Es gibt viele Informationen über die CNC-Bearbeitung, aber nur wenige befassen sich eingehend mit bestimmten Werkstoffen wie rostfreiem Stahl. Dieser Leitfaden befasst sich eingehend mit der Bearbeitbarkeit von rostfreiem Stahl, seinen besonderen Herausforderungen, Techniken zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit und Einblicken in die Materialeigenschaften, die die CNC-Bearbeitung beeinflussen.
Warum die Bearbeitung von Edelstahl so schwierig ist
Edelstahl ist ein beliebtes Material für die CNC-Bearbeitung, aber seine Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und hohe Zugfestigkeit machen seine Bearbeitung im Vergleich zu anderen Metallen wie Aluminium zu einer Herausforderung. Bei der Bearbeitung von rostfreiem Stahl ist es wichtig zu wissen, wie sich seine Legierungselemente und Materialeigenschaften auf die Bearbeitbarkeit auswirken.
Gemeinsame Herausforderungen bei der Bearbeitung von rostfreiem Stahl:
- Arbeitsverhärtung: Nichtrostender Stahl neigt dazu, sich während der Bearbeitung zu verhärten, was die Zerspanung im weiteren Verlauf des Prozesses erschwert.
- Niedrige Wärmeleitfähigkeit: Nichtrostender Stahl leitet die Wärme nicht effizient ab, was zu einem Wärmestau am Schneidwerkzeug und damit zu Werkzeugverschleiß und Verformung führt.
- Aufgebaute Kante (BUE): Das Material kann an der Schneide haften bleiben, was die Präzision und die Oberflächenqualität beeinträchtigt.
Um diese Herausforderungen zu meistern, müssen Zerspaner ihre Werkzeuge sorgfältig auswählen, die Schnittparameter anpassen und die richtigen Kühlmittel und Beschichtungen verwenden.
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Eigenschaften von rostfreiem Stahl, die die Bearbeitbarkeit beeinflussen
Die Bearbeitbarkeit von nichtrostendem Stahl hängt von seiner Legierungszusammensetzung ab. Im Folgenden wird aufgezeigt, wie die verschiedenen Elemente zur Bearbeitbarkeit beitragen:
| Element | Auswirkungen auf die Bearbeitbarkeit | Typische Legierungsbereiche (%) |
|---|---|---|
| Chrom (Cr) | Sorgt für Korrosionsbeständigkeit durch Bildung einer passiven Oxidschicht | Min 10.5% |
| Nickel (Ni) | Erhöht die Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit, kann aber die Bearbeitbarkeit verringern | Bis zu 25% |
| Schwefel (S) | In geringen Mengen zugesetzt, um die Bearbeitbarkeit durch Bildung von spanbrechenden Sulfiden zu verbessern | Geringe Beträge |
| Kohlenstoff (C) | Erhöht die Härte, verbessert die Festigkeit, verringert aber die Bearbeitbarkeit | Unterschiedlich, in der Regel <1,2% |
| Molybdän (Mo) | Verbessert die Lochfraßkorrosionsbeständigkeit, kann aber die Bearbeitung erschweren | 0.5 – 7.0% |
| Titan (Ti) | Erhöht die Zähigkeit in ferritischen Stählen, kann die Bearbeitung erschweren | Variiert |
| Niobium (Nb) | Erhöht die Härte und Bearbeitbarkeit von martensitischen Legierungen | Variiert |
| Stickstoff (N) | Verbessert die Festigkeit und die Lochfraßbeständigkeit, insbesondere bei austenitischen nichtrostenden Stählen | Variiert |
Diese Elemente beeinflussen wichtige Bearbeitungsfaktoren wie Spanbildung, Zerspankräfteund Werkzeugverschleiß. Beispielsweise verbessert Schwefel die Bearbeitbarkeit, indem er Einschlüsse bildet, die Späne brechen und beim Schneiden als Schmiermittel wirken.
Bearbeitbarkeit der gängigen Edelstahlsorten
Edelstahl gibt es in verschiedenen Qualitäten, die sich alle unterschiedlich gut bearbeiten lassen. Hier ein kurzer Vergleich der gängigen Edelstahlsorten für die CNC-Bearbeitung:
| Rostfreier Stahl | Wichtigste Eigenschaften | Anwendungen | Bearbeitbarkeit |
|---|---|---|---|
| 304 (Allgemeiner Zweck) | Gute Korrosionsbeständigkeit, hervorragende Umformbarkeit | Schächte, Befestigungselemente, Küchengeräte | Mäßig (verbessert sich mit Schwefelzusatz) |
| 316 (Marine Grade) | Hervorragende Korrosionsbeständigkeit (Molybdän), resistent gegen Lochfraß | Schiffsteile, chemische Ausrüstung | Schwieriger als 304 |
| 430 (Ferritisch) | Geringere Kosten, gute Korrosionsbeständigkeit, magnetisch | Haushaltsgeräte, Automobilverkleidung | Einfacher als 304/316 |
| 17-4 PH (Martensitisch) | Hohe Festigkeit, härtbar, Verwendung in der Luft- und Raumfahrt | Medizinische Implantate, Ventile, Teile für die Luft- und Raumfahrt | Schwierig, erfordert präzise Werkzeuge und Techniken |
Wichtige Überlegungen zur Bearbeitbarkeit von rostfreiem Stahl
- 304 rostfreier Stahl ist besser bearbeitbar im Vergleich zu 316 aufgrund seines geringeren Nickelgehalts, der die Kaltverfestigung verringert.
- 316 bietet eine bessere Korrosionsbeständigkeit, insbesondere in chloridhaltigen Umgebungen, ist aber aufgrund seines Molybdängehalts schwieriger zu bearbeiten.
- 400er-Reihe nichtrostende Stähle, wie z.B. 430sind im Allgemeinen leichter zu bearbeiten, da sie weniger zur Kaltverfestigung neigen und in bestimmten Sorten einen höheren Schwefelgehalt aufweisen (z. B., 430F).
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Bearbeitung von verschiedenen Arten von rostfreiem Stahl
Die Zerspanbarkeit der verschiedenen Arten von rostfreiem Stahl variiert erheblich, je nachdem, welche Elemente hinzugefügt werden. Ein Zustand, der als Aufbauschneide bezeichnet wird, liegt vor, wenn das Material an der Schneidkante haftet. Dies wird in der Regel durch eine niedrige Schnittgeschwindigkeit und harte Arbeit am Material an der Schnittstelle verursacht.
Eine Erhöhung des Scher- oder Spanwinkels und der Drehzahl fördert die Wärmeentwicklung. Jede Art von nichtrostendem Stahl hat jedoch viele andere dynamische Eigenschaften.
Wärmeleitfähigkeit bei der CNC-Bearbeitung von rostfreiem Stahl
Die Wärmeleitfähigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu übertragen oder zu leiten. Sie ist einer der wichtigsten Faktoren bei der Bearbeitung von rostfreiem Stahl. Der Grund dafür ist seine geringe Fähigkeit, die Wärme zu erzeugen, die notwendig ist, um einen richtigen Span zu bilden und zu brechen.
Bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit schlechter Leitfähigkeit wird also eine größere Wärmemenge in das Werkzeug übertragen. Dies unterstreicht die Bedeutung einer geeigneten Kühlmittelspülung, um Wärmespäne und Werkzeugbeschichtungen abzutransportieren. Es fungiert als Wärmebarriere zwischen dem Werkzeugsubstrat und dem zu bearbeitenden Material.
Hinzugefügte Elemente aus rostfreiem Stahl Grundmaterial
In der nachstehenden Tabelle sind alle Legierungselemente aufgeführt, die den einzelnen Grundwerkstoffen zur Herstellung der verschiedenen Typen zugesetzt werden. Diese werden in unterschiedlichen Mengen und in verschiedenen Stadien der Materialentwicklung hinzugefügt.
Jedes einzelne Element verleiht dem Material die gewünschten Eigenschaften. Je mehr Elemente hinzugefügt werden, desto geringer werden die Werkzeugparameter, und die Standzeit kann beeinträchtigt werden.
An erster Stelle steht natürlich das Chrom. Wie bereits erwähnt, muss ein Material mindestens 10,5% Chrom enthalten, um als nichtrostend eingestuft zu werden. Wenn Chrom hinzugefügt wird, kann das Material einen passiven Film namens Chromoxid bilden. Dieser verhindert die Bildung von Rost und bildet eine unmittelbare Barriere, wenn er Sauerstoff ausgesetzt wird. Dies ist die Grundlage für alle nichtrostenden Stähle.
Bestimmten Arten von rostfreiem Stahl wird Kohlenstoff in geringen Mengen zugesetzt, um die Härte und Festigkeit zu erhöhen. Kohlenstoffarme Typen wie 304L werden häufig zum Schweißen verwendet.
Praktische Tipps für die Bearbeitung von rostfreiem Stahl
Angesichts der Herausforderungen bei der Bearbeitung von rostfreiem Stahl finden Sie hier Expertentipps zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit:
1. Optimieren Sie Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe
- Niedrige bis mittlere Geschwindigkeiten: Rostfreier Stahl neigt zur Kaltverfestigung, insbesondere bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten. Für bessere Ergebnisse, halten Sie die Drehzahl hochaber in einem Bereich, der eine gute Spanbildung ermöglicht und die Wärmeentwicklung minimiert.
- Höhere Vorschubgeschwindigkeiten: Eine Erhöhung des Vorschubs kann dazu beitragen, eine Kaltverfestigung an der Schneide zu verhindern.
2. Verwenden Sie Hartmetallschneidwerkzeuge
- Hartmetall-Werkzeuge: Werkzeuge aus Schnellarbeitsstahl verschleißen bei der Bearbeitung von rostfreiem Stahl schnell. Verwenden Sie Hartmetallwerkzeuge mit Beschichtungen wie TiAlN (Titan-Aluminium-Nitrid) um den hohen Temperaturen und Schnittkräften standzuhalten.
- Geometrie der Werkzeuge: Entscheiden Sie sich für Werkzeuge mit positive Spanwinkel um die Schnittkräfte zu verringern und die Spanabfuhr zu verbessern. Sorgen Sie für scharfe Schneidkanten, um das Risiko von Aufbauschneiden zu minimieren.
3. Kühlmittel großzügig auftragen
- Kühlmittel fluten: Bei der Bearbeitung von rostfreiem Stahl entsteht große Hitze, die Werkzeuge beschädigen und Werkstücke verformen kann. Verwenden Sie eine Flut von Kühlmittel, um die Wärme abzuführen und die Lebensdauer der Werkzeuge zu erhöhen.
- Kühlmittel auf Ölbasis: Sie reduzieren die Reibung und verlängern die Lebensdauer der Werkzeuge, insbesondere bei tiefen Schnitten, besser als Kühlmittel auf Wasserbasis.
4. Verhindern von Aufbauschneiden (BUE)
- Scherwinkel vergrößern: Ein höherer Scherwinkel kann die Aufbauschneide reduzieren, was zu saubereren Schnitten und einer besseren Oberflächenqualität führt.
- Beschichtete Werkzeuge verwenden: Beschichtungen wie TiAlN oder CrN (Chromnitrid) verhindern das Anhaften von Material an der Schneide.
5. Geeignete Werkzeugbeschichtungen auswählen
- Werkzeugbeschichtungen: Rostfreier Stahl neigt dazu, an Werkzeugen zu haften, insbesondere bei der Bearbeitung von 316er Stahl. Beschichtungen wie TiCN (Titanium Carbo-Nitrid) oder TiN (Titannitrid) kann die Reibung verringern, vor Werkzeugverschleiß schützen und die Oberflächengüte verbessern.
Bearbeitungsverfahren für rostfreien Stahl
Nichtrostender Stahl kann durch eine Vielzahl von Verfahren bearbeitet werden. Im Folgenden werden einige gängige Bearbeitungsverfahren zusammen mit den Edelstahllegierungen aufgeführt, für die sie am besten geeignet sind:
| Prozess | Beispiel für eine Legierung | Gemeinsames Produkt |
|---|---|---|
| Wenden | 304, 316 | Wellen, Stifte, Buchsen |
| Fräsen | 316, 17-4 PH | Laufräder, Pumpengehäuse |
| Bohren | 430, 304 | Scharniere, Klammern |
| Anzapfen | 17-4 PH, 304 | Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, Verbindungselemente |
Wenden
Das Drehen wird zur Herstellung zylindrischer Teile wie Wellen und Buchsen verwendet. Das Werkstück dreht sich, während ein Schneidwerkzeug Material abträgt. Verwenden Sie für rostfreien Stahl scharfe Einsätze mit hohen Spanwinkeln zur Reduzierung der Schnittkräfte.
Fräsen
Fräsen eignet sich hervorragend für die Herstellung komplexer Teile wie Pumpengehäuse oder Schlitze. Verwenden Sie geringe Schnitttiefen und häufige Werkzeugwechsel, um eine Überhitzung des Werkstücks zu vermeiden.
Bohren
Verwenden Sie beim Bohren in rostfreien Stahl scharfe, kobalt- oder hartmetallhaltige Bohrer und stellen Sie sicher, dass ausreichend Kühlmittel zugeführt wird, um Kaltverfestigung an der Schnittstelle zu vermeiden.
Anzapfen
Das Gewindeschneiden von rostfreiem Stahl kann aufgrund seiner Zähigkeit schwierig sein. Verwenden Sie Hochgeschwindigkeitsgewindebohrer mit Beschichtungen zur Verbesserung der Haltbarkeit und zur Verringerung der Reibung beim Gewindeschneiden.
Optionen für die Oberflächenveredelung von Teilen aus Edelstahl
Die Oberflächenbearbeitung ist ein wichtiger Aspekt der CNC-Bearbeitung. Die Endbearbeitungstechnik hängt von der Anwendung des Teils ab, sei es für ästhetische Zwecke oder für eine verbesserte Haltbarkeit und Widerstandsfähigkeit. Im Folgenden finden Sie einige gängige Oberflächenbearbeitungsverfahren für rostfreien Stahl:
- Schwabbeln: Erzeugt ein glattes, gebürstetes Aussehen durch Verwendung feiner Schleifmittel.
- Polieren: Erzielt einen spiegelnden Glanz, ideal für dekorative oder gut sichtbare Teile.
- Perlstrahlen: Verleiht der Oberfläche ein mattes Finish, indem es die Oberfläche mit winzigen Kügelchen bestrahlt und so eine strukturierte, blendfreie Oberfläche schafft, die auch dazu beiträgt, kleinere Unebenheiten zu verbergen.
Fortgeschrittene Techniken für die Bearbeitung von rostfreiem Stahl
Bei komplexen Projekten und hochpräzisen Teilen können fortschrittliche Bearbeitungstechniken und -strategien den Unterschied ausmachen. Im Folgenden finden Sie Methoden und Verfahren, die die Bearbeitbarkeit von nichtrostendem Stahl verbessern, insbesondere bei härteren Legierungen wie 316 oder 17-4 PH.
1. Einsatz moderner Werkzeugweg-Strategien
- Hocheffizientes Fräsen (HEM): Durch die Verwendung höherer Drehzahlen und eines geringeren radialen Eingriffs trägt HEM dazu bei, die Wärme über einen größeren Bereich des Werkzeugs abzuleiten und das Risiko der Kaltverfestigung zu verringern. Diese Strategie verbessert auch die Lebensdauer des Werkzeugs und die Oberflächengüte.
- Trochoidales Fräsen: Trochoidale Bahnen minimieren die Wärmeentwicklung, da das Schneidwerkzeug pro Durchgang kürzer mit dem Material in Kontakt bleibt. Dies macht sie ideal für schwer zu bearbeitende Edelstähle wie 17-4 PH.
2. Einsatz von mehrachsigen CNC-Maschinen
- 4-Achsen- und 5-Achsen-CNC-Maschinen: Diese Maschinen ermöglichen komplexere Werkzeugwege und die Bearbeitung komplizierter Geometrien in einer einzigen Aufspannung. Bei rostfreiem Stahl trägt dies dazu bei, potenzielle Fehler zu reduzieren und das Risiko von Teileverformungen zu minimieren, insbesondere bei dünnwandigen oder komplexen Teilen.
3. Schwingungsdämpfende Werkzeughalter
- Anti-Vibrations-Werkzeughalter: Die Zähigkeit von rostfreiem Stahl kann bei der Bearbeitung zu übermäßigen Vibrationen führen, die eine schlechte Oberflächengüte und Werkzeugverschleiß zur Folge haben. Die Verwendung von schwingungsdämpfenden Werkzeughaltern verbessert die Stabilität und führt zu einer höheren Präzision und Oberflächenqualität.
4. Anwendung fortschrittlicher Kühlmitteltechniken
- Minimalmengenschmierung (MMS): Anstatt das Werkstück mit Kühlmittel zu überfluten, wird bei MMS eine kleine Menge eines Hochleistungsschmierstoffs direkt auf die Schneidzone aufgetragen. Dies reduziert die Hitze und verbessert die Oberflächengüte bei Werkstoffen, die zur Kaltverfestigung neigen.
- Kryogenische Bearbeitung: Durch die direkte Zuführung von flüssigem Stickstoff in die Schneidzone wird bei der kryogenen Bearbeitung die Wärmeentwicklung erheblich reduziert, was zu einer höheren Werkzeugstandzeit und besseren Oberflächengüten führt, insbesondere bei schwer zu bearbeitenden Edelstählen wie 316.
5. Systeme zur Überwachung der Werkzeugstandzeit
- Überwachung des Werkzeugverschleißes in Echtzeit: Der Einbau von Sensoren in moderne CNC-Maschinen hilft, den Werkzeugverschleiß zu verfolgen, und stellt sicher, dass die Werkzeuge ausgetauscht werden, bevor sie ausfallen, was die Gesamteffizienz und Genauigkeit des Bearbeitungsprozesses verbessert. Dies ist besonders wichtig für nichtrostende Stähle, da diese dazu neigen, die Werkzeuge schnell zu verschleißen.
Oberflächenbehandlungsoptionen für bearbeitete Teile aus Edelstahl
Um die Leistung, das Aussehen oder die Haltbarkeit von Edelstahlteilen zu verbessern, können nach der Bearbeitung verschiedene Oberflächenbehandlungen durchgeführt werden:
- Passivierung: Dieses chemische Verfahren entfernt freies Eisen und andere Verunreinigungen von der Oberfläche des rostfreien Stahls und erhöht so seine Korrosionsbeständigkeit. Es ist unerlässlich für Teile, die in Umgebungen verwendet werden, in denen Rostschutz kritisch ist, wie z. B. in der Schifffahrt oder in der Medizin.
- Elektropolieren: Das Elektropolieren glättet und poliert die Oberfläche auf mikroskopischer Ebene und ist daher ideal für Teile, die eine spiegelglatte Oberfläche erfordern oder rauen Umgebungen ausgesetzt sind. Außerdem wird die Korrosionsbeständigkeit erhöht.
- Wärmebehandlungen: Bestimmte Edelstahlsorten wie 17-4 PH können wärmebehandelt werden, um ihre Härte und mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Eine Wärmebehandlung ist sinnvoll, wenn Teile hohen Belastungen oder extremen Bedingungen standhalten müssen.
Fallstudien: Erfolgreiche Projekte zur Bearbeitung von rostfreiem Stahl
Um zu veranschaulichen, wie diese Bearbeitungstechniken in der Praxis angewendet werden können, finden Sie hier einige Beispiele für erfolgreiche Projekte zur Bearbeitung von Edelstahl von Yijin Hardware:
- Luft- und Raumfahrtkomponenten (17-4 PH): Für einen Kunden aus der Luft- und Raumfahrtindustrie haben wir hochfeste, korrosionsbeständige Teile mit 5-Achsen-CNC-Maschinen und kryogener Kühlung bearbeitet, um enge Toleranzen zu erreichen und den Werkzeugverschleiß zu verringern.
- Schiffsausrüstung (Edelstahl 316): Wir fertigten Laufräder und Ventilkörper für einen Anbieter von Schiffsausrüstungen. Durch den Einsatz von hocheffizienten Frässtrategien und schwingungsdämpfenden Werkzeughaltern konnten wir die strukturelle Integrität der Teile erhalten und gleichzeitig die Bearbeitungszeit verkürzen.
- Medizinische Implantate (Edelstahl 304): Wir haben kundenspezifische medizinische Implantate mit einer hochglänzenden Oberfläche unter Verwendung von Elektropolierverfahren hergestellt, um sicherzustellen, dass sie biokompatibel und leicht zu sterilisieren sind.
Häufige Fehler bei der Bearbeitung von rostfreiem Stahl (und wie man sie vermeidet)
Die Bearbeitung von rostfreiem Stahl erfordert Präzision und Fachwissen. Hier finden Sie häufige Fehler, auf die Maschinisten stoßen, und wie Sie sie vermeiden können:
- Falsche Werkzeugauswahl: Die Verwendung von Werkzeugen, die nicht für rostfreien Stahl geeignet sind, kann zu übermäßigem Verschleiß, schlechter Oberflächengüte und ungenauen Schnitten führen. Verwenden Sie immer Hartmetallwerkzeuge mit hoher Verschleißfestigkeit und geeigneten Beschichtungen wie TiAlN.
- Ungeeignete Schnittgeschwindigkeiten: Wenn Sie die Maschine mit ungeeigneten Geschwindigkeiten betreiben, kann dies zu Kaltverfestigung und vorzeitigem Werkzeugverschleiß führen. Die besten Ergebnisse erzielen Sie mit niedrigeren Schnittgeschwindigkeiten und höheren Vorschüben, um eine Aufbauschneidenbildung zu vermeiden.
- Unzureichende Kühlflüssigkeit: Ein sparsamer Umgang mit dem Kühlmittel kann zu Überhitzung führen und die Genauigkeit des Schnitts beeinträchtigen. Verwenden Sie immer eine ausreichende Menge an Kühlmittel, vorzugsweise auf Ölbasis für die Bearbeitung von rostfreiem Stahl.
- Materialspezifische Strategien ignorieren: Rostfreie Stahlsorten unterscheiden sich erheblich in ihrer Bearbeitbarkeit. Das Verständnis der spezifischen Herausforderungen jeder Sorte - wie z.B. die geringe Bearbeitbarkeit von 316 aufgrund von Molybdän - kann bei der Anpassung von Bearbeitungsstrategien helfen.
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FAQs: Bearbeitbarkeit von Edelstahl
1. Welches sind die gebräuchlichsten Verfahren zur Bearbeitung von nichtrostendem Stahl?
- Die gängigsten CNC-Bearbeitungsmethoden für Edelstahl sind Drehen, Fräsen, Bohren und Gewindeschneiden. Fortgeschrittene Verfahren wie Laserschneiden und Wasserstrahlschneiden werden für bestimmte Anwendungen ebenfalls eingesetzt.
2. Wie ist die Bearbeitbarkeit von nichtrostendem Stahl?
- Nichtrostender Stahl ist aufgrund seiner Kaltverfestigung und geringen Wärmeleitfähigkeit im Allgemeinen schwieriger zu bearbeiten als weichere Metalle. Sorten mit höherem Schwefelgehalt, wie 303 und 430F, lassen sich besser bearbeiten, während 316 und 17-4 PH eine größere Herausforderung darstellen.
3. Ist 304 oder 316 leichter zu bearbeiten?
- Edelstahl 304 lässt sich leichter bearbeiten als 316, da er einen geringeren Nickel- und Molybdängehalt aufweist und daher weniger anfällig für Kaltverfestigung ist.
4. Kann ich rostfreien Stahl zu Hause bearbeiten?
- Die Bearbeitung von rostfreiem Stahl zu Hause kann sich als schwierig erweisen, da dafür hochwertige Ausrüstung und Fachwissen erforderlich sind. Um Präzision zu erreichen, sind professionelle CNC-Maschinen mit Mehrachsenfunktionen erforderlich. Für Heimwerkerprojekte sind einfachere Metalle wie Aluminium oder Messing leichter zu bearbeiten.
Vertrauen Sie Yijin Hardware für die Bearbeitung von rostfreiem Stahl
Die CNC-Bearbeitung von rostfreiem Stahl ist anspruchsvoll, aber lohnend, vor allem, wenn sie richtig ausgeführt wird. Wenn man die Eigenschaften der einzelnen Edelstahlsorten kennt und die richtigen Werkzeuge, Techniken und Kühlmittel einsetzt, können Zerspaner hochpräzise Teile herstellen, die den genauen Spezifikationen entsprechen.
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