt ISO die ISO 21920-1 als in Überarbeitung, ein Committee Draft ist in Arbeit; prüfen Sie daher die Ausgabe in Ihrer Zeichnungsvorlage. Die Parameter erklärt Ra und Rz.
Welche DFM-Regeln prüfen Sie, bevor die Zeichnung rausgeht?
Tabelle 2. Richtwerte für gefräste Metallteile und die Kostenwirkung bei Missachtung
| Merkmal | Richtwert | Grund | Kostenwirkung bei Missachtung |
|---|---|---|---|
| Innenradius | ≥ ⅓ × Taschentiefe, etwas mehr bevorzugt | Runder Fräser, kleine Fräser biegen sich | Leichte Schnitte, mehr Durchgänge |
| Bodenradius | 0,5 mm, 1 mm oder keiner | Standardfräser | Kugelfräser, zusätzlicher Schnitt |
| Taschentiefe | ≤ 4 × Breite | Auskragung des Fräsers | Langsames Zerspanen, Sonderwerkzeug |
| Wandstärke, Metall | ≥ 0,8 mm (0,5 mm machbar) | Steifigkeit | Langsames Schlichten, Ausschussrisiko |
| Bohrtiefe | ≤ 4 × Durchmesser (10 × typisch) | Bohrerlänge | Spezialbohrer, Bearbeitung von beiden Seiten |
| Gewinde | M6 oder größer, Länge 3 × Durchmesser | Gewindewerkzeuge | Gewindebohren oder anderes Verfahren |
| Aufspannungen | 3 bis 4 Umspannungen | Spannung und Bezüge | Handlingzeit, Positionsfehler |
| Allgemeintoleranz | ISO 2768-m | Standardschlichten | Zusätzliche Schnitte und Prüfung |
Quelle: Hubs Design Guide (Eckenradius, Bodenradius, Taschentiefe, Wand, Bohrung, Gewinde, Aufspannungen); Protolabs Design Guidelines (Innenecken, Bohrtiefe, 3-Achs-Seiten); ISO 2768-1:1989. Spalte Kostenwirkung: Einschätzung von Ertaş Engineering.
Beantworten Sie vor der Anfrage drei Fragen. Verlangt ein Element einen kleineren Fräser, als die Taschentiefe nahelegt? Lässt sich ein tiefes oder dünnes Element kürzen, verbreitern oder verstärken, ohne die Funktion zu ändern? Steht jede Toleranz und jeder Rauheitswert an einem Element, das ihn braucht? Schriftfeld und Format behandelt die Zeichnungs-Checkliste. DFM-Unterstützung gehört zu unserer Leistung Konstruktion und Engineering.
Häufige Fragen
- Welcher Innenradius ist beim CNC-Fräsen mindestens nötig?
- Der Radius entspricht dem Fräser, der die Ecke schlichtet; scharfe Innenkanten gibt es nicht. Hubs empfiehlt einen Eckenradius von mindestens einem Drittel der Taschentiefe, wenn möglich etwas mehr, zum Beispiel 1 mm, damit der Fräser auf einer Kreisbahn läuft.
- Wie tief darf eine gefräste Tasche sein?
- Hubs empfiehlt eine Tiefe bis zum Vierfachen der Taschenbreite. Als tief gilt eine Tasche ab dem Sechsfachen des Werkzeugdurchmessers; mit Spezialwerkzeug sind laut Hubs Verhältnisse bis 30:1 möglich.
- Welche Mindestwandstärke gilt für gefräste Metallteile?
- Hubs empfiehlt 0,8 mm für Metalle und nennt 0,5 mm als kleinsten machbaren Wert. Protolabs rät, 0,5 mm nicht zu unterschreiten, weil dünnere Wände weniger steif sind und unter dem Fräser schwingen.
- Warum machen enge Toleranzen ein gefrästes Teil teurer?
- Eine enge Toleranz verlangt leichtere Schlichtschnitte und mehr Messaufwand als ein Element mit Allgemeintoleranz. Geben Sie ISO 2768-m für die ganze Zeichnung vor und tolerieren Sie nur die Elemente einzeln, die es brauchen.
- Wie viele Aufspannungen sind bei einem Frästeil vertretbar?
- Laut Hubs ist ein Umspannen bis zu drei- oder viermal oft vertretbar, mehr gilt als übertrieben. Eine 3-Achs-Maschine erreicht bis zu sechs orthogonale Seiten, und jede Seite braucht eine eigene Spannung.
Quellen
- Hubs, How to design parts for CNC machining (Eckenradius, Taschentiefe, Wände, Bohrungen, Gewinde, Aufspannungen)
- Protolabs, Design guidelines for CNC milling (Innenecken)
- Protolabs, 6 ways to optimize part design for CNC machining (Bohrtiefe, 3-Achs-Seiten)
- Protolabs, CNC machining design (Wandstärke, Werkzeugzugang)
- Mitsubishi Materials, Flute length and overhang (Durchbiegung wächst mit der dritten Potenz der Auskragung)
- Deflection (engineering), Kragträger mit Einzellast am Ende: δ = FL³/(3EI) (Wikipedia)
- List of second moments of area, Vollkreis: πr⁴/4 = πd⁴/64 (Wikipedia)
- ISO 2768-1:1989, Lebenszyklus: veröffentlicht 02.11.1989, Stufe 90.92 seit 04.10.2022, Überarbeitungsprojekt gelistet (ISS, nationales ISO-Mitglied)
- ISO 2768-1, Längenmaße Klasse m, über 30 bis 120 mm: ±0,3 mm (Tabelle von AmesWeb)
- ISO 2768-2:1989, Lebenszyklus: zurückgezogen am 04.02.2021 (ISS, nationales ISO-Mitglied)
- ISO 1101:2017, Lebenszyklus: bestätigt am 03.10.2022 (ISS, nationales ISO-Mitglied)
- ISO 286-1:2010, Lebenszyklus: bestätigt am 19.06.2026 (ISS, nationales ISO-Mitglied)
- ISO 21920-1:2021, Lebenszyklus: veröffentlicht 20.12.2021, zuvor ISO 1302:2002, Stufe 90.92 (in Überarbeitung) seit 07.10.2025 (ISS, nationales ISO-Mitglied)
- ISO 21920-1:2021, Anwendungsbereich und ersetzte Norm (AFNOR)
Fragen zu einer Zeichnung? sales@ertas.engineering