CNC-Bearbeitung von Titan, Aluminium und Edelstahl: Kosten, Bearbeitbarkeit und Auswahlkriterien

Bei den meisten bearbeiteten Teilen ist Aluminium das kostengünstigste und am schnellsten zu bearbeitende Metall. Edelstahl kostet bei gleicher Geometrie in der Regel zwei- bis dreimal so viel, Titan vier- bis sechsmal so viel. Nur ein sehr geringer Teil dieses Preisunterschieds ist auf den Preis des Rohmaterials zurückzuführen. Der größte Teil ergibt sich daraus, wie lange die Bearbeitung der einzelnen Metalle dauert und wie schnell sie die Werkzeuge verschleißt.

Diese Tatsache allein sollte ausschlaggebend dafür sein, wie Sie Bauteile spezifizieren. Ein Konstrukteur, der versteht, warum sich Titan nur schwer bearbeiten lässt, kann oft die Leistungsmerkmale von Titan aus einem kostengünstigeren Metall erzielen oder ein Titanbauteil so umkonstruieren, dass es 30 Prozent weniger kostet, ohne dabei an Funktionalität einzubüßen. Dieser Leitfaden vergleicht Aluminium, Edelstahl und Titan anhand der Faktoren, die tatsächlich ausschlaggebend für ein Angebot sind: Bearbeitbarkeit, Kosten, erreichbare Toleranzen, Oberflächenbehandlungsmöglichkeiten und Lieferzeit.

Die kurze Antwort

Diese Multiplikatoren sind eher Richtwerte als festgelegte Werte. Sie werden durch die Geometrie der Teile, die Losgröße, die Toleranzen und die Oberflächenbearbeitung beeinflusst. Eine einfache flache Platte aus 316 kostet möglicherweise nur das 1,5-Fache ihres Gegenstücks aus Aluminium, während ein dünnwandiges Titangehäuse mit tiefen Aussparungen das 6-Fache übersteigen kann.

Ein theoretischer Vergleich der drei Metalle

Die Materialeigenschaften bestimmen nahezu jede nachfolgende Entscheidung, von der Schnittgeschwindigkeit bis hin zur Frage, ob ein Bauteil eine Beschichtung benötigt. Dies sind typische veröffentlichte Werte für die gängigen Werkstoffsorten, die in der Präzisionsbearbeitung verwendet werden.

Zwei Zahlen in dieser Tabelle sind wichtiger als alle anderen. Die Wärmeleitfähigkeit von 167 bei 6061 gegenüber 6,7 bei Ti-6Al-4V ist der Grund, warum Titan schwer zu zerspanen ist. Und die Spalte „Dichte“ verdeutlicht etwas, was Ingenieure regelmäßig falsch verstehen: Titan ist kein Leichtmetall. Mit 4,43 g/cm³ ist es etwa 60 Prozent schwerer als Aluminium. Was Titan bietet, ist Festigkeit pro Gewichtseinheit, nicht geringes Gewicht.

Die Bearbeitbarkeit ist das, wofür Sie eigentlich bezahlen

Die Rohstoffkosten machen bei den meisten Angeboten nur einen geringen Anteil aus. Der Großteil entfällt auf Maschinenzeit und Werkzeuge, und jedes Metall verhält sich an der Schneide anders.

Aluminium lässt sich schnell schneiden, da es die Wärme ableitet

Aluminium ist weich, und dank seiner hohen Wärmeleitfähigkeit leitet der Span den Großteil der an der Schneidkante entstehenden Wärme ab. Die Werkzeuge haben eine lange Lebensdauer, die Spindeldrehzahlen sind hoch, und die Zerspanungsleistungen sind die besten aller gängigen technischen Metalle. Aus diesem Grund ist Aluminium die erste Wahl für Prototypen, und aus diesem Grund sinkt der Stückpreis bei großen Stückzahlen so stark.

Edelstahl wird beim Schneiden kaltverfestigt

Austenitische Edelstahlsorten wie 304 und 316 verhärten sich lokal, wenn sie verformt werden. Wenn ein stumpfes Werkzeug eher reibt als schneidet, wird die gerade bearbeitete Oberfläche härter, und der nächste Durchgang verläuft schlechter. Die praktische Lösung besteht in einer stabilen Aufspannung, scharfen Werkzeugen mit positiver Spanwinkel, einem großzügigen und unterbrechungsfreien Vorschub sowie ausreichend Materialreserve für einen sauberen Schlichtdurchgang. Die Schnittgeschwindigkeiten sinken auf einen Bruchteil derjenigen bei Aluminium, und der Werkzeugverschleiß steigt merklich an.

Auch die Unterschiede zwischen den Güteklassen sind deutlich spürbar. 303 lässt sich aufgrund seines höheren Schwefelgehalts wesentlich leichter bearbeiten als 304, während sich 316 wiederum langsamer bearbeiten lässt. Wenn Sie zwischen den beiden gängigsten Optionen abwägen, bietet unsere Aufschlüsselung von Edelstahl der Sorten 304 und 316 für die CNC-Bearbeitung behandelt, in welchen Fällen die Mehrkosten für 316 gerechtfertigt sind und in welchen nicht.

Titan schlägt an drei Fronten gleichzeitig zurück

Die Zerspanbarkeit von Titan ist aus mehreren Gründen schlecht. Die Wärme kann nicht entweichen und konzentriert sich daher an der Schneide, anstatt über den Span abgeführt zu werden. Außerdem ist Titan bei höheren Temperaturen chemisch reaktiv und neigt zum Festfressen am Werkzeug. Da sein Elastizitätsmodul etwa halb so groß ist wie der von Edelstahl, biegen sich dünne Wände und schlanke Strukturen vom Fräser weg und federn anschließend zurück, was sowohl die Genauigkeit als auch die Oberflächenqualität beeinträchtigt.

Die Antwort lautet: niedrige Schnittgeschwindigkeiten, hoher Gleichvorschub, scharf geschliffene, beschichtete Werkzeuge, Hochdruck-Kühlmittel und eine sehr stabile Werkstückspannung. Auch komplexe Titanbauteile profitieren überproportional von 5-Achsen-CNC-Bearbeitung, denn wenn man das Werkstück in einer Aufspannung aus mehreren Winkeln bearbeitet, vermeidet man die Positionierungsfehler, bei denen Titan am wenigsten nachsichtig ist.

Diese Werte gelten unter der Voraussetzung, dass modernes, beschichtetes Hartmetall, eine ausreichende Kühlmittelzufuhr und eine steife Maschine zum Einsatz kommen. Die tatsächlichen Parameter variieren je nach Werkzeug, Schnitttiefe und Steifigkeit des Werkstücks; betrachten Sie diese Werte daher eher als Vergleichsgröße und nicht als feste Vorgaben.

Woraus setzen sich die Kosten für die Titanbearbeitung tatsächlich zusammen?

Wenn Käufer zum ersten Mal ein Angebot für Titan sehen, gehen sie in der Regel davon aus, dass das Metall teuer ist. Das ist zwar richtig, aber das ist nur ein Teil der Geschichte. Ein hilfreicher Ansatz, um die Kosten für die Titanbearbeitung zu betrachten, besteht darin, vier separate Faktoren zu unterscheiden:

1. Zykluszeit. Schnittgeschwindigkeiten, die vier- bis zehnmal niedriger sind als bei Aluminium, wirken sich direkt auf die Maschinenstunden aus, die in der Regel den größten Posten im Angebot ausmachen.
2. Werkzeuge. Eine kürzere Standzeit bedeutet einen höheren Verbrauch an Wendeschneidplatten und Schaftfräsern pro Werkstück sowie mehr Maschinenstillstände für den Werkzeugwechsel.
3. Rohmaterial. Titanstangen und -platten kosten pro Kilogramm ein Vielfaches mehr als Aluminium, und da Titan eine höhere Dichte aufweist, wiegt das gleiche Volumen an Titanbarren mehr.
4. Materialverschwendung. Bei der Bearbeitung eines Werkstücks aus dem Vollen wird der größte Teil des Rohteils abgetragen. Bei einem mit Taschen versehenen Konstruktionsteil kann das Ausschussmaterial das fertige Bauteil um ein Vielfaches an Gewicht übersteigen, was umso mehr ins Gewicht fällt, je teurer das Ausgangsmaterial ist.

Gerade bei diesem vierten Punkt zahlen sich Konstruktionsänderungen aus. Durch die Verkleinerung der Gesamtabmessungen, die Vermeidung tiefer, unnötiger Aussparungen und die Wahl von „Near-Net“-Rohteilgrößen lässt sich der Preis für Titan erheblich senken, ohne auch nur eine einzige Funktionsabmessung zu verändern.

Toleranz und Maßhaltigkeit

Alle drei Metalle erfüllen problemlos die allgemeinen Toleranzen gemäß ISO 2768-m, und bei geeigneten Merkmalen lassen sich auch engere Toleranzen bis in den niedrigen Mikrometerbereich realisieren. Unsere Präzisions-CNC-Bearbeitung hält Toleranzen von plus oder minus 0,005 mm ein, sofern die Geometrie und das Material dies zulassen; die Wahl des Materials bestimmt, welche Merkmale dafür in Frage kommen.

• Aluminium weist mit 23,6 µm/m·K die höchste Wärmeausdehnung der drei Werkstoffe auf. Bei einem langen Werkstück kann die Messung direkt nach der Bearbeitung und eine erneute Messung bei 20 °C zu deutlich unterschiedlichen Messwerten führen. Die Temperaturkontrolle während der Prüfung ist wichtiger, als die meisten Menschen annehmen.
• Bei der Kaltverfestigung von Edelstahl kommt es auf den letzten Durchgang an. Bleibt zu wenig Material für die Endbearbeitung übrig, gleitet das Werkzeug über eine gehärtete Schicht hinweg, was zu einer schlechten Oberflächenqualität und Maßabweichungen führt.
• Von den dreien weist Titan mit 8,6 µm/m·K die beste Dimensionsstabilität über den gesamten Temperaturbereich auf, zeigt jedoch das schlechteste Verhalten beim Zerspanen. Das Rückfedern an dünnen Abschnitten ist der häufigste Grund dafür, dass ein Titanbauteil die Toleranzgrenzen verfehlt.

Diese Faustregel gilt für alle drei Metalle: Wenden Sie enge Toleranzen nur auf funktionale Merkmale an. Eine pauschale Vorgabe enger Toleranzen für eine gesamte Zeichnung treibt die Kosten bei jedem Metall in die Höhe, bei Titan sogar besonders stark.

Die Auswahl an Oberflächenvarianten ist vielfältiger, als man denkt

Die Wahl des Materials bestimmt stillschweigend, welche Oberflächenbehandlungen Ihnen zur Verfügung stehen, und das stellt Designer erst spät im Projektverlauf vor ein Problem, wenn das Erscheinungsbild bereits genehmigt wurde.

Das Anodisieren von Titan ist besonders interessant, da es anders funktioniert. Anstatt Farbstoff aufzunehmen, bricht die Oxidschicht das Licht, und die Farbe wird ausschließlich durch die Schichtdicke bestimmt. Die Farbpalette ist auf die durch das Verfahren erzielbaren Farben beschränkt, sodass eine exakte Anpassung an eine bestimmte Markenfarbe nicht realistisch ist. Aluminium stellt den gegenteiligen Fall dar: Es bietet eine breite Farbpalette und eine ausgereifte Prozesssteuerung, was ein Grund dafür ist, dass es bei Gehäusen für Endverbraucher dominiert. Unsere Leitfäden zu Schwarze Eloxierung für CNC-gefräste Aluminiumteile und Auswahl der Oberflächenbeschaffenheit nach der Bearbeitung Gehen Sie näher auf die praktischen Abwägungen ein.

Die Vorlaufzeit ist oft ein Materialproblem und kein Bearbeitungsproblem.

Aluminium in gängigen Güteklassen und Abmessungen ist in großen Mengen vorrätig, sodass es bei Aluminiumaufträgen selten zu Lieferverzögerungen kommt. Edelstahl der Güteklassen 304 und 316 ist in der Regel als Standardstangen- und Plattenware verfügbar, wobei es bei ungewöhnlichen Profilen oder bei 17-4 PH in bestimmten Ausführungen gelegentlich zu Verzögerungen kommen kann.

Bei Titan ist das anders. Die Güteklasse 5 ist in einer bestimmten Plattendicke oder einem bestimmten Stabdurchmesser nicht immer vorrätig, und die Beschaffung kann Tage oder Wochen in Anspruch nehmen, bevor eine Maschine überhaupt mit dem Schneiden beginnen kann. Wenn der Zeitplan eines Projekts eng ist, ist es sinnvoller, frühzeitig die Verfügbarkeit von Titanbeständen zu prüfen, als über Maschinenzeiten zu verhandeln. Bei allen drei Metallen kommt noch die Endbearbeitung hinzu, da Eloxieren, Passivieren und Elektropolieren in der Regel ausgelagerte Chargenprozesse mit eigenen Warteschlangen sind.

Die Wahl des richtigen Metalls für Ihr Bauteil

Bei der richtigen Materialauswahl für die CNC-Bearbeitung kommt es darauf an, die eine Eigenschaft zu ermitteln, bei der das Bauteil wirklich keine Kompromisse zulässt, und dann den kostengünstigsten Werkstoff auszuwählen, der diese Anforderung erfüllt.

Entscheiden Sie sich für Aluminium, wenn

• Das Gewicht spielt zwar eine Rolle, doch die Belastungen sind moderat, wie beispielsweise bei Gehäusen, Halterungen, Robotikrahmen und optischen Halterungen.
• Die Wärmeleitfähigkeit ist eine funktionale Anforderung, wie beispielsweise bei Kühlkörpern und Kühlplatten.
• Sie benötigen eine große Auswahl an Oberflächenausführungen und Farben.
• Sie befinden sich in der Prototypenphase und möchten ein möglichst schnelles und kostengünstiges, funktionsfähiges Bauteil, das sich dennoch wie Metall verhält.
• Das Volumen ist hoch, und die Stückkosten sind der entscheidende Faktor.

Entscheiden Sie sich für Edelstahl, wenn

• Das Bauteil erfüllt die Anforderungen an die Lebensmittel-, Pharma- oder chirurgische Hygiene.
• Da es Feuchtigkeit, Dampf, Reinigungschemikalien oder maritimen Einflüssen ausgesetzt ist, rechtfertigt 316L seinen höheren Preis.
• Sie benötigen Festigkeit und Verschleißfestigkeit, wobei das Gewicht keine entscheidende Rolle spielt.
• Die Betriebstemperatur liegt über dem für Aluminium zulässigen Grenzwert.
• Sie benötigen eine hohe Festigkeit bei einer härtbaren Sorte – und genau hier kommt 17-4 PH ins Spiel.

Entscheiden Sie sich für Titan, wenn

• Das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht ist tatsächlich der entscheidende begrenzende Faktor, typischerweise bei Strukturen in der Luft- und Raumfahrt sowie bei Hochleistungsbaugruppen.
• Das Bauteil kommt mit menschlichem Gewebe oder Blut in Kontakt, wobei die Werkstoffklassen 5 und 23 als Implantatmaterialien etabliert sind.
• Selbst Edelstahl würde durch den Kontakt mit Chemikalien oder Meerwasser angegriffen werden.
• Das Bauteil wird so heiß, dass das Aluminium an Festigkeit verliert.
• Eine geringe Wärmeausdehnung ist erforderlich, um die Formstabilität über einen breiten Temperaturbereich hinweg zu gewährleisten.

Wenn keiner dieser Punkte zutrifft, ist Titan in der Regel eine kostspielige Lösung, da das Bauteil diese Eigenschaften niemals nutzen wird. Dies vor der Werkzeugherstellung gründlich zu prüfen, ist einer der wertvollsten Aspekte einer Konstruktionsprüfung.

Fünf wichtige Entscheidungen, die unbemerkt Geld verschwenden

• Die Wahl von Titan zur Gewichtsreduzierung. Titan ist schwerer als Aluminium. Sofern das Bauteil keine besonderen Anforderungen an die Festigkeit stellt, ist 7075-T6 in der Regel leichter und deutlich kostengünstiger.
• Titan direkt mit Aluminium verschrauben. Die beiden Werkstoffe sind galvanisch weit voneinander entfernt, und in feuchter Umgebung korrodiert das Aluminium. Isolierende Unterlegscheiben, Beschichtungen oder ein Materialwechsel lösen das Problem, allerdings nur, wenn dies bereits in der Konstruktionsphase berücksichtigt wird.
• Standardmäßig wird 316 verwendet, obwohl 304 ausreichen würde. 316 ist teurer, lässt sich langsamer schneiden und ist in chloridhaltigen Umgebungen tatsächlich besser geeignet. Im trockenen Innenbereich bringt es oft keinen Vorteil.
• Die Wahl von 7075 für ein Bauteil, das geschweißt oder der Witterung ausgesetzt werden muss. 7075 ist nicht konventionell schweißbar und weist eine geringere Korrosionsbeständigkeit auf als 6061. Die Festigkeit allein ist keine geeignete Grundlage für die Wahl.
• Anwendung eines einzigen engen Toleranzbereichs auf die gesamte Zeichnung. Die Toleranz wirkt sich bei jedem Metall kostensteigernd aus, am stärksten jedoch bei Titan und gehärtetem Edelstahl.

Die Entscheidung für Ihr nächstes Teil treffen

Ein sinnvoller Ablauf besteht darin, zunächst die Eigenschaften aufzulisten, bei denen das Bauteil keine Kompromisse zulässt, dann das kostengünstigste Metall auszuwählen, das alle diese Anforderungen erfüllt, und schließlich die Oberflächenbehandlung sowie die Verfügbarkeit des Materials zu prüfen, bevor die Zeichnung freigegeben wird. Die meisten Kostenüberschreitungen bei bearbeiteten Bauteilen lassen sich auf ein Material zurückführen, das aufgrund einer Eigenschaft ausgewählt wurde, die das Bauteil gar nicht benötigte, oder auf eine Oberflächenbehandlung, die mit dem gewählten Metall nicht realisierbar ist.

Wenn Sie noch verschiedene Optionen abwägen, ist es in der Regel schneller, uns das Modell mit Ihren Anforderungen zu schicken, anstatt ein festes Material anzugeben. XY-Bearbeitung Das Unternehmen bearbeitet alle drei Aluminiumfamilien, von 6061 und 7075 über 303, 304, 316L und 17-4 PH bis hin zu Grade 2 und Ti-6Al-4V, und gibt innerhalb von 24 Stunden Rückmeldung zur Fertigungsfreundlichkeit der Konstruktion. Sie können den vollständigen Materialauswahl oder senden Sie uns eine Zeichnung über unsere CNC-Bearbeitungsdienstleistungen um sich vor der Bestellung zu vergewissern, dass dasselbe Teil in mehr als einer Metallausführung angeboten wird.

Häufig gestellte Fragen

F: Ist Titan fester als Edelstahl?

A: Nicht immer. Ti-6Al-4V erreicht eine Festigkeit von etwa 880 MPa und liegt damit deutlich über 304 oder 316, doch 17-4 PH im H900-Zustand übertrifft diesen Wert. Titan hat eher bei der Festigkeit pro Gewichtseinheit als bei der absoluten Festigkeit eindeutig die Nase vorn.

F: Warum ist die Bearbeitung von Titan so teuer?

A: Vor allem Maschinenstunden. Aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit staut sich die Wärme an der Schneidkante, was zu vier- bis zehnmal niedrigeren Schnittgeschwindigkeiten als bei Aluminium führt. Rechnet man dazu noch die kurze Standzeit der Werkzeuge, das teure Rohmaterial und den hohen Materialabfall, steigt der Kostenvoranschlag schnell an.

F: Können Aluminiumteile ohne Vorbehandlung im Freien verwendet werden?

A: Unbehandeltes Aluminium bildet zwar eine natürliche Oxidschicht, wird jedoch mit der Zeit matt und bekommt Lochfraß, insbesondere in salzhaltiger Luft. Für den Einsatz im Außenbereich und im maritimen Bereich wird in der Regel eine Anodisierung vom Typ II oder Typ III oder eine chemische Konversionsbeschichtung vorgeschrieben.

Frage: Welche der drei weist die engste Toleranz auf?

A: Alle drei Werkstoffe ermöglichen bei geeigneten Merkmalen enge Toleranzen. Titan bietet die beste Maßhaltigkeit über den gesamten Temperaturbereich, Aluminium lässt sich am einfachsten präzise bearbeiten, und Edelstahl liegt dazwischen, sofern der Endbearbeitungsdurchgang richtig geplant ist.

F: Ist 7075-Aluminium immer besser als 6061?

A: Nr. 7075 ist zwar deutlich fester, lässt sich jedoch nicht auf herkömmliche Weise schweißen, ist teurer und weist eine geringere Korrosionsbeständigkeit auf. Für Gehäuse, Halterungen und allgemeine Konstruktionsarbeiten bietet 6061-T6 nach wie vor das beste Verhältnis zwischen Kosten, Bearbeitbarkeit und Haltbarkeit.