CNC-gefräster Massivholzstuhl

Fräsen unter null

Um Sitz und Lehne eines stapelbaren Stuhls aus Massivholz in einem Stück fräsen zu können, hat Dirk Schellberg die Fräshöhe einer Homag BMG 311 Venture in das Maschinenbett hinein erweitert. Der Kunstgriff überlistet die für flache Bauteile ausgelegte CNC.

Übliche Fünfachsfräsen in Schreinereien bearbeiten hauptsächlich Plattenwerkstoffe. Daher sind die Bearbeitungsausmaße in der x- und y-Achse üppig und in der Höhe eher mager ausgelegt. Der Grund, eine Fünfachs-CNC anzuschaffen, liegt für Schreiner vorwiegend im Werkzeughandling und der Programmierung. Echtes 3D-Fräsen findet dagegen kaum statt, und dafür gibt es mehrere nachvollziehbare Gründe:

  • Die CAD-Vorbereitung. Nur wenige Schreiner können gute, fräsgerechte, dreidimensionale Oberflächen erzeugen. Viele in den Betrieben genutzte CAD-Programme geben das einfach nicht her
  • Das Fräsen ist kostenintensiv. Echte 3D-Aufträge sind daher selten und in Losgröße 1 reiner Luxus. Das Thema lohnt erst bei größeren Stückzahlen
  • Die Bauhöhe. Große Teile müssen aufwendig gestückelt werden

Auch wenn Schreiner an der CNC also überwiegend mit Bauteilen von geringer Höhe zu tun haben – was tun, wenn es dreidimensional doch einmal hoch hergehen soll? Meine Antwort heißt: Fräsen unter null! Und dabei handelt es sich nicht um CNC-Arbeiten in schlecht geheizten Werkstätten, sondern das Fräsen hoher Bauteile auch unterhalb der Maschinenkonsole. Anhand eines eigens dafür entwickelten Massivholzstapelstuhls, dessen Sitz und Lehne in einem Stück gefräst werden sollen, habe ich einmal die Möglichkeiten einer Homag BMG 311 Venture ausgelotet. Beraten wurde ich dabei vom CNC-Spezialisten Markus Kollmannsberger.

Die Maschine überlisten

Zum Fünfachsfräsen wählt man lange Werkzeuge, um Kollisionen zwischen Werkstück und Fräsfutter zu vermeiden: Schlanke Schrumpfspannfutter gelten als zu unflexibel, wenn nicht regelmäßig 3D gefräst wird. Sie sind daher seltener anzutreffen. Die langen Werkzeuge setzen aufgrund der Überfahrhöhen und der Sicherheitsendschalter niedrig dimensionierte Werkstücke voraus. De facto sind Werkstückhöhen ab 150 mm bereits problematisch, wenn sie mit Saugern gespannt werden.

Ziel meines Versuches war es daher, die begrenzte Bauhöhe oberhalb der Nullebene nach unten um den Bereich des Maschinenbetts zu erweitern. Für jeden, der an einer CNC-Fräse im Holzbereich arbeitet, ist die Vorstellung, sich mit der Spindel unterhalb der Konsole zu befinden, unangenehm. Kollisionen mit den Saugern gehen womöglich glimpflich ab – aber mit der Konsole? Höchste Vorsicht ist also geboten, weil zum Fräsen unter null Sicherheitsprogramme abgestellt werden müssen. Ohne Frässimulation geht dabei gar nichts!

Zunächst entwickelte ich eine Frässtrategie: Die Unterseite des Stuhls wird zuerst gefräst. Danach soll der Rohling um 180 Grad gedreht werden, um die Oberseite zu fräsen. Die Aufnahmen im Werkstück, die später zum Anleimen der Beine dienen, bilden auch meine Ausrichtungs- und Befestigungspunkte zum Fräsen der Oberseite. Ich benötigte also zwei Spanngestelle. Dabei wollte ich durchaus Sauger zum Spannen und Dorne zum Ausrichten verwenden. Das erste Gestell spannt den L-förmigen Rohling wie ein Dach auf zwei dicht beieinanderstehende Konsolen. Das zweite hängt zwischen zwei Konsolen tief im Bett der Maschine. Kopfzerbrechen bereiteten mir die passgenauen Werkstückaufnahmen – während man die Unterseite noch mit relativ viel Toleranz spannen kann, muss die Oberseite auf den Zehntelmillimeter genau ausgerichtet werden! Dieses Problem löste ich mit Kunststoffpassungen zum Aufschrauben aus dem 3D-Drucker. Das Grundgestell ist aus beschichteter MDF-Platte gefertigt. Die Stellen, an denen die Kunststoffaufnahmen befestigt werden, sind mit Übermaß aus Massivholz gefertigt. Die ganze Halterung wurde dann auf die Fräse gespannt und passig gefräst. So ist gewährleistet, dass die 3D-gedruckten Halterungen trotz Toleranzen im Gestell absolut präzise sitzen. Beim Fräsen gab es keinen Versatz!

Die Stuhlbeine wurden extra gefräst, und zwar als Hälften, die längs in der Mitte eine Kehle aufweisen. Werden die Hälften zusammengeleimt, bilden die Kehlen einen Kanal, in den ein Carbonrohr geleimt wird, das bis in die Sitzfläche und den Rücken ragt. Dadurch ist eine stabile Verbindung gegeben – man kann mit dem Stuhl beruhigt kippeln!

Nur keine Illusionen

Wer nun denkt, Meister Eder sollte mit dem Gedanken spielen, mal wieder Stühle zu produzieren, den muss ich enttäuschen. Schon lange beschäftige ich mich mit Möglichkeiten der manufakturellen Produktion hochwertiger Möbel und stelle immer wieder fest: das lohnt sich nur im Topsegment oder in der Serie. Das hier vorgestellte Projekt dient ausschließlich der Erfahrung und Schulung – denn rechnen wir einmal zusammen: 60 Stunden für den Entwurf, 45 Stunden für die Fünfachsprogrammierung, 32 Stunden für Schablonenbau und Konstruktion, 40 Stunden für die Prototypen von zwei Stühlen inklusive Oberfläche und 12 Stunden CNC-Fräszeit. Mit 3D-Druckkosten sonstigen Fixkosten und Material komme ich unter realen Bedingungen auf 12 000 Euro.

Im Handel bezahlt der Kunde für ähnliche Stühle zwischen 500 und 600 Euro. Verdingt sich Meister Eder an den Handel, muss er erst einmal 250 Stühle verkaufen, um die Amortisation zu erreichen! Das sind Stückzahlen, über die sich etablierte Massivholz-Stuhlhersteller schon freuen, denn sie können das Ganze wesentlich rationeller darstellen. Besser sähe es beim Direktvertrieb aus. Doch welche Schreinerei hat einen eigenen Vertrieb?

Mein Fazit: Das komplexe Fünfachsfräsen bleibt etwas für Spezialisten, die ihre Kunden im Bereich von Sonderanfertigungen finden. Wer seine CNC auslasten will, sollte hier als Zulieferer auftreten und möglichst hohe Stückzahlen produzieren. Dann lohnt es sich auch, die Programmierung von einem Spezialisten schreiben zu lassen.


Dirk Schellberg, Dipl.-Designer und Schreinermeister, ist selbstständiger Produktdesigner sowie Dozent an der Fachakademie für Raum und Objektdesign Garmisch-Partenkirchen. Für dds ist er seit vielen Jahren als Autor tätig.