Spis treści:
- 1 CNC – was es ist und wofür es eingesetzt wird
- 2 CNC – computergesteuerte Bearbeitung
- 3 CNC - was ist das?
- 4 CNC-Bearbeitung und additive Fertigung
- 5 CNC-Bearbeitungsschritte
- 6 Entwurf für CNC-Bearbeitung
- 7 Maßtoleranzen bei der CNC-Bearbeitung
- 8 Kompatibilität des Entwurfs mit der Software der CNC-Maschine
- 9 Einrichten der CNC-Maschine und Starten des Bearbeitungsprozesses
- 10 Die am häufigsten verwendeten CNC-Bearbeitungsmethoden
- 11 Kompakte CNC-Werkzeugmaschinen
- 12 Bei der CNC-Bearbeitung verwendete Materialien
- 13 Andere CNC-Bearbeitungsprozesse
CNC – was es ist und wofür es eingesetzt wird
Kurbelkolbensysteme für Automotoren, Handwerkzeuge, feinmechanische Komponenten und zahlreiche Bauteile mit mehr oder weniger ausgefallenen Formen – willkommen in der Welt der CNC!CNC – computergesteuerte Bearbeitung
Dieser Artikel gibt einen Überblick über die wichtigsten Aspekte der CNC-Technologie.CNC - was ist das?
CNC steht für “Computer Numerically Controlled” (” numerische Computer-Steuerung”). Die CNC-Bearbeitung ist ein subtraktives Fertigungsverfahren, bei dem in der Regel computergesteuerte Steuerungen und Werkzeugmaschinen eingesetzt werden, um Materialschichten von einem halbfertigen Teil abzutragen und ein individuell gestaltetes Werkstück herzustellen. Das Verfahren eignet sich für eine breite Palette von Werkstoffen, darunter Metalle, Kunststoffe, Holz, Glas, Schaumstoff und Verbundwerkstoffe, und wird in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, z. B. bei der CNC-Großbearbeitung, der Bearbeitung von Teilen und Prototypen für die Telekommunikation und der CNC-Bearbeitung von Teilen für die Luft- und Raumfahrt und die Automobilindustrie, die engere Toleranzen als andere Branchen erfordern.
Es sei darauf hingewiesen, dass die CNC-Bearbeitung nicht mit einer CNC-Maschine zu verwechseln ist – das eine ist ein Verfahren und das andere eine Maschine. Eine CNC-Maschine ist ein programmierbares Gerät, das in der Lage ist, CNC-Bearbeitungsvorgänge selbstständig nach einem in den Programmspeicher geladenen Algorithmus durchzuführen. Die CNC-Bearbeitung ist ein weltweit verfügbares Fertigungsverfahren und eine Dienstleistung.
CNC-Bearbeitung und additive Fertigung
Subtraktive Fertigungsverfahren, wie z. B. die CNC-Bearbeitung, werden häufig im Gegensatz zu additiven Fertigungsverfahren, wie z. B. dem 3D-Druck, oder Fertigungsverfahren mit Flüssigspritzguss vorgestellt. Während bei subtraktiven Verfahren Materialschichten vom Werkstück abgetragen werden, um individuelle Formen und Designs herzustellen, werden bei additiven Verfahren Materialschichten verbunden, um die gewünschte Form zu erzeugen, und bei Formatierungsverfahren wird das Ausgangsmaterial verformt und in die gewünschte Form gebracht. Der automatisierte Ablauf der CNC-Bearbeitung ermöglicht eine hochpräzise Produktion und bietet Kosteneffizienz für einmalige und mittlere Produktionsserien. Obwohl die CNC-Bearbeitung einige Vorteile gegenüber anderen Fertigungsverfahren aufweist, ist der Grad der Komplexität und Kompliziertheit, der bei der Konstruktion von Teilen erreicht werden kann, und die Kosteneffizienz bei der Herstellung komplexer Teile begrenzt.
CNC-Bearbeitungsschritte
Die CNC-Bearbeitung hat sich aus einem numerisch gesteuerten Bearbeitungsprozess entwickelt, bei dem Lochkarten verwendet wurden. Bei diesem Verfahren werden computergesteuerte Maschinen und Schneidwerkzeuge eingesetzt, um das Ausgangsmaterial – z. B. Metall, Kunststoff, Holz, Schaumstoff, Verbundwerkstoffe usw. – zu individuell geformten Teilen zu verarbeiten. Obwohl die CNC-Bearbeitung unterschiedliche Möglichkeiten und Operationen bietet, bleiben die Grundprinzipien des Prozesses in allen Bereichen weitgehend gleich. Der grundlegende CNC-Bearbeitungsprozess umfasst die folgenden Schritte:
- Erstellung eines Entwurfs für die CNC-Bearbeitung,
- Umwandlung einer CAD-Datei in ein CNC-Programm,
- CNC-Maschinenvorbereitung,
- die Durchführung des Fertigungsprozesses.
Entwurf für CNC-Bearbeitung
Der CNC-Bearbeitungsprozess beginnt mit der Erstellung eines CAD-Entwurfs von 2D- oder 3D-Vektoren fester Teile, entweder intern oder durch ein CAD/CAM-Dienstleistungsunternehmen. Mithilfe von CAD-Software können Designer und Hersteller ein Modell oder ein Rendering ihrer Teile und Produkte erstellen, zusammen mit den erforderlichen technischen Spezifikationen wie Abmessungen und Geometrien. Das Design von CNC-gefrästen Teilen wird durch die Fähigkeiten der CNC-Maschine und der physischen Werkzeuge begrenzt. Beispielsweise sind die meisten CNC-Werkzeugmaschinen zylindrisch – die Teilegeometrien sind begrenzt, weil die Werkzeuge gekrümmte Eckbereiche erzeugen. Darüber hinaus schränken die Eigenschaften des Werkstückmaterials, die Werkzeugkonstruktion und die Aufspannmöglichkeiten der Werkzeugmaschine die Konstruktionsmöglichkeiten weiter ein, z. B. hinsichtlich der Mindestdicke des Teils, der maximalen Größe des Teils und der Einbeziehung und Komplexität der inneren Hohlräume und Merkmale. Sobald der CAD-Entwurf fertig ist, exportiert der Konstrukteur ihn in ein CNC-kompatibles Dateiformat (STEP oder IGES).
Maßtoleranzen bei der CNC-Bearbeitung
Bei der Spezifikation von Teilen für eine Maschinenwerkstatt ist es wichtig, die erforderlichen Toleranzen zu berücksichtigen. Obwohl CNC-Maschinen sehr genau arbeiten, gibt es immer noch kleine Unterschiede zwischen zwei Exemplaren desselben Teils, in der Regel etwa 0,005″ (0,127 mm), was etwa der doppelten Dicke eines menschlichen Haares entspricht. Um Kosten zu sparen, sollten Käufer nur in den Bereichen des Teils Toleranzen angeben, die besonders genau sein müssen, weil sie mit anderen Teilen in Berührung kommen werden. Obwohl es Standardtoleranzen für verschiedene Bearbeitungsstufen gibt, sind nicht alle Toleranzen gleich. Wenn ein Teil beispielsweise auf keinen Fall größer sein darf als das Maß, kann es eine spezifizierte Toleranz von +0,0/-0,5 haben – es darf also etwas kleiner sein, aber nicht größer in diesem Bereich.
Kompatibilität des Entwurfs mit der Software der CNC-Maschine
Die formatierte CAD-Konstruktionsdatei wird durch ein Programm, in der Regel eine CAM-Software, geleitet, um die Teilegeometrie zu extrahieren und einen digitalen Programmiercode zu generieren, der die CNC-Maschine steuert und die Werkzeuge manipuliert, um das individuelle Teil zu fertigen. CNC-Maschinen verwenden mehrere Programmiersprachen, darunter G-Code und M-Code. Die bekannteste der CNC-Programmiersprachen, der allgemeine oder geometrische Code, genannt G-Code, steuert, wann, wo und wie sich die Werkzeugmaschinen über das Werkstück bewegen, z. B. wann sie ein- oder ausgeschaltet werden, wie schnell sie einer bestimmten Stelle folgen, welche Wege sie nehmen usw. Der Code für die verschiedenen Funktionen, der so genannte M-Code, steuert die Hilfsfunktionen der Maschine, wie z. B. das automatische Entfernen und Wiederaufsetzen des Maschinenschutzes zu Beginn bzw. am Ende der Produktion. Sobald das CNC-Programm erstellt ist, lädt der Bediener es in die CNC-Maschine.
Einrichten der CNC-Maschine und Starten des Bearbeitungsprozesses
Bevor der Bediener das CNC-Programm starten kann, muss die CNC-Maschine für den Betrieb vorbereitet werden. Zu diesen Vorbereitungen gehören das Aufspannen des Werkstücks direkt auf der Maschine, auf Maschinenspindeln oder in Maschinenschraubstöcken oder ähnlichen Werkstückhaltern sowie das Anbringen der erforderlichen Werkzeuge, wie Bohrer und Fingerfräser, an den entsprechenden Maschinenkomponenten. Sobald die Maschine vollständig eingerichtet ist, kann der Bediener das CNC-Programm ablaufen lassen. Das CNC-Programm dient als Anleitung für die CNC-Maschine – es sendet Befehle, die die Aktionen und Bewegungen der Werkzeuge vorgeben, an den integrierten Maschinencomputer, der die Maschinenwerkzeuge bedient und manipuliert. Mit dem Start des Programms wird die CNC-Maschine aufgefordert, den CNC-Bearbeitungsprozess zu beginnen, und das Programm führt die Maschine durch den Prozess, indem es die notwendigen Maschinenoperationen zur Herstellung eines kundenspezifischen Teils oder Produkts ausführt. CNC-Bearbeitungsprozesse können intern durchgeführt werden – wenn ein Unternehmen in die Anschaffung und Wartung seiner eigenen CNC-Ausrüstung investiert – oder sie können an spezialisierte Unternehmen ausgelagert werden, die CNC-Bearbeitungsdienstleistungen anbieten.
Die am häufigsten verwendeten CNC-Bearbeitungsmethoden
Die CNC-Bearbeitung ist ein Fertigungsverfahren, das sich für viele Branchen eignet, darunter die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt, das Baugewerbe und die Landwirtschaft, und die Herstellung einer breiten Palette von Produkten ermöglicht, wie z. B. Fahrzeugrahmen, chirurgische Geräte, Flugzeugtriebwerke, Zahnräder, Handwerkzeuge und Gartengeräte. Der Prozess umfasst mehrere verschiedene computergesteuerte Bearbeitungsvorgänge, einschließlich mechanischer, chemischer, elektrischer und thermischer Prozesse, die das erforderliche Material vom Werkstück abtragen, um ein maßgeschneidertes Teil oder Produkt herzustellen.
CNC-Bearbeitung – Bohren
Bohren ist ein Bearbeitungsprozess, bei dem mit Hilfe von Mehrpunktbohrern zylindrische Löcher in das Werkstück gebohrt werden. Beim CNC-Bohren führt eine CNC-Maschine in der Regel einen rotierenden Bohrer senkrecht zur Ebene der Werkstückoberfläche zu, wodurch vertikal ausgerichtete Löcher mit einem dem Bohrerdurchmesser entsprechenden Durchmesser entstehen. Mit speziellen Maschinenkonfigurationen und Spannvorrichtungen können jedoch auch Winkelbohrungen durchgeführt werden. Zu den Einsatzmöglichkeiten des Bohrens gehören Ansenken, Aufbohren und Gewindeschneiden.
CNC-Bearbeitung – Fräsen
Fräsen ist ein Bearbeitungsverfahren, bei dem rotierende Mehrpunktschneidwerkzeuge eingesetzt werden, um Material von einem Werkstück zu entfernen. Beim Fräsen führt die CNC-Maschine das Werkstück in der Regel in der gleichen Richtung wie die Rotation des Schneidwerkzeugs zu, während beim manuellen Fräsen die Maschine das Werkstück in der entgegengesetzten Richtung zur Rotation des Schneidwerkzeugs zuführt. Zu den Einsatzmöglichkeiten des Fräsprozesses gehören das Planfräsen – das Schneiden von flachen, ebenen Oberflächen und Hohlräumen in das Werkstück – und das Umfangsfräsen – das Schneiden von Vertiefungen, wie Nuten und Gewinden, in das Werkstück.
CNC-Bearbeitung – Drehtechnik
Drehen ist ein Bearbeitungsprozess, bei dem Einpunktschneidwerkzeuge verwendet werden, um Material von einem rotierenden Werkstück zu entfernen. Beim CNC-Drehen führt die Maschine – in der Regel eine CNC-Drehmaschine – das Schneidwerkzeug in einer linearen Bewegung entlang der Oberfläche des rotierenden Werkstücks und entfernt dabei Material am Umfang, bis der gewünschte Durchmesser erreicht ist, um zylindrische Teile wie Schlitze, Kegel und Gewinde herzustellen. Zu den Einsatzmöglichkeiten des Drehverfahrens gehören Bohren, Hobeln, Einstechen und Gewindeschneiden. Das Fräsen mit rotierenden Schneidwerkzeugen eignet sich besser für komplexere Teile. Drehbänke mit rotierenden Werkstücken und festen Schneidwerkzeugen eignen sich jedoch am besten für die schnellere und genauere Herstellung von runden Teilen.
CNC-Bearbeitung – Endbearbeitung
Bei CNC-Drehmaschinen wird ein halbfertiges Teil (Blech oder Rohr) mit hoher Geschwindigkeit gedreht, während eine Drückwalze aus Metall dem Werkstück die gewünschte Form gibt. Beim “kalten” Verfahren formt das CNC-Drücken das vorgeformte Metall – die Reibung der Drehmaschine in Kontakt mit der Walze erzeugt die Kraft, die für die Formgebung des Teils erforderlich ist.
Schraubenbearbeitung – Genauigkeit mit Schweizer Präzision
Bei der Schweizer Bearbeitung, auch bekannt als Schweizer Schraubenbearbeitung, wird eine spezielle Art von Drehbank verwendet, die es dem Werkstück ermöglicht, sich hin und her zu bewegen und zu drehen, um engere Toleranzen und eine bessere Stabilität während der Bearbeitung zu erreichen. Die Werkstücke werden direkt neben der Hülse geschnitten, die sie hält, und nicht weiter entfernt. Dadurch wird das zu bearbeitende Teil weniger belastet. Die Schweizer Bearbeitung eignet sich am besten für kleine Teile in großen Mengen, wie z. B. Uhrenschrauben, und für Anwendungen mit kritischen Geradheits- oder Rundlauftoleranzen.
Kompakte CNC-Werkzeugmaschinen
Unternehmen, die sich auf die Herstellung von CNC-Maschinen spezialisiert haben, bieten oft eine Reihe kleinerer, leichter Maschinen an. Miniatur-CNC-Maschinen sind zwar langsamer und weniger präzise, können aber weiche Materialien wie Kunststoff und Schaumstoff gut bearbeiten. Sie sind auch besser für kleinere Teile und mäßige Produktionsläufe geeignet. Tischmaschinen eignen sich besser für kleine Produktionsserien und die Herstellung von Prototypen. Eine Tisch-CNC-Drehmaschine, die über zwei Achsen verfügt und Teile mit einem Durchmesser von bis zu 15 cm bearbeiten kann, eignet sich beispielsweise für die Herstellung von Schmuck und anderen Miniaturobjekten, die eine hochpräzise Fertigung erfordern. Weitere beliebte Tisch-CNC-Maschinen sind Laserschneider und Fräsmaschinen in Plottergröße.
Bei der CNC-Bearbeitung verwendete Materialien
Das CNC-Bearbeitungsverfahren eignet sich für verschiedene technische Werkstoffe wie z.B.:
- Metalle,
- Kunststoff,
- Holz,
- Styrodur,
- Verbundwerkstoffe.
Die Wahl des optimalen Werkstoffs für eine CNC-Fertigungsanwendung hängt weitgehend von der spezifischen Fertigungsanwendung und ihren Spezifikationen ab. Die meisten Werkstoffe können bearbeitet werden, sofern sie dem Bearbeitungsprozess standhalten, d. h. eine ausreichende Härte, Zugfestigkeit, Scherfestigkeit sowie Chemikalien- und Temperaturbeständigkeit aufweisen. Die Art des Werkstückmaterials und seine physikalischen Eigenschaften müssen berücksichtigt werden, um die optimale Schnittgeschwindigkeit, den Schnittvorschub und die Schnitttiefe zu bestimmen. Die Schnittgeschwindigkeit – gemessen in Fuß pro Minute – ist die Geschwindigkeit, mit der die Werkzeugmaschine in das Werkstück schneidet oder Material von ihm abträgt. Die Vorschubgeschwindigkeit – gemessen in Zoll pro Minute – ist ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der das Werkstück der Werkzeugmaschine zugeführt wird, und die Schnitttiefe ist die Tiefe, mit der das Schneidwerkzeug in das Werkstück schneidet. In der Regel durchläuft das Werkstück zunächst eine Anfangsphase, in der es grob auf eine ungefähre, kundenspezifische Form und Abmessung bearbeitet wird, und geht dann in eine Endbearbeitungsphase über, in der langsamere Vorschübe und geringere Schnitttiefen folgen, um präzisere und genauere Abmessungen zu erreichen.
Andere CNC-Bearbeitungsprozesse
Obwohl die CNC-Bearbeitung gegenüber anderen Fertigungsverfahren Vorteile aufweist, ist sie nicht für jede Fertigungsanwendung geeignet, und andere Verfahren sind möglicherweise kostengünstiger. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf mechanische CNC-Bearbeitungsprozesse, bei denen Werkzeugmaschinen zur Herstellung eines kundenspezifischen Teils oder Produkts eingesetzt werden, aber die CNC-Steuerung kann in eine Vielzahl von Maschinen integriert werden. Weitere mechanische CNC-Bearbeitungsverfahren sind die Ultraschallbearbeitung, das Wasserstrahlschneiden und die Abrasivstrahlbearbeitung. Neben den mechanischen Verfahren sind auch chemische, elektrochemische und thermische Bearbeitungsprozesse möglich. Zu den chemischen Bearbeitungsverfahren gehören chemisches Fräsen, Stanzen und Gravieren; zu den elektrochemischen Bearbeitungsverfahren gehören elektrochemisches Entgraten und Schleifen; und zu den thermischen Bearbeitungsverfahren gehören Elektronenstrahlbearbeitung, Laserschneiden, Plasmaschneiden und Funkenerosion.
