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Einzelteile auf numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen fertigen - Technischer Modellbauer - LF 9

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Einleitung

Du bearbeitest einen fiktiven, aber berufstypischen Auftrag im Technischen Modellbau: Aus einer technischen Zeichnung und einer 2D-CAD-Kontur wird ein überprüftes Einzelteil auf einer CNC-Werkzeugmaschine. Dabei zählt nicht allein, ob ein Fräser eine Form erzeugt. Du musst Anforderungen klären, Rohling und Spannmittel auswählen, Schnittdaten berechnen, ein CNC-Programm vorbereiten, die Bearbeitung simulieren, Gefährdungen beherrschen, Maße prüfen und den Auftrag nachvollziehbar dokumentieren.

Der Kurs orientiert sich am KMK-Lernfeld 9 „Einzelteile auf numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen fertigen“ des zweiten Ausbildungsjahres (Zeitrichtwert 80 Unterrichtsstunden). Die Inhalte gelten im zugrunde gelegten Rahmenlehrplan zunächst fachrichtungsübergreifend. Die nachfolgenden Beispiele sind didaktische Muster, keine freigegebenen Fertigungsprogramme. Jede reale Bearbeitung, das Einrichten und der Maschinenanlauf erfolgen ausschließlich nach betrieblicher Unterweisung, Gefährdungsbeurteilung, Maschinenhandbuch und unter befugter fachlicher Aufsicht. Du kannst alle Rechen-, Planungs- und Simulationsaufgaben auch ohne reale Maschine bearbeiten.

Dein Lernziel: Du kannst einen CNC-Auftrag selbstständig analysieren, einen begründeten Arbeits- und Werkzeugplan erstellen, Geometrie und technologischen Datenweg erklären, die Simulation auswerten, ein prüfbares Arbeitsergebnis nachweisen und Verbesserungen unter Qualitäts-, Sicherheits-, Umwelt- und Wirtschaftlichkeitsgesichtspunkten vorschlagen.

Rechtlicher Stand Oktober 2026: Das BIBB nennt für den bisherigen Beruf „Technischer Modellbauer/Technische Modellbauerin“ die Ausbildungsordnung von 2009 einschließlich einer Änderung vom 4. August 2026 und weist auf eine Neuordnung mit Inkrafttreten am 1. August 2027 hin. Prüfe daher für deinen Ausbildungsbeginn stets die geltende Ordnung sowie den betrieblichen Ausbildungsplan, die zuständige HWK oder IHK und den Landeslehrplan. Dieser OER-Kurs beansprucht weder amtliche Anerkennung noch eine Prüfungszulassung. Quellen stehen unter „OER und Wikipedia“.

Fertigungsauftrag, Zeichnung und Rohling analysieren

Vom Auftrag zu überprüfbaren Anforderungen

Ein Fertigungsauftrag enthält mindestens den Verwendungszweck, Werkstoff, Stückzahl, Liefertermin, Zeichnungsstand und die geforderten Maße. Im technischen Modellbau können Einzelteile als Modellplattenelement, Anschauungsteil, Vorrichtungsteil oder Prototyp dienen. Frage zuerst: Welche Flächen sind funktionsentscheidend? Welche Bezugskanten werden montiert? Welche Maße, Toleranzen und Oberflächen müssen später nachgewiesen werden? Welche Angaben sind unklar? Eine unvollständige Zeichnung wird vor der Fertigungsfreigabe geklärt und nicht eigenmächtig ergänzt.

Fertigungsgerechte Teilzeichnung bedeutet: Ansichten, eindeutige Bemaßung, Bezugssystem, Werkstoff, gegebenenfalls Allgemeintoleranzen, Maß-, Form- und Lagetoleranzen sowie Oberflächenforderungen sind so dokumentiert, dass Fertigung und Prüfung dieselbe Soll-Geometrie verstehen. Allgemeintoleranzen gelten nur, wenn sie für den konkreten Auftrag festgelegt sind; alte Normverweise dürfen nicht pauschal unterstellt werden. Ein Beispiel ist eine rechteckige Modellplatte mit mittiger Tasche. Bei einer 2D-Zeichnung wird die Kontur in X und Y beschrieben, während Zustelltiefen über Z festgelegt werden.

CAD-Daten übernehmen und Rohling festlegen

CAD liefert Geometrie, aber keine automatische Fertigungsfreigabe. Prüfe beim Import einer DXF- oder vergleichbaren 2D-Datei: Ist die Einheit Millimeter? Sind Linien geschlossen, Radien korrekt und Doppelkonturen entfernt? Stimmen Layer, Maßstab, Nullpunkt, Konturorientierung und Zeichnungsrevision? Eine importierte Linie ist nicht automatisch eine sichere Werkzeugbahn. Für die Prozessplanung klärst du zusätzlich den Werkstoff und den Platz für Spannmittel und Bearbeitungszugaben.

Rohling bezeichnet das unbearbeitete Ausgangsteil. Aufmaß ist die für nachfolgende Bearbeitung bewusst vorgesehene Materialzugabe. Beispiel: Für ein Fertigteil 80 × 60 × 12 mm kann ein Rohling 84 × 64 × 16 mm vorgesehen werden, sofern das Spannkonzept und die vorhandene Maschine dies erlauben. In X und Y stehen dadurch zunächst je 2 mm pro Seite, in der Gesamtdicke 4 mm zum Abtrag bereit; die genaue Verteilung auf Ober- und Unterseite muss im Arbeitsplan festgelegt werden. Zu wenig Aufmaß riskiert Fehlstellen, unnötig viel Aufmaß erhöht Bearbeitungszeit, Verschnitt und Materialbedarf.

Typische Fehler: Verwechslung von Zoll und Millimeter, fehlende Angabe des Zeichnungsstands, unterschiedliche Bezugskanten in CAD und Prüfplan oder eine Tasche ohne zugängliche Innenradien. Eine Werkzeugbahn muss den tatsächlichen Werkzeugdurchmesser berücksichtigen: Ein Fräser mit 8 mm Durchmesser kann ohne Sonderverfahren keine geometrisch scharfkantige Innenecke herstellen.

Maschine, Achsen, Werkstücknullpunkt und Spannen

CNC-Maschine und Koordinatensysteme

CNC bedeutet rechnergestützte numerische Steuerung. Eine CNC-Fräsmaschine besitzt unter anderem Maschinenbett und Führungen, Antriebe, Spindel, Werkzeugaufnahme, Steuerung, Mess- bzw. Referenzsysteme, Spannvorrichtung und Schutzeinrichtungen. Ein Bearbeitungszentrum ergänzt typischerweise automatischen Werkzeugwechsel. Je nach Maschine bewegen sich Werkzeug, Tisch oder beide. Deshalb müssen Achsrichtung und Vorzeichen immer der spezifischen Maschinen- und Steuerungsdokumentation entnommen werden.

Maschinennullpunkt ist der herstellerseitig festgelegte Bezug, Werkstücknullpunkt der für den Auftrag definierte Ursprung am Werkstück. Ein Werkstückoffset verknüpft beide Systeme; beispielsweise kann ein Steuerungsdatensatz wie G54 dafür verwendet werden, sofern die Steuerung dies unterstützt. Werkzeuglängenkorrektur berücksichtigt die wirksame Werkzeuglänge; Werkzeugradiuskorrektur oder bereits korrigierte CAM-Bahnen berücksichtigen die seitliche Werkzeugabmessung. Fehler bei Nullpunkt, Werkzeuglänge oder Korrekturvorzeichen können zu Ausschuss und Kollision führen.

Schematische Orientierung eines rechtshändigen kartesischen Achsensystems; die tatsächlichen Verfahrrichtungen an deiner Maschine sind gesondert zu prüfen. Quelle: Wikimedia Commons, Acdx und cmglee, CC BY-SA 4.0.

Für das Musterteil liegt der programmtechnische Bezugspunkt X0/Y0 an der linken unteren Ecke der fertig bearbeiteten Platte und Z0 auf der fertigen Oberseite. Die Tasche reicht von X20 bis X60 und von Y20 bis Y40; die Taschenunterseite liegt bei Z = −2 mm. Diese Festlegung gilt erst nach Planbearbeitung der Bezugflächen. Im Auftrag werden Maschinennullpunkt, Werkstücknullpunkt, Spannhöhe und Werkzeugdaten getrennt festgehalten.

Spannplan und Schutzmaßnahmen

Ein Spannplan zeigt Lage, Anschläge, Auflageflächen, Spannkräfte bzw. zulässige Spannbedingungen, Werkzeugzugänglichkeit und freizuhaltende Räume. Der Rohling muss form- und kraftschlüssig bzw. gemäß Spannmittelhersteller sicher gehalten werden, ohne empfindliche Modellflächen zu verformen. Ein Probespannkonzept auf Papier oder im CAD genügt als schulische sichere Alternative; reale Spannkraftwerte stammen aus geprüften Herstellervorgaben, nicht aus diesem Kurs.

CNC-Fräsprozess als Anschauungsfoto. Quelle: Wikimedia Commons, Impressionmanufacturer, CC BY-SA 4.0. Keine Aufforderung, ohne Aufsicht an eine Maschine zu greifen.

Unverhandelbar im Betrieb: Nur befugte und unterwiesene Personen richten ein und starten die Maschine. Vor Inbetriebnahme werden betriebliche Freigaben, Schutztüren, Verriegelungen, Schutzscheiben, Not-Halt-Erreichbarkeit, Spannmittelzustand, Werkzeugaufnahme und das vorgeschriebene Vorgehen beim Einrichten kontrolliert. Eine Simulation ersetzt weder Gefährdungsbeurteilung noch reale Schutzfunktionen. Manipuliere niemals Verriegelungen; greife nie bei laufender Spindel in den Gefahrenbereich. Späne können scharf sein, Kühlschmierstoffe die Haut belasten, und verschüttete Medien Rutschgefahren erzeugen. Für Holz- und Kunststoffstäube gelten zusätzlich geeignete Absaugung, Brand- und Gesundheitsschutz nach Gefährdungsbeurteilung. Anforderungen an persönliche Schutzausrüstung und Verhalten richten sich nach Maschine, Werkstoff, Betriebsanweisung und betrieblicher Unterweisung.

Die Betriebssicherheitsverordnung verlangt eine Gefährdungsbeurteilung und Unterweisung; die DGUV beschreibt für CNC-Fräsmaschinen insbesondere trennende Schutzeinrichtungen und den gesicherten Automatikbetrieb. Die bei DIN Media als aktuell geführte DIN EN ISO 16090-1:2024-08 behandelt Sicherheitsanforderungen an geeignete Bearbeitungszentren und Fräsmaschinen. Ihr Anwendungsbereich ist zu prüfen und erfasst nicht unterschiedslos alle Holz- und Kunststoffmaschinen. Verbindlich sind die jeweils zutreffenden Rechtsgrundlagen, Herstellerunterlagen und die betriebliche Schutzorganisation.

Werkzeuge, Schnittdaten und wirtschaftlicher Arbeitsplan

Werkzeuge auswählen und Parameter begründen

Für eine Tasche ist häufig ein Schaftfräser geeignet; für das Planen der Bezugfläche kann ein Planfräser sinnvoll sein. Material, Schneidstoff, Durchmesser, Schneidenzahl, Werkzeugauskragung, Beschichtung und Kühlschmierstrategie beeinflussen Ergebnis und Standzeit. Die Schnittgeschwindigkeit v_c gibt die Umfangsgeschwindigkeit am wirksamen Schneiddurchmesser in m/min an. Die Drehzahl n wird in min⁻¹ angegeben; der Zahnvorschub f_z in mm/Zahn, der Bahnvorschub v_f in mm/min. Diese Größen dürfen nicht verwechselt werden.

Beispiele unterschiedlicher Fräswerkzeuge; die tatsächliche Eignung richtet sich nach Werkstoff und Herstellerdaten. Quelle: Zhou Yuqing, Sun Bingtao, Li Fengping und Song Wenlei, CC BY 4.0, über Wikimedia Commons.

Für einen rein rechnerischen Übungsfall mit einem zweischneidigen Schaftfräser Ø 8 mm, angenommener Schnittgeschwindigkeit 150 m/min und angenommenem Zahnvorschub 0,04 mm/Zahn gelten die Beziehungen:

$n = \frac{1000 \cdot v_{c}}{π \cdot D} = \frac{1000 \cdot 150}{π \cdot 8} \approx 5968 {m i n}^{- 1}$
$v_{f} = n \cdot z \cdot f_{z} = 5968 \cdot 2 \cdot 0,04 \approx 477 m m / m i n$

Die Rechenergebnisse sind keine Maschinenempfehlung: Werkstoffdatenblatt, Werkzeughersteller, Maschinenleistung, Eingriffsbreite, Schnitttiefe, Kühlschmierung und sichere Spannlage müssen gemeinsam berücksichtigt werden. Für ein einzelnes gerades Wegstück von 32 mm ergibt die idealisierte Vorschubzeit $t = 32 / 477 \approx 0,067 m i n \approx 4,0 s$ . Dieser Wert ignoriert Beschleunigungen, An- und Ausfahrten und Nebenzeiten; er ist nicht die Zykluszeit der fertigen Tasche.

Arbeits- und Werkzeugplanung

Ein Arbeitsplan hält je Schritt die Ausgangssituation, Bearbeitungsart, Werkzeug, Spannlage, erforderliche Dokumente, Prüfschritt und Ergebnis fest. Die Werkzeugliste ordnet Werkzeugnummern den tatsächlich eingemessenen Werkzeugen zu. Ein Rüstplan hält Spannmittel, Werkstückbezug und Einstelldaten fest. Fertigungsplanung ist immer auch Nachhaltigkeit: Verringerte Leerwege, angemessene Aufmaße, langlebige Werkzeuge, Trennung von Spänen und Kühlschmierstoffen und sachgerechte Reststoffentsorgung reduzieren Kosten und Umweltbelastung. Energieersparnis darf nie zur Abkürzung sicherheitskritischer Prüfschritte führen.

Planungsschritt	Dokument oder Werkzeug	Qualitäts- und Sicherheitskontrolle
Auftrag und Zeichnung prüfen	Teilzeichnung, Revisionsstand, 2D-CAD-Datei	Freigaben, Maße, Bezugssystem, Einheiten
Rohling vorbereiten	Werkstoffnachweis, Rohmaß, Kennzeichnung	Werkstoffidentität, genügend Aufmaß, scharfe Kanten
Aufspannung und Bezüge planen	Spannskizze und Arbeitsblatt	Zugänglichkeit, freie Wege, geschützte Bereiche
Werkzeuge und Schnittdaten festlegen	Werkzeugliste, Herstellerempfehlungen	Durchmesser, Auskragung, zulässige Parameter
Werkzeugwege programmieren	CAM-Projekt bzw. Steuerungsentwurf	Nullpunkt, An-/Abfahrten, Tiefenzustellungen
Simulation und betriebliche Freigabe	Simulationsprotokoll, Maschinenanweisung	Kollision, Restmaterial, Schutzprüfung
Fertigung unter befugter Aufsicht	Freigegebener Arbeitsablauf	Prozessüberwachung ohne Eingriff in den Gefahrenraum
Einzelteil prüfen und dokumentieren	Messprotokoll, Versions- und Übergabedokument	Soll-Ist-Vergleich und Freigabestatus

Häufige Planungsfehler: Ein Werkzeug wird nur nach Durchmesser statt nach Werkstoff und Schneidstoff gewählt; Vorschubwerte werden ohne Einheiten kopiert; Einspannhöhe oder Aufmaß werden in der Simulation nicht abgebildet; Werkzeug- und Programmnamen lassen sich nicht eindeutig zuordnen.

CNC-Programmierung, Simulation und digitale Prozesskette

Von 2D-CAD über 2½D zu CNC-Daten

Bei 2½D-Fräsen werden Konturen in einer Ebene beschrieben und mit bestimmten Z-Ebenen oder Tiefenzustellungen kombiniert. Das eignet sich zum Beispiel für Taschen, Stufen, Nuten, Außenkonturen und Bohrbilder. Anders als bei einer frei geformten dreidimensionalen Oberfläche reicht dafür oft eine zweidimensionale Kontur mit zusätzlichen Tiefenangaben. Als Geometriebasis importierst du die geprüften CAD-Daten. Das CAM-System legt Werkzeug, Zustelltiefen, Zustellstrategie, Ein-/Ausfahrwege und gegebenenfalls Haltestege fest. Ein Postprozessor wandelt die berechneten CAM-Bahnen in die zur konkreten CNC-Steuerung passende NC-Datei um. Eine Datei, die am Bildschirm plausibel aussieht, ist dadurch nicht automatisch maschinengeeignet.

Beispiel einer Zickzack-Räumstrategie für eine Frästasche. Die tatsächlichen Bahnen, Randzustellungen und Hindernisse müssen simuliert werden. Quelle: Kangkan iitd, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons.

Manuelle Programmierung beschreibt die Bahn und Bearbeitung mithilfe von Steuerungsbefehlen. Werkstattorientierte Programmierung arbeitet mit dialoggeführten Eingaben zu Konturen und Bearbeitungszyklen. Zyklen fassen wiederkehrende Bearbeitungen wie Bohren oder Taschenfräsen zusammen; Unterprogramme vermeiden Doppeleingaben, können aber einen falschen Parameter mehrfach verbreiten. Häufige Konzepte sind lineare und kreisförmige Bewegungen sowie Werkzeug- und Nullpunktbezüge; konkrete Codes, Modalzustände und Kreisbogenparameter unterscheiden sich zwischen Steuerungen und Softwareständen. Deshalb werden hier keine direkt an einer Maschine ausführbaren Befehlsfolgen bereitgestellt.

Geometriebeispiel: Für die Tasche X20 bis X60 und Y20 bis Y40 mit Innenradius 4 mm sowie einem Werkzeugradius 4 mm ergibt sich für die letzte innere Umfahrkontur eine theoretische Werkzeugmittelpunktlinie von X24 bis X56 und Y24 bis Y36. Die Strecken zwischen den vier Eckpunkten bilden ein Rechteck von 32 × 12 mm, dessen Konturlänge $2 (32 + 12) = 88 m m$ beträgt. Die Eckpunkte allein erzeugen jedoch noch keine vollständig ausgeräumte Tasche. Zusätzliche sichere Räumbahnen, Einfahrstrategie, Zustellungen, verbleibendes Material und Spannmittelabstand sind in der Simulation zu prüfen. Ein geometrisch scharfes Inneneck wäre mit diesem Werkzeug nicht herstellbar.

Simulation, Freigabe und Datensicherung

Eine sinnvolle Prüfung erfolgt in Stufen: Geometrieprüfung (Kontur geschlossen, Einheit richtig), Bahnprüfung (Werkzeugradius und Tiefen), Materialabtragssimulation (Restmaterial, mögliche Kollisionen mit Rohling oder Spannmitteln), steuerungsspezifische Programmprüfung (Postprozessor, Werkzeug- und Nullpunktdaten) sowie betriebliche Freigabe unter Aufsicht. Insbesondere Eilgangbewegungen, sichere Anfahrhöhe und Werkzeugwechselpositionen müssen anhand des realen Setups überprüft werden. Ein digitaler Zwilling ist nur so verlässlich wie seine Werkzeug-, Spannmittel- und Maschinenmodelle.

Für eine ungefährliche Übung kannst du eine synthetische 2D-Zeichnung in einer geeigneten Lern-CAM-Umgebung simulieren. Beispiel: Browser2CAM beschreibt einen lokalen Browser-Ablauf aus DXF-Import, Werkzeugweg, Simulation und Ausgabe; verwende dort ausschließlich Übungsdaten und übertrage nichts ungeprüft auf reale Maschinen. Alternativ arbeitest du mit einer gedruckten Koordinatenskizze und markierst Fräsermittelpunktbahnen farbig.

Datensicherung und Datenschutz: Speichere CAD-Original, fertigungsgerechte Zeichnung, CAM-Projekt, zugehörige Werkzeugliste, Simulationsbericht und freigegebene NC-Version getrennt mit Revisionskennung. Prüfe Dateinamen, Einheiten und Versionsbezug. Benutze nur vom Ausbildungsbetrieb freigegebene Speichersysteme und Zugriffsrechte; keine echten Kundendaten, privaten Personenlisten oder unfreigegebenen Betriebsdateien in öffentliche Cloud- oder KI-Dienste hochladen. Ändert sich Nullpunkt, Werkzeug oder Geometrie, ist die passende Simulation und betriebliche Freigabe erneut erforderlich.

Deutschsprachiges Fachvideo – Werkstücknullpunkte und Koordinatensysteme (EduVision – Technical Education, veröffentlicht 13.02.2024):

Deutschsprachiges Fachvideo – Zyklen, Bohrungen und Taschen in einem CNC-Lernprogramm (EduVision – Technical Education, veröffentlicht 08.05.2025; steuerungsspezifische Beispiele nicht ungeprüft übertragen):

Vollständiger Praxisfall: Modellplattenelement fertigen und prüfen

Auftragsdaten und Arbeitsplan

Fiktiver Schulauftrag P-LF9-01: Für eine Modellplatteneinrichtung soll eine rechteckige Aluminiumplatte mit einer mittigen, 2 mm tiefen Tasche geplant und bei geeigneter betrieblicher Ausstattung unter Aufsicht gefertigt werden. Alle Maße, Werte und Messdaten sind synthetisch und dienen der Übung. Vorgabe: fertige Außenmaße 80,00 ± 0,10 mm × 60,00 ± 0,10 mm × 12,00 ± 0,10 mm. Die Tasche besitzt die Abmessungen 40,00 ± 0,15 mm × 20,00 ± 0,15 mm, eine Tiefe von 2,00 ± 0,10 mm und planmäßig einen Innenradius von 4 mm (Radius-Prüfumfang vor realer Umsetzung vereinbaren). Ihr Mittelpunkt liegt bei X40/Y30; Bezug X0/Y0 ist links unten auf der fertigen Oberseite. Gefordert sind entgratete Kanten ohne erkennbare Beschädigung der Funktionsfläche. Werkzeug, Werkstoff und Schnittdaten werden im realen Betrieb erst nach Herstellerfreigabe festgelegt.

Arbeitsfolge: (1) Zeichnung und CAD-Revision prüfen; (2) Materialnachweis und Rohling 84 × 64 × 16 mm kontrollieren; (3) Spannplan einschließlich Auflagen und Werkzeugfreiräumen entwerfen; (4) Bezugsflächen und Außenkontur planen; (5) Werkzeuge, Schnittdaten, Maßkontrollen und Tiefenzustellungen dokumentieren; (6) Taschenwerkzeugwege mit Schrupp- und Schlichtanteil sowie geeigneter Einfahrstrategie erstellen; (7) vollständige Simulation mit Rohling, Werkzeug und Spannmitteln beurteilen; (8) nur nach fachlicher Freigabe die reale Maschine einrichten und bedienen; (9) Maße prüfen, Fehler bewerten, gegebenenfalls gesperrtes Teil kennzeichnen; (10) NC-/CAM-Version und Prüfergebnis übergeben.

Begründung der Reihenfolge: Erst die freigegebenen Bezugflächen erlauben ein verlässliches Werkstückkoordinatensystem. Die Außenbearbeitung muss sich mit der tatsächlich möglichen Spannlage vereinbaren lassen; eventuell sind mehrere sichere Aufspannungen nötig. Die Taschenbearbeitung folgt auf einen eindeutigen Bezug. Für eine rein simulierte Bearbeitung dürfen Spannwechsel als dokumentierte Annahmen modelliert werden. Diese Musterfolge ist kein maschinenfertiger Arbeitsauftrag.

Rechenweg, Geometrie und Simulationsergebnis

Der Rohling hat ein Volumen von $84 \cdot 64 \cdot 16 = 86016 {m m}^{3}$ , der fertig rechteckige Grundkörper vor der Tasche $80 \cdot 60 \cdot 12 = 57600 {m m}^{3}$ . Die Differenz von 28 416 mm³ ist bei diesen Modellmaßen das planmäßige Aufmaßvolumen des Außenkörpers. Die rechteckige Bruttofläche der Tasche beträgt $40 \cdot 20 = 800 {m m}^{2}$ . Wegen der vier Innenradien R4 ist ihre tatsächliche Grundfläche kleiner: $A = 800 - 4 \cdot (4^{2} - π \cdot 4^{2} / 4) \approx 786,27 {m m}^{2}$ ; bei 2 mm Tiefe entspricht dies theoretisch $V \approx 1572,5 {m m}^{3}$ . Diese Rechnung zeigt, warum ein rechteckiges CAD-Ausmaß nicht mit einer scharfkantigen Taschenfläche verwechselt werden darf.

Mit den ausschließlich angenommenen Übungswerten Ø8 mm, zwei Schneiden, 150 m/min und 0,04 mm/Zahn erhältst du n ≈ 5968 min⁻¹ und v_f ≈ 477 mm/min (siehe Kapitel 3). Für eine ideale rechteckige letzte Werkzeugmittelpunktbahn mit 88 mm Länge sind $88 / 477 \approx 0,1845 m i n \approx 11,1 s$ zu berechnen. Bei zwei gedanklichen Tiefenlagen von je 1 mm ergeben zwei solche idealen Konturumläufe etwa 22,2 Sekunden reine Bahnvorschubzeit. Dies ist weder eine vollständige Tasche noch eine fertige Maschinenzeit: Räumen der Innenfläche, Einfahren, Rückzug, Beschleunigung, Werkzeugwechsel, Messung und Nebenzeiten fehlen. Eine wirtschaftlich belastbare Zeit ermittelst du nur aus dem vollständigen simulierten Arbeitsplan.

Prüfbares Simulationsergebnis: Zeichnungsstand und Einheiten stimmen; die in der Simulation ausgewertete Tasche liegt bei X20–60/Y20–40, reicht bis Z−2, hat mindestens R4-Innenecken, lässt laut Modell keine Restinseln zurück und vermeidet in der modellierten Aufspannung Kollisionsbereiche. Halte die Grenzen der Simulation ausdrücklich fest. Nur der zuständige Ausbilder kann das reale Setup und dessen betrieblichen Freigabestatus bewerten.

Prüfprotokoll und Bewertungsraster

Beispiel eines digitalen Messschiebers. Quelle: Lior Streng, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons. Für Tiefen, Oberflächen und enge Form-/Lagetoleranzen sind je nach Messaufgabe weitere geeignete Prüfmittel notwendig.

Eine sinnvolle Prüfung setzt ein kalibriertes bzw. geeignetes Messmittel, definierte Messstellen, einen passenden Temperatur- und Werkstückzustand, die richtige Bezugsfläche und dokumentierte Messunsicherheit voraus. Messschieber können für Außen- und Taschenbreiten geeignet sein; Tiefe und Dicke werden mit den dafür vorgesehenen Prüfmitteln kontrolliert. Der folgende fiktive Soll-Ist-Vergleich dient als auswertbarer Lernnachweis und ersetzt kein betriebliches Abnahmeprotokoll:

Prüfmerkmal	Soll und Toleranz	Fiktiver Istwert	Auswertung
Länge	80,00 ± 0,10 mm	80,04 mm	innerhalb 79,90 bis 80,10 mm
Breite	60,00 ± 0,10 mm	59,97 mm	innerhalb 59,90 bis 60,10 mm
Dicke	12,00 ± 0,10 mm	12,02 mm	innerhalb 11,90 bis 12,10 mm
Taschenlänge	40,00 ± 0,15 mm	40,08 mm	innerhalb 39,85 bis 40,15 mm
Taschenbreite	20,00 ± 0,15 mm	20,06 mm	innerhalb 19,85 bis 20,15 mm
Taschentiefe	2,00 ± 0,10 mm	2,04 mm	innerhalb 1,90 bis 2,10 mm
Innenradius und Kanten	R4 und entgratete Kanten, Prüfmethode vereinbaren	Im Simulationsmodell R4; reale Kanten nicht geprüft	nur Simulation nachgewiesen, Realfreigabe offen

Die sechs Zahlenwerte sind innerhalb ihrer jeweils angegebenen Toleranzbereiche. Trotzdem ist die reale Abnahme nicht vollständig: Der Eckenradius, die tatsächliche Lage der Tasche, die entgrateten Kanten und die sonstigen nicht gemessenen Eigenschaften benötigen geeignete, definierte Prüfungen. Mangelhafte Teile werden nach betrieblichem Verfahren gesperrt und nicht stillschweigend als gut freigegeben. Bei Abweichungen unterscheidest du technologische Ursachen (Werkzeugverschleiß, Schnittkräfte, Spannverformung, Temperatur) und programmtechnische Ursachen (falscher Offset, Radiuskorrektur, Bahn oder Postprozessor).

Bewertungsraster (100 Punkte): Für jedes Kriterium werden 0 bis zum angegebenen Maximum vergeben. Volle Punktzahl erfordert die konkret genannten vollständigen Nachweise; zur Orientierung bedeuten 75 %: überwiegend korrekt, 50 %: teilweise korrekt, 25 %: stark lückenhaft, 0 %: kein belastbarer Nachweis. Bei kritischem Sicherheitsverstoß darf unabhängig von der Punktzahl keine Maschinenfreigabe erfolgen.

Kriterium	Punkte	Vollständiger Nachweis für Maximalpunkte
Auftragsanalyse und Zeichnung	15	Anforderungen, Bezug, Toleranzen, Revision und 2D-Geometrie fehlerfrei geklärt
Rohling, Spann- und Arbeitsplan	15	sinnvolle Aufmaße, vollständige Reihenfolge, sichere Zugänglichkeit und klare Spannskizze
Werkzeugwahl und Schnittdaten	15	Werkzeuge passend begründet, Einheiten korrekt, n und Vorschub nachvollziehbar berechnet
Programmkonzept und Simulation	20	2½D-Bahnen, Nullpunkte, Zustellungen, Restmaterial und Kollisionsprüfung nachvollziehbar dokumentiert
Arbeits-, Gesundheits- und Umweltschutz	15	Gefährdungen, Aufsicht, Schutzfunktionen, Stoffströme und sichere Alternativen berücksichtigt
Qualitätsprüfung und digitale Dokumentation	15	Soll-Ist-Protokoll, offene Prüfungen, Versionsstand und Datensicherung nachvollziehbar
Reflexion, Optimierung und Übergabe	5	technisch und wirtschaftlich begründete Verbesserung samt Grenzen verständlich präsentiert

Abgabeprodukte: bereinigte fiktive 2D-Zeichnung, Rohling- und Spannskizze, Arbeits-/Werkzeugplan, Rechenblatt, nicht ausführbarer NC-Ablaufentwurf bzw. CAM-Projekt, Simulations-Screenshot oder Bahnprüfung, Soll-Ist-Prüftabelle, dokumentierter Freigabestatus und eine zweiseitige Reflexion. Eine mögliche Optimierung ist eine geeignete, in der Simulation geprüfte Räumstrategie mit geringeren Leerwegen; sie darf Kollisionsfreiheit, Bauteilqualität und Schutzmaßnahmen nicht beeinträchtigen.

Interaktive Aufgaben

Multiple-Choice-Quiz: Fertigungsentscheidungen prüfen

Welche Unterlage klärst du zuerst, wenn in zwei Zeichnungen unterschiedliche Taschentiefen stehen? (Den freigegebenen Zeichnungsstand mit dem Auftraggeber) (!Die ältere Zeichnung unabhängig vom Freigabestatus) (!Die Datei mit dem kürzeren Namen) (!Die Zeichnung mit der größeren Taschentiefe)

Was kennzeichnet das hier behandelte 2½D-Fräsen? (Konturen werden in Ebenen mit festgelegten Tiefenzustellungen bearbeitet) (!Jede Werkzeugbewegung erfordert gleichzeitig fünf Achsen) (!Die Maschine verwendet nur manuelle Vorschübe) (!Es können ausschließlich zylindrische Drehteile entstehen)

Welche Aussage über den Werkstücknullpunkt ist zutreffend? (Er definiert den Koordinatenursprung für den jeweiligen Fertigungsauftrag) (!Er ist immer identisch mit dem Maschinennullpunkt) (!Er liegt zwingend im geometrischen Mittelpunkt jedes Rohlings) (!Er ersetzt die Werkzeuglängenkorrektur vollständig)

Welche Drehzahl folgt gerundet aus vc gleich 150 m pro Minute und Fräserdurchmesser 8 mm? (Etwa 5968 Umdrehungen pro Minute) (!Etwa 597 Umdrehungen pro Minute) (!Etwa 1500 Umdrehungen pro Minute) (!Etwa 12000 Umdrehungen pro Minute)

Welche Vorschubgeschwindigkeit ergibt sich bei 5968 Umdrehungen pro Minute mit zwei Schneiden und 0,04 mm Zahnvorschub ungefähr? (477 mm pro Minute) (!48 mm pro Minute) (!239 mm pro Minute) (!5968 mm pro Minute)

Worauf musst du beim Import einer 2D-CAD-Kontur besonders achten? (Auf Einheiten und geschlossene sowie eindeutige Konturen) (!Auf die Farbe des Bildschirms) (!Alle Layer ohne Prüfung zusammenzufügen) (!Auf möglichst große Dateinamen)

Was kann eine Materialabtragssimulation sinnvoll prüfen? (Restmaterial und modellierte Werkzeugkollisionen) (!Die tatsächliche Wirksamkeit jeder Schutztürverriegelung) (!Die persönliche Unterweisung aller Bedienenden) (!Jede spätere Messabweichung mit Sicherheit)

Was ist bei einer CNC-Maschine mit geöffneter Schutzumhausung im Automatikbetrieb richtig? (Automatikbearbeitung nur bei wirksam geschlossenen und überwachten Schutzeinrichtungen) (!Die Türverriegelung für den Unterricht überbrücken) (!Späne während des Laufens mit der Hand entfernen) (!Den Not-Halt dauerhaft als Ersatz für die Schutzumhausung verwenden)

Wodurch lässt sich eine Taschentiefe gezielt nachweisen? (Durch ein für die Tiefe geeignetes geprüftes Messmittel und einen definierten Bezug) (!Allein durch die Farbe der bearbeiteten Fläche) (!Durch die Länge des Rohmaterials ohne Bezug) (!Allein durch den Dateinamen des CNC-Programms)

Welche Maßnahme ist nach einer Änderung des Werkstücknullpunkts richtig? (Programmbezug und Simulation erneut prüfen und Freigabe einholen) (!Die alte Simulationsfreigabe ungeprüft übernehmen) (!Die Werkzeugdaten ohne Dokumentation löschen) (!Zur Zeitersparnis die Kollisionsprüfung auslassen)

Memory: Begriffe und Funktionen

Ordne jeweils einen Begriff seiner fachlichen Beschreibung zu. Mehrfach auftretende Begriffe sind zu vermeiden.

Maschinennullpunkt	Herstellerseitig festgelegter Maschinenbezug
Werkstücknullpunkt	Für den Fertigungsauftrag festgelegter Koordinatenursprung
Werkzeuglängenkorrektur	Berücksichtigung der wirksamen Werkzeuglänge
Aufmaß	Für weitere Bearbeitung vorgesehene Materialzugabe
Postprozessor	Übersetzung von CAM-Bahnen in steuerungsspezifische NC-Daten
Erstmusterprüfung	Dokumentierter Soll-Ist-Abgleich des ersten gefertigten Teils

Drag-and-drop: Fertigungsdokumente zuordnen

Ordne die passenden Dokumente ihren Aufgaben zu; zur Kontrolle kannst du die in den Fachkapiteln dargestellte Prozesskette nutzen.

Passendes Dokument	Zugehörige Aufgabe
2D-CAD-Kontur	Beschreibt die geometrische Ausgangskontur für die CAM-Bearbeitung
Werkzeugliste	Ordnet den Bearbeitungsschritten die vorgesehenen Schneidwerkzeuge zu
Spannplan	Zeigt Auflagen und Anschläge sowie den freizuhaltenden Arbeitsraum
Simulationsprotokoll	Dokumentiert die Prüfung von Bahnen und modellierten Kollisionen
Messprotokoll	Stellt Sollwerte und festgestellte Istwerte gegenüber

Kreuzworträtsel: Fachsprache CNC

Nutze die Hinweise und trage jeweils einen Fachbegriff als ein Wort ein.

NULLPUNKT	Wie heißt der Ursprung eines Koordinatensystems?
VORSCHUB	Wie heißt die Bewegungsgeschwindigkeit des Werkzeugs entlang der Bahn als Grundbegriff?
ROHLING	Wie heißt das unbearbeitete Ausgangsstück?
SIMULATION	Wie heißt die rechnergestützte Vorprüfung eines Bearbeitungsablaufs?
MESSCHIEBER	Wie heißt das häufig verwendete Messmittel für Außen- und Innenmaße?
POSTPROZESSOR	Was übersetzt CAM-Bahnen in das Format einer bestimmten CNC-Steuerung?

LearningApps: CNC-Fertigung erkunden

Suche passende ergänzende Übungen und überprüfe sie auf fachliche Richtigkeit und Datenfreigabe, bevor du Inhalte bearbeitest.

Lückentext: Den Prozess erklären

Vor der Planung analysierst du den aktuellen

des Auftrags. Die fertigungsgerechte Geometrie lässt sich aus einer

-Datei übernehmen. Der gewählte Ursprung am Bauteil heißt

. Die geplante Materialzugabe ist das

. Zur Bearbeitung einer Tasche wählst du unter anderem einen geeigneten

. Die Werkzeugdrehzahl wird aus der

und dem Durchmesser berechnet. Die CAM-Bahnen werden durch einen

für eine Steuerung aufbereitet. Vor jeder realen Freigabe ist eine

mit den bekannten Einrichtdaten nötig. Die Prüfergebnisse hältst du in einem

fest. Änderungen an freigegebenen Dateien erhalten einen dokumentierten

.

Offene Aufgaben

Leicht

Technische Zeichnung: Markiere in einer selbst erstellten fiktiven Skizze Außenmaße, Taschentiefe, tolerierte Maße und Bezugsflächen und erkläre ihre Funktion in eigenen Worten.
CNC: Fertige eine beschriftete, rein schematische Darstellung von Maschinennullpunkt, Werkstücknullpunkt und drei Achsen an; erkläre zwei mögliche Nullpunktfehler.
Fräswerkzeug: Vergleiche anhand öffentlich zugänglicher Herstellerinformationen zwei Werkzeugarten für Schlichten und Räumen; notiere Durchmesser, Zweck und Informationslücken.
Arbeitsschutz: Erstelle eine Bildkarte mit fünf Gefährdungen bei der CNC-Fertigung und je einer geeigneten Schutzmaßnahme aus den aktuellen DGUV- bzw. Betriebsunterlagen.

Standard

Arbeitsplan: Entwickle für den fiktiven Plattenauftrag einen Arbeits- und Werkzeugplan mit mindestens acht Schritten, Kontrollpunkten und begründeter Reihenfolge.
Schnittgeschwindigkeit: Rechne Drehzahl und Bahnvorschub für zwei verschiedene nur angenommene Schneidwerte durch; prüfe alle Einheiten und erkläre, warum Herstellerangaben Vorrang haben.
Computer-aided manufacturing: Übertrage eine selbst entworfene 2D-Taschenkontur in eine Simulation oder markiere die Werkzeugmittelpunktbahn auf Papier einschließlich des Werkzeugradius.
Qualitätssicherung: Erstelle ein Soll-Ist-Protokoll mit fiktiven Werten für sechs Maße und entscheide mit begründeten Grenzwerten, welche Werte innerhalb der Toleranz liegen.

Schwer

Fehleranalyse: Analysiere ein Szenario mit abweichender Tasche; unterscheide mindestens drei technologische und drei programmtechnische Ursachen und priorisiere sichere Prüfungen ohne Maschinenlauf.
Prozessoptimierung: Vergleiche zwei simulierte Taschenräumstrategien anhand Restmaterial, Werkzeugweg, Nebenzeit und Energiebedarf und begründe, welche unter Qualitäts- und Sicherheitsbedingungen vorzuziehen ist.
Datensicherung: Konzipiere ein anonymisiertes Versions- und Freigabesystem für Zeichnung, CAM-Projekt, Werkzeugliste, Simulationsdaten und NC-Datei; berücksichtige Datenschutz und Zugriffsrechte.
Technischer Modellbau: Erstelle ein vollständiges, nur simuliertes Auftragsportfolio mit Teilzeichnung, Arbeits- und Spannplan, Schnittdatenrechnung, Prüfprotokoll, Bewertungsraster und dreiminütiger Auftraggeberpräsentation.

Lernkontrolle

Auftragsanalyse: Erläutere an einem unvollständigen Zeichnungsbeispiel, welche Informationen vor der CNC-Freigabe einzuholen sind und warum.
Koordinatensystem: Berechne für die Mustertasche ihre Lage und die theoretische Werkzeugmittelpunktkontur bei Ø8 mm und beurteile die Grenzen dieser Geometrieannahme.
Schnittdatenberechnung: Errechne Drehzahl, Vorschubgeschwindigkeit und reine Bahnzeit mit angegebenen Übungswerten und benenne mindestens vier reale Einflussgrößen, die der Rechnung fehlen.
CNC-Simulation: Vergleiche zwei fiktive Simulationsergebnisse, von denen eines eine mögliche Spannmittelkollision zeigt, und leite eine sichere Freigabeentscheidung ab.
Prüftechnik: Werte sechs Soll-Ist-Maße inklusive Toleranzgrenzen aus und erläutere, warum ein bestandener Zahlenvergleich noch keine umfassende Freigabe bedeutet.
Nachhaltigkeit: Entwickle zwei technisch plausible Maßnahmen zur Verringerung von Abfall, Energieverbrauch oder Werkzeugverschleiß und beschreibe mögliche Zielkonflikte mit der Produktqualität.

Lernnachweis

Konkrete Abgabe: Reiche ein anonymisiertes Auftragsportfolio zu P-LF9-01 ein. Es enthält (a) eine prüfbare Zeichnung samt CAD-Revisionsvermerk, (b) Rohling- und Aufspannskizze, (c) Arbeits- und Werkzeugplan mit Begründung, (d) vollständige Schnittdatenrechnung, (e) schematisches, ausdrücklich nicht maschinenfertiges CNC-Programmkonzept, (f) Simulationsbericht mit benannten Grenzen, (g) fiktives Messprotokoll mit Soll-Ist-Entscheidung sowie (h) einen Verbesserungsvorschlag und eine Kurzpräsentation.

Kompetenznachweis: Du belegst damit Informieren, Planen, Entscheiden, Ausführen in sicherer Simulation, Kontrollieren und Bewerten. Die Beurteilung folgt dem 100-Punkte-Raster im Praxisfall. Eine reale Ausführung ist optional und nur bei zuständiger Fachaufsicht, aktueller Unterweisung und betrieblicher Maschinenfreigabe zulässig. Wird ausschließlich simuliert, muss das im Abgabeprotokoll ausdrücklich stehen; die Kompetenz „Maschine unter Aufsicht bedienen“ ist dann nicht praktisch nachgewiesen.

OER und Wikipedia

Fachlich geprüfte Einstiegspunkte und Rechts-/Sicherheitsquellen (Abruf und Abgleich: Oktober 2026):

KMK-Rahmenlehrplan Technischer Modellbauer, Lernfeld 9, Dokumentseite 18: Kompetenzen und Inhalte; 80 Unterrichtsstunden.
BIBB-Berufsprofil und Ordnungsmittel: geltende Rechtsgrundlagen und Hinweis auf Neuordnung 2027; zuständige Kammer beachten.
Betriebssicherheitsverordnung: Gefährdungsbeurteilung und Unterweisung beim Einsatz von Arbeitsmitteln.
DGUV Regel 109-607, Branche Metallbau: branchenbezogene Hinweise zum sicheren CNC-Maschinenbetrieb.
DGUV Arbeit & Gesundheit, 15.04.2026: Fräsmaschinen und Schutzmaßnahmen.
DIN Media, DIN EN ISO 16090-1:2024-08: aktueller Normnachweis für den dort bezeichneten Anwendungsbereich; Normtext hier nicht wiedergegeben.
Browser2CAM: recherchierte digitale Simulationsmöglichkeit für synthetische Lerngeometrien; den Datenschutz und die Aktualität vor Nutzung selbst prüfen.
Wikipedia: Computerized Numerical Control und Wikipedia: Fräsen: frei zugängliche fachliche Überblicksartikel, keine verbindliche Maschinenanweisung.

Geprüfte Bildnachweise (Dateiname, Herkunft, Urheber und Lizenz):

Eingebundene Datei	Dateinachweis	Urheber	Lizenznachweis
File:Right hand rule Cartesian axes.svg	Wikimedia Commons	Acdx und cmglee	CC BY-SA 4.0
File:CNC milling machine.jpg	Wikimedia Commons	Impressionmanufacturer	CC BY-SA 4.0
File:Samples-of-milling-cutter-shape-and-different-tools.jpg	Wikimedia Commons	Zhou Yuqing, Sun Bingtao, Li Fengping, Song Wenlei	CC BY 4.0
File:Zig-zag tool path.jpg	Wikimedia Commons	Kangkan iitd	CC BY-SA 3.0
File:Digital caliper.jpg	Wikimedia Commons	Lior Streng	CC BY-SA 4.0

Recherchierte deutschsprachige Videos: EduVision – Werkstücknullpunkte/Koordinatensysteme (2024) und EduVision – CNC-Zyklen und Gesamtprogramm (2025). Urheber der Videos ist jeweils der veröffentlichende YouTube-Kanal EduVision – Technical Education; eine offene Nachnutzungslizenz wurde nicht nachgewiesen. Daher werden die Videos nur verlinkt beziehungsweise über die Plattform eingebettet, nicht als eigene OER kopiert. Verwende fremde Screenshots oder Videos nicht ohne passende Rechte. Die übrigen Lerntexte, Rechen- und Prüfbeispiele dieses Kurses sind eigenständig für das Üben formuliert; externe Normtexte wurden nicht übernommen.

Verknüpfte Lernbereiche

Die CNC-Auftragsbearbeitung verbindet Technische Kommunikation und Technische Zeichnung mit CAD, CAM, Zerspanen, Mathematik, Qualitätssicherung, Arbeitsschutz, Umweltschutz, Datenschutz und Projektmanagement. Auch Technisches Englisch ist wichtig: Begriffe wie tool offset, workpiece zero, toolpath, postprocessor und feed rate müssen in Herstellerdokumentationen korrekt verstanden werden. Beziehe diese Lernbereiche auf echte betriebliche Lernziele, aber nutze zur öffentlichen Bearbeitung ausschließlich fiktive Daten.