5-Achs-Fräsen | Die fünf Dimensionen der Präzision im Simultanfräsen

Ein Kurzer Einstieg

Von der Hand zum Hightech

Stellen Sie sich einen Bildhauer vor, der aus einem rohen Marmorblock eine komplexe Skulptur formt. Er nähert sich dem Material aus unterschiedlichen Winkeln, verändert den Anstellwinkel seines Werkzeugs und arbeitet sich Schritt für Schritt zur finalen Form vor, stets mit dem Ziel, Geometrie und Oberfläche zu perfektionieren. 
Genau dieses Prinzip überträgt das 5-Achs-CNC-Fräsen in die industrielle Fertigung. Es erweitert das klassische Fräsen um zusätzliche Freiheitsgrade und ermöglicht die wirtschaftliche Herstellung komplexer, präziser Bauteile mit deutlich weniger Aufspannungen, kürzeren Durchlaufzeiten und hoher Prozesssicherheit. 

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Die Grundlagen:

Vom manuellen zum CNC-Fräsen

Fräsen ist ein spanabhebendes Fertigungsverfahren, bei dem ein rotierendes Werkzeug Material von einem fest eingespannten Werkstück abträgt.

Traditionell erfolgt diese Bearbeitung entlang drei linearer Achsen:

• X-Achse: Bewegung nach links und rechts.
• Y-Achse: Bewegung nach vorn und zurück.
• Z-Achse: Bewegung nach oben und unten.

Im Normalfall liegt die erreichbare Genauigkeit bei etwa ±0,1 mm bis ±0,05 mm (also ein bis zwei Zehntelmillimeter). Sehr erfahrene Facharbeiter können unter optimalen Bedingungen auf sehr guten Maschinen eventuell ±0,02 mm erreichen. Bei manuellen Fräsmaschinen hängen Qualität und Geschwindigkeit stark vom Bediener ab. Jeder Arbeitsschritt wird einzeln ausgeführt, wiederholt und kontrolliert. Das macht das Verfahren flexibel, aber zeitaufwendig und nur eingeschränkt reproduzierbar. 

Das Kürzel „CNC“ steht für „Computerized Numerical Control“, also eine computergestützte numerische Steuerung.

Mit dem Einzug der CNC-Technologie (Computerized Numerical Control) wurde die Bewegung der Maschine rechnergestützt gesteuert. Die erforderlichen Abläufe werden in Form eines Programms festgelegt, das üblicherweise in G-Code geschrieben ist.¹ Dieser kommt nicht nur in der Zerspanung, sondern auch im 3D-Druck, der Robotik und weiteren automatisierten Anwendungen zum Einsatz und beschreibt alle Bewegungen, Vorschübe und Prozessschritte der Maschine. 

Der entscheidende Fortschritt liegt dabei weniger in der maximal erreichbaren Genauigkeit, sondern in der Geschwindigkeit, Wiederholbarkeit und Prozessstabilität: Was früher Schritt für Schritt manuell ausgeführt werden musste, wird heute einmal programmiert und anschließend beliebig oft identisch wiederholt, schnell, zuverlässig und immer gleich.  Bereits Standard-CNC-Fräsmaschinen erreichen prozesssicher Toleranzen von ±0,02 mm bis ±0,01 mm. Hochpräzisionsmaschinen, wie sie im Werkzeug- oder Formenbau eingesetzt werden, arbeiten sogar im Bereich von ±0,005 mm (5 Mikrometer) oder besser.

Fäsmaschinen im Vergleich (Manuell vs. CNC)

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Die dritte Dimension

Was ist unter 3D-Bearbeitung zu verstehen?

In der Zerspanung beschreibt die 3D-Bearbeitung in der Regel das simultane Verfahren der drei Linearachsen X, Y und Z. So lassen sich komplexe Freiformflächen erzeugen, wie sie etwa im Formen- oder Werkzeugbau benötigt werden. 

Die Einschränkung liegt in der Werkzeugorientierung: Das Werkzeug bleibt während der Bearbeitung stets gleich ausgerichtet. Schräge Bohrungen, Hinterschnitte oder Mehrseitenbearbeitungen erfordern zusätzliche Aufspannungen oder spezielle Vorrichtungen und Werkzeuge – verbunden mit höherem Zeit- und Kostenaufwand. 

Genau das beschriebene Szenario bewerkstelligen 3-Achs-Fräsmaschinen. Sie erzeugen Freiformflächen. Das sind komplexe, frei geformte Oberflächen. Das Werkzeug bleibt dabei jedoch immer in der gleichen Ausrichtung zum Werkstück, meist senkrecht von oben.

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Die fünfte Dimension

Das 5-Achs-CNC-Fräsen

Das 5-Achs-Fräsen erweitert die drei Linearachsen um zwei zusätzliche Drehachsen, mit denen Werkzeug oder Werkstück geschwenkt werden können: 

• A-Achse: Rotation um die X-Achse
• B-Achse: Rotation um die Y-Achse
• C-Achse: Rotation um die Z-Achse

Eine 5-Achs-Maschine kombiniert drei Linearachsen mit zwei dieser Drehachsen. Je nach Maschinenkonzept werden entweder das Werkstück (z. B. über einen Schwenk-Rundtisch) oder das Werkzeug (z. B. über einen Schwenk- oder Gabelkopf) bewegt. 

Der entscheidende Unterschied zur 3-Achs-Bearbeitung liegt nicht primär in der Komplexität der Bewegung, sondern in der zusätzlichen Freiheit bei der Werkzeuganstellung. 

Zwei Betriebsarten, ein gemeinsames Ziel

3+2 oder simultan 

Beim 5-Achs-Fräsen werden zwei grundlegende Bearbeitungsarten unterschieden:

1. 3+2-Achs-Bearbeitung (Angestellt): Die Drehachsen positionieren Werkzeug oder Werkstück in einem festen Winkel. Die eigentliche Zerspanung erfolgt anschließend klassisch 3-achsig. Diese Betriebsart ist in der industriellen Praxis weit verbreitet, da sie: A) mehrere Seiten in einer Aufspannung ermöglicht B) die Programmierung vereinfacht 
2. 5-Achs-Simultanbearbeitung (Simultanfräsen): Alle fünf Achsen bewegen sich gleichzeitig und interpolierend. Diese Bearbeitungsform wird vor allem bei sehr komplexen Freiformgeometrien eingesetzt, bei denen sich der Werkzeugwinkel kontinuierlich ändern muss. 

Wichtig: Der größte wirtschaftliche Nutzen des 5-Achs-Fräsens liegt häufig bereits im 3+2-Betrieb da durch das Simultanfräsen der Programmieraufwand steigt. 

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Gerechtfertigter Aufwand

Entscheidende Vorteile einer 5-Achs-CNC-Fräsmaschine

Der Einsatz von 5-Achs-Technologie bringt klare Vorteile mit sich:

1. Reduzierte Rüstzeiten: Mehrseitenbearbeitung in einer Aufspannung 
2. Höhere Präzision: Weniger Lagefehler durch Wegfall von Umspannungen 
3. Höhere Präzision: Jedes manuelle Umspannen eines Werkstücks birgt das Risiko kleiner Ungenauigkeiten. Diese Fehler addieren sich über mehrere Aufspannungen. Da beim 5-Achs-Fräsen das Bauteil idealerweise nur einmal aufgespannt wird, entfallen diese Fehlerquellen. Die relative Genauigkeit der bearbeiteten Flächen zueinander ist signifikant höher. Dies führt zu einer insgesamt gesteigerten Präzision der gefertigten Bauteile.
4. Bessere Oberflächenqualität: Kürzere, steifere Werkzeuge und optimale Anstellwinkel 
5. Höhere Flexibilität: Schräge Bohrungen, komplexe Konturen, Hinterschnitte und Variantenvielfalt 

Gerade bei kleinen und mittleren Losgrößen sowie komplexen Bauteilen wirkt sich dies deutlich auf Qualität und Wirtschaftlichkeit aus. 

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Nicht automatisch perfekt

Wofür ist die Art von Maschine nicht ideal?

Trotz ihrer enormen Vorteile ist eine 5-Achs-Fräsmaschine nicht immer die beste Wahl. Es gibt Anwendungsfälle, in denen sie unwirtschaftlich oder technologisch überdimensioniert ist.

• einfache, prismatische Serienteile
• sehr große, flächige Bauteile mit Fokus auf Stabilität
• reine Drehteile mit hohen Stückzahlen

Hinzu kommen höhere Investitions-, Wartungs- und Programmierkosten. Die Entscheidung für 5 Achsen sollte daher immer technisch und wirtschaftlich getroffen werden.

Einfache, prismatische Bauteile in hoher Stückzahl: Für die Herstellung von großen Mengen einfacher Platten, Blöcke oder Halterungen, die nur Bohrungen oder Taschen auf einer Seite aufweisen, ist eine 3-Achs-Maschine oft schneller und kostengünstiger. Die Rüstzeit ist hier weniger entscheidend als die Zykluszeit, und die komplexen Bewegungsmöglichkeiten der 5-Achs-Maschine werden nicht benötigt.

• Rüstzeit in der Fertigung geschieht einmal pro Auftrag: Die Zeit, die ein Facharbeiter benötigt, um die Maschine für einen neuen Auftrag vorzubereiten. Dazu gehören das Einspannen der Vorrichtung, das Laden des CNC-Programms, das Einsetzen und Vermessen der Werkzeuge.
• Zykluszeit in der Fertigung wiedeholt sich für jedes Bauteil des Auftrags: Die Zeit, die die Maschine benötigt, um ein einziges Bauteil herzustellen. Dazu gehören das Einlegen des Rohteils, der eigentliche Fräsvorgang und die Entnahme des Fertigteils.

Bei kleinen Stückzahlen (z. B. 5 Prototypen) ist eine lange Rüstzeit der größte Kostenfaktor. Bei großen Stückzahlen (z. B. 10.000 Serienteile) ist eine kurze Zykluszeit der Schlüssel zur Wirtschaftlichkeit.

Bei über 5 Meter großen oder flächigen Bauteilen liegt der Fokus auf Stabilität und großem Verfahrwegen nicht auf komplexen Schwenkbewegungen. Für die reine Planbearbeitung von riesigen Maschinenbetten oder Grundplatten sind oft spezielle Portal- oder Plattenfräsmaschinen mit 3 Achsen besser geeignet.

Einfache Drehteile deren Stückzahlen jährlich im hohen vierstelligen Bereich beginnen, wie Wellen, Bolzen oder Flansche, werden primär auf Drehmaschinen gefertigt. Auch wenn moderne Dreh-Fräs-Zentren 5-Achs-Fähigkeiten besitzen, ist für ein reines Drehteil eine klassische Drehmaschine die wirtschaftlichste Lösung.

Die Anschaffungs-, Wartungs- und Betriebskosten für 5-Achs-Maschinen sind signifikant höher als für 3-Achs-Zentren. Die Programmierung ist komplexer und erfordert teurere CAM-Software und hochqualifizierte Bediener. Die Entscheidung für eine 5-Achs-Bearbeitung muss daher immer auch eine wirtschaftliche sein. Daher findet immer auch ein wirtschaftlicher Vergleich zu alternativen Fertigungsverfahren statt.

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Breit aufgestellt

Für welche Materialien ist das Verfahren geeignet?

Grundsätzlich kann eine CNC-Fräsmaschine, unabhängig von der Anzahl der Achsen, eine breite Palette von Materialien zerspanen. Die Eignung hängt primär von der Stabilität der Maschine, der Spindelleistung und der Wahl der richtigen Werkzeuge und Schnittparameter ab. Das 5-Achs-Fräsen wird für die Bearbeitung von praktisch allen zerspanbaren Materialien eingesetzt, insbesondere aber für schwer zerspannbare und teure Werkstoffen.

• Stähle und Werkzeugstähle: Von einfachen Baustählen über Vergütungsstähle bis hin zu hochfesten und gehärteten Werkzeugstählen.
• Edelstähle: Rost- und säurebeständige Stähle (V2A, V4A), die oft in der Medizintechnik und Lebensmittelindustrie eingesetzt werden.
• Aluminiumlegierungen: Leichte Werkstoffe mit hervorragendem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, prädestiniert für den modernen Leichtbau in der Luftfahrt und im Automobilsektor.
• Titanlegierungen: Extrem zugfeste, hitzebeständige und korrosionsfeste Hochleistungswerkstoffe für sicherheitskritische Komponenten im Bereich Aerospace und Defense.
• Kunststoffe und Faserverbundwerkstoff: Ein breites Spektrum von technischen Thermoplasten (z. B. PEEK, POM) bis hin zu hochsteifen Verbundmaterialien (CFK/GFK) für spezialisierte, gewichtsoptimierte Industrieanwendungen.

Besonders bei anspruchsvollen Materialien profitieren Anwender von der kontrollierten Werkzeuganstellung und den stabileren Bearbeitungsbedingungen. 

Der 5-Achs-Vorteil im Detail

Herausforderung – Materialauswahl: Manche Materialien sind extrem hart (oft > 58 HRC). Der Schnittdruck ist enorm hoch, und herkömmliche Frässtrategien führen schnell zu Werkzeugbruch oder schlechten Oberflächen.und Vorschüben, können hier ihr volles Potenzial entfalten. Die optimale Anstellung des Werkzeugs ist dafür eine Grundvoraussetzung.

• Stabilität ist alles: Genau wie bei Titan erlaubt der Einsatz kurzer, massiver Werkzeuge eine Bearbeitung mit der nötigen Stabilität, um dem hohen Schnittdruck standzuhalten.
• HSC-Strategien: Moderne 5-Achs-Strategien wie das High-Speed-Cutting (HSC) mit kleinen Zustellungen, aber extrem hohen Drehzahlen

Herausforderung – Aluminiumlegierungen: Ein sehr häufiges Material aufgrund seines geringen Gewichts und seiner guten Zerspanbarkeit. Einsatz im Flugzeugbau, Motorsport und Maschinenbau. Das Material lässt sich vergleichsweise einfach zerspannen, wodurch sich die Herausforderung meist in den komplexen Bauteilen ergibt. Häufig erfolgt eine „Zerspanung aus dem Vollen“, dünne Wände, Stege und Böden werden gefordert und wir müssen für eine effiziente Spanabfuhr sorgen.

• Kontrolle über den Verzug: Durch die Komplettbearbeitung in möglichst einer Aufspannung wird das Bauteil erst ganz zum Schluss „freigegeben“. Dies minimiert den Verzug während des Prozesses. Zudem können die Bearbeitungsstrategien so gewählt werden, dass Material symmetrisch abgetragen wird, um Spannungen kontrolliert abzubauen.
• Stabile Bearbeitung dünner Wände: Durch die optimale Anstellung des Werkzeugs kann der Schnittdruck ideal auf die labile Wand geleitet werden, anstatt sie wegzudrücken. Der Einsatz kürzerer, steiferer Werkzeuge verhindert Vibrationen und ermöglicht exzellente Oberflächen auch bei filigransten Strukturen.
• Perfekte Spanabfuhr: Durch das Schwenken des Bauteils oder des Kopfes können tiefe Taschen so positioniert werden, dass die Späne durch Schwerkraft und Kühlmittel einfach herausfallen. Dies ist oft der entscheidende Faktor, um überhaupt mit maximaler Geschwindigkeit (HSC – High Speed Cutting) prozesssicher fräsen zu können.

Herausforderung – Titanlegierungen: Diese Werkstoffe sind extrem zäh und leiten Wärme sehr schlecht. Bei der Zerspanung entsteht enorme Hitze, die nicht ins Bauteil abfließt, sondern im Werkzeug konzentriert wird. Dies führt zu extrem schnellem Werkzeugverschleiß und kann die Materialstruktur des Werkstücks negativ verändern (Aufhärtung). Schwer zerspanbar, aber aufgrund ihrer hohen Festigkeit bei geringem Gewicht und exzellenter Korrosionsbeständigkeit in der Luft- und Raumfahrt sowie der Medizintechnik unverzichtbar.

• Weniger Vibration: Durch den Einsatz kürzerer und dickerer Werkzeuge wird der gesamte Prozess stabiler und Vibrationen (das sogenannte „Rattern“) werden minimiert. Dies schont die Schneide und verbessert die Oberflächenqualität.
• Bessere Schnittbedingungen: Durch die konstante Anpassung des Anstellwinkels wird die Schnittkraft optimal verteilt und die Wärmeentwicklung kann besser kontrolliert werden. Man kann mit der robusteren Flanke des Werkzeugs schneiden statt mit der empfindlichen Spitze, was die Standzeit des Werkzeugs drastisch erhöht.

Herausforderung – Superlegierungen: Nickel- oder Kobaltbasislegierungen (z.B. Inconel), die extrem hitzebeständig sind und in Gasturbinen oder Triebwerken verwendet werden. Diese Materialien bestehen aus Fasern und einer Matrix (z.B. Harz). Beim Fräsen neigen sie zu Delamination (die Schichten trennen sich), Faserüberständen und schnellem abrasivem Werkzeugverschleiß.

• Die 5-Achs-Simultanbearbeitung ist hier oft die einzige Möglichkeit zur Herstellung der komplexen Schaufelgeometrien.

Herausforderung – Kunststoffe und Composites: Von technischen Kunststoffen wie PEEK oder POM bis hin zu faserverstärkten Werkstoffen wie CFK (carbonfaserverstärkter Kunststoff) oder GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff).

• Der entscheidende Vorteil ist die kontrollierte Werkzeuganstellung. Das Werkzeug kann so geneigt werden, dass die Fasern sauber geschnitten und nicht aus der Matrix gerissen werden. Dies ist für die Bauteilqualität absolut kritisch. Ein 3-Achs-Fräser, der immer nur von oben kommt, würde die oberen Lagen zerdrücken und ausfransen lassen.

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fundiert Und umsetzbar

Ein tieferer Einblick in Strategie und Technik

Der Maschinenaufbau, auch als Kinematik bezeichnet, bestimmt maßgeblich Präzision, Dynamik und Einsatzbereich einer 5 Achs Fräsmaschine. 

Maschinenkinematik

1. Schwenk Rundtisch: Hohe Stabilität und Genauigkeit, besonders geeignet für kleine bis mittlere Bauteile 
2. Schwenk oder Gabelkopf: Geeignet für große oder schwere Werkstücke, da das Werkstück fest eingespannt bleibt und die Bewegung über das Werkzeug erfolgt

Moderne CNC Steuerungen stellen sicher, dass die Werkzeugspitze auch bei geschwenkten Achsen exakt der programmierten Bahn folgt. Durch den Einsatz von Heidenhain Steuerungen mit RTCP und TCPM wird die Position der Werkzeugspitze kontinuierlich korrigiert. 

Vergleich der Maschinenkinematik

Tool Center Point Control (TCPC) / Traori

Lediglich bei Siemens-Steuergeräten heißt die Funktion Transformation Orientierung, Traori.

TCPC sorgt dafür, dass die Werkzeugspitze exakt auf der programmierten Bahn am Werkstück entlangfährt, auch wenn die Linear- und Drehachsen komplexe Ausgleichsbewegungen durchführen müssen. Ohne diese Funktion wäre eine präzise Programmierung und Fertigung im 5-Achs-Betrieb praktisch unmöglich. Die Steuerung kompensiert in Echtzeit die Längenänderung des Werkzeugs und die Bewegungen der rotatorischen Achsen. Eine entscheidende Funktion der Steuerung beim Simultanfräsen.

Der Programmierer sagt der Maschine nur noch, wo die Werkzeugspitze sein und wie sie ausgerichtet sein soll. Die Maschine kümmert sich selbst um die komplizierte Mathematik, welche Achsen sich dafür wie bewegen müssen.

CAM-Programmierung und Postprozessor

Die Komplexität der Werkzeugwege beim Simultanfräsen erfordert zwingend den Einsatz eines leistungsfähigen CAM-Systems (Computer-Aided Manufacturing). Die Programmierung erfolgt nicht mehr an der Maschine, sondern am Computer an einem 3D-Modell. Eine kritische Komponente ist der Postprozessor. Er ist die „Übersetzer-Software“, die die neutralen Werkzeugwege aus dem CAM-System in den spezifischen G-Code der jeweiligen Maschinensteuerung umwandelt. Ein perfekt angepasster Postprozessor ist der Schlüssel zu einer fehlerfreien und effizienten Fertigung.

Da ein Standard-Postprozessor oft nicht perfekt ist, wird er an die spezifischen Bedürfnisse und Wünsche des Unternehmens angepasst. Ein erfahrenen CNC-Fräsers oder Programmierers passt diesen an, damit er perfekt auf die spezifische Maschine und die betrieblichen Abläufe abgestimmt ist. Dies ist notwendig, um alle Sonderfunktionen der Maschine wie spezielle Messzyklen zu nutzen, firmeninterne Programmierstandards für mehr Sicherheit durchzusetzen und den NC-Code für maximale Effizienz zu optimieren, indem unnötige Bewegungen eliminiert und maschineneigene Zyklen verwendet werden.

Optimierung der Schnittbedingung

Die wahre Kunst beim 5-Achs-Fräsen liegt in der strategischen Nutzung des zusätzlichen Bewegungsgrads. Anstatt ein Bauteil nur „irgendwie“ zu bearbeiten, kann der Programmierer die Anstellung des Werkzeugs kontinuierlich optimieren. Beim Schlichten von Freiformflächen kann beispielsweise ein Kugel- oder Torusfräser so angestellt werden, dass nicht die empfindliche Spitze, sondern der robustere Umfang des Werkzeugs schneidet. Dies vergrößert den effektiven Schnittradius, was bei gleichem Zeilensprung zu einer drastisch verbesserten Oberflächengüte führt. Die Definition der optimalen Schnittbedingung (Vorschub, Drehzahl, Schnitttiefe) ist im 5-Achs-Kontext eine hochkomplexe Aufgabe, die viel Erfahrung erfordert.

Optimierung der Schnittbedingung

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Erkenntnisse zusammengefasst

Fazit und Ausblick

5-Achs-Fräsen ist weit mehr als nur eine Bearbeitung mit zusätzlichen Achsen. 
Es ist ein strategisches Werkzeug zur Reduzierung von Aufspannungen, zur Steigerung der Prozesssicherheit und zur wirtschaftlichen Fertigung komplexer Bauteile. 

Nicht maximale Komplexität, sondern der gezielte und praxisgerechte Einsatz der zusätzlichen Freiheitsgrade entscheidet über den Erfolg. Mit zunehmend leistungsfähigen CAM-Systemen und CNC-Steuerungen wird die 5-Achs-Bearbeitung weiter an Bedeutung gewinnen.