Computerized Numerical Control – CNC
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Was versteht man unter CNC?
Laut der CNC-Definition handelt es sich dabei um die computerbasierte Steuerung und Kontrolle von mehrdimensional arbeitenden Maschinen. Auf Grundlage einer in der Planungsphase definierten technischen Vorgabe und daraus generierten Programmieranweisungen kontrolliert die numerische Steuerung die Bearbeitung des Werkstückes mit verschiedenen Werkzeugen und Parametern. Eine moderne, leistungsfähige CNC-Steuerung ist dazu in der Lage, alle erforderlichen Bearbeitungsvorgänge an einem Werkstück in mehreren aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten mit dem benötigten Werkzeug durchführen. CNC-Steuerungen sind dazu in der Lage, Maschinen hochpräzise, wiederholgenau und automatisiert zu steuern und auch komplexe Geometrien in der Bearbeitung umzusetzen. Heute ist die Bedeutung von CNC für die Fertigungsindustrie fundamental: Ohne CNC ist moderne Fertigung undenkbar.
CNC-gesteuerte Maschinen kommen wegen ihrer Präzision und Effizienz beim Formen und Umformen sowie beim Schneiden von Materialien in vielen Branchen zum Einsatz. Mit CNC-Steuerungen ausgestattete Maschinen stehen in verschiedenen Ausführungen zur Verfügung, beispielsweise als Fräsmaschinen, Lasermaschinen und als Drehbänke.
Das Wort Numerical im Begriff Computerized Numerical Control bedeutet numerisch. Damit ist die Folge numerischer Codes gemeint, die zur Steuerung der Maschine erforderlich ist und die durch die CNC-Programmierung erzeugt wird. Die Codes bestimmen, welche Aktionen die Maschine ausführen soll. Beispiele dafür sind die Bewegung eines Werkzeuges, die Drehung eines Werkzeuges, sowie Angaben zur Geschwindigkeit, zur Position und zum Vorschub. Die Codes sind in einer für das jeweilige CNC-System verständlichen Sprache geschrieben. Gängige CNC-Programmiersprachen sind unter anderem G-Code, M-Code, Heidenhain, Fanuc und Siemens.
Wie funktioniert CNC?
Die Fertigung auf Basis einer CNC-Steuerung lässt sich in drei Schritte unterteilen:
- Konstruktion
- NC-Programmierung
- Bearbeitung
Einmal eingespielt kann insbesondere die Bearbeitung sehr rasch ablaufen. Damit ist die CNC-Fertigung in der Lage, gewünschte Bauteile in sehr kurzer Zeit bei hoher und konsistenter Qualität fertigzustellen.
Konstruktion
NC-Programmierung
Im zweiten Schritt erfolgt die Übertragung der Modelldaten des Bauteils auf die von der CNC-Steuerung kontrollierten Maschine. Die Konstruktionsdaten aus Schritt eins werden dabei in die erforderlichen Ablaufschritte zur Fertigung des Bauteils übersetzt. Eine CAM-Software (Computer Aided Manufacturing) generiert dabei aus den CAD-Daten ein Endformat, das von der CNC-Maschine unmittelbar verarbeitet werden kann. Das CAM-System wandelt die Konstruktionsdaten des Bauteils aus dem CAD-Programm in ein CNC-Programm um und berücksichtigt dabei die diversen maschinenspezifischen Parameter. Zu den Parametern gehören unter anderem die Werkzeuggeometrie, die Vorschübe sowie die Drehzahlen. Die NC-Programmierung unterscheidet sich dabei in der Regel je nach Fertigungsprozess und Maschine. Mithilfe von Simulationen können Programmierfehler frühzeitig erkannt und vor Beginn der Herstellung behoben werden.
Zwischen der CNC-Bewegungssteuerung und der Maschine selbst arbeitet ein weiteres Gerät: Die speicherprogrammierbare Steuerung, kurz SPS. Die SPS wird vom Maschinenhersteller programmiert und stellt die korrekte Funktion der Maschine in allen Betriebsarten sowie hinsichtlich des Kühlmittels, der Schmierung, der Schutztüre und anderer Aggregate sicher.
Bearbeitung
Der dritte Schritt umfasst die Bearbeitung des Bauteils selbst. Dafür werden zuerst die Anweisungen von der CNC-Maschine geladen. Dann arbeitet die Maschine die Abfolge von Befehlen sukzessive ab. Dabei bewegt sie mit Motoren die spezifischen Werkzeuge zu bestimmten Koordinaten und schneidet bzw. formt, wie es in den Programmieranweisungen vorgegeben ist. Der Vorgang wird so lange durchgeführt, bis das Endprodukt fertiggestellt ist. Je nach Fertigungsverfahren und Modell durchläuft der Fertigungsprozess dabei mehrere Schritte bis zum fertigen Produkt. Aufgrund der Programmierung kann die Herstellung weitestgehend automatisiert erfolgen. Die CNC-Steuerung sorgt für die Einhaltung der vorgegebenen Maße sowie Toleranzen und führt bei modernen CNC-Systemen gleichzeitig eine entsprechende Qualitätskontrolle durch.
Moderne CNC-gesteuerte Maschinen kommen in der Regel ohne ständige Betreuung der Fertigung durch entsprechendes Bedienpersonal aus: Die Steuerungen verfügen über umfassende Möglichkeiten, um bis hin zur Qualitätskontrolle vollautomatisiert alle Aspekte in den Fertigungsprozess zu integrieren. Werkzeugverschleiß und Werkzeugbruch werden ebenfalls vollautomatisch überwacht.
Welche Vorteile bietet CNC?
CNC-Steuerungen sind bei Maschinen in der Metall- und Blechbearbeitung weit verbreitet. Das Steuerprogramm erledigt dabei eine Vielzahl von Aufgaben, die früher von Maschinenbedienenden händisch umgesetzt wurden. CNC-Steuerungen haben diese wesentliche Vorteile in der Fertigung von Bauteilen und Produkten:
- Hochpräzise Fertigung unter Einhaltung enger Toleranzen.
- Schnelle, für Serienproduktion prädestinierte Fertigung.
- Wirtschaftliche und kostengünstige Fertigung von Teilen.
- Herstellung komplexer Formen.
- Hohe Produktivität bei minimalem Ausschuss
Insbesondere die Herstellung größerer Stückzahlen von Bauteilen ist heute ohne CNC undenkbar: Sobald der Fertigungsprozess einmal programmiert und eingefahren ist, kann die CNC-Steuerung die Maschine automatisch wiederholgenau und präzise ansteuern. Die Qualität lässt sich damit konsistent und gleichbleibend hoch aufrechterhalten, der Ausschuss wird auf ein Minimum reduziert.
Darüber hinaus ist die CNC-Technik dazu in der Lage, komplexe Formen und Bauteilstrukturen in sehr kurzer Zeit bei gleichzeitig hoher Präzision zu fertigen. Menschen würden bei der manuellen Bearbeitung mit diesen Anforderungen schnell an ihre Grenzen stoßen.
Warum DeSta GmbH & Co KG ?
DeSta::Microcut steht für innovative Ideen, Kreativität in der Problemlösung, gleichbleibende Qualität und langjährige Erfahrung im Laserfeinschneiden. Der moderne Maschinenpark und die hochqualifizierten Mitarbeitenden von DeSta::Microcut stellen sicher, dass die individuellen Bauteile der Kunden mit höchster Sorgfalt und Präzision gefertigt werden.
Von komplexen Formen bis hin zu feinen Details ist nahezu jede Anforderung realisierbar. Zudem fertigt das Unternehmen ab einer Losgröße von einem Stück bis hin zu Klein- und Mittelserien.
Welche Herausforderungen gibt es bei CNC?
Da CNC-Prozesse sehr komplex sein können und von vielen Parametern beeinflusst werden, treten in der Praxis der CNC-Bearbeitung eine Reihe von Herausforderungen im engeren Umfeld der CNC-Steuerung auf:
- Anforderungen an Fachkräfte: CNC-Bedienende sind dafür verantwortlich, die notwendigen Anweisungen für die CNC-Bearbeitung zu programmieren. Die erforderlichen Fähigkeiten im Bereich der CAD/CAM-Software, der Modellsimulation sowie der Überprüfung und Validierung des generierten Codes sind umfassend. Nur erfahrene, laufend geschulte Fachkräfte mit dem nötigen technischen Know-how sind dazu in der Lage, eine korrekte und effiziente CNC-Programmierung zu leisten. Ein Mangel an qualifizierten CNC-Fachkräften kann zu ineffizienter Produktion und deutlich erhöhten Betriebskosten führen.
- Kosten für System und Software: Hochwertige Maschinen mit CNC-Steuerung und dazugehöriger Software sind mit einer erheblichen Anfangsinvestition und laufenden Wartungskosten für Maschine und Software verbunden.
- Programmierfehler: Die CNC-Programmierung umfasst die vollständige Erstellung sämtlicher Anweisungen für die Herstellung eines Bauteils in einer für die Maschine verarbeitbaren Form. Bedingt durch die Anforderungen an die Präzision sowie die Variabilität der Aufgabenstellungen kann eine hohe Programmierkomplexität die Folge sein. Dies kann zu Programmierfehlern führen, deren Behebung umso teurer wird, je später sie erkannt werden. Schon kleine Fehler im G-Code (von der Maschine verarbeiteter Code) können weitreichende und schwerwiegende Folgen haben. Beispiele dafür sind Sicherheitsrisiken für das Personal, Produktfehler, Maschinen- oder Werkzeugschäden bzw. Materialverschwendung. Die Folge sind meist kostspielige Ausfallzeiten. Fortgeschrittene Programmierkenntnisse der CNC-Fachkräfte sowie Simulationen sind von entscheidender Bedeutung für die Vermeidung von Programmierfehlern.
- Berechnungsfehler bei der CNC-Bearbeitung: Die falsche Einstellung von Werkzeugwegen sowie Fehler im Bereich von Vorschub, Geschwindigkeit bzw. Spindeldrehzahl können bei spezifischen Konstruktionen bzw. Materialien zu ineffizienter Bearbeitung führen. Im schlechtesten Fall sind teure Schäden oder kostspielige Reparaturen die Folge.
- Softwareinkompatibilitäten: Kommen inkompatible Softwareversionen bei der Ausführung von CNC-Programmen durch CNC-Maschinen zum Einsatz, kann dies zu Fehlern im Fertigungsprozess führen.
- Einschränkungen der Designmöglichkeiten: Spezifische Ausführungen von CNC-Steuerungen bzw. CNC-Maschinen können im Rahmen der Leistungsfähigkeit bestimmte Fertigungsschritte ausführen. Sehr anspruchsvolle Designs können möglicherweise mit einer bestimmten CNC-Maschine nicht oder nur eingeschränkt umgesetzt werden. Zu diesen Einschränkungen gehören beispielsweise dünne Wände von Bauteilen, komplexe Geometrien wie Hinterschneidungen sowie die Verwendung von Materialien, die so wie Titan oder Superlegierungen von Natur aus schwer zu bearbeiten sind.
Wo wird CNC eingesetzt?
CNC kommt in allen Industrien zum Einsatz, bei denen es um die effiziente und weitestgehend automatisierte Fertigung von Serien, aber auch Einzelteilen geht. Insofern kann die Bedeutung von CNC für die Fertigungsindustrie gar nicht hoch genug eingeschätzt werden. Diese Branchen nutzen CNC umfassend in ihren Herstellungsprozessen:
- Fertigungsindustrie: CNC ermöglicht die automatisierte und standardisierte Fertigung von Bauteilen. Moderne CNC-Maschinen erreichen einen hohen Grad an Effizienz und Präzision.
- Automobilindustrie: CNC-Fertigung ist in der Automobilindustrie seit vielen Jahren fest etabliert und ermöglicht die präzise und wirtschaftliche Produktion diverser Bauteile sowie Motor- und Getriebekomponenten in größeren Serien.
- Luft- und Raumfahrt: CNC-Systeme sind wie geschaffen für die Luft- und Raumfahrt, da die Anforderungen an Genauigkeit, Konsistenz und Wirtschaftlichkeit sehr hoch sind. Nur moderne CNC-gesteuerte Maschinen können diese Anforderungen erfüllen.
- Medizintechnik: Die beeindruckende Präzision von CNC-gesteuerten Maschinen ermöglicht die Fertigung hochkomplexer Implantate, Prothesen und medizinischer Geräte.
- Elektronik: Gehäuse, Bauteile und Komponenten für elektronische Geräte werden mit CNC-gesteuerten Systemen gefertigt.
- Alternative Antriebe & Speichersysteme: CNC ermöglicht die wirtschaftliche Fertigung von Komponenten für Brennstoffzellen sowie Elektromotoren.
Darüber hinaus kommt CNC im Maschinen- und Anlagenbau für die Fertigung von Pumpen, Ventilen und Getrieben zum Einsatz. In der Holzindustrie erfolgt die Möbelherstellung und die Produktion von Bauteilen für die Bauindustrie CNC-basiert. Im Bereich der erneuerbaren Energien werden Komponenten von Solarmodulen, Windturbinen und Batteriespeichersystemen CNC-basiert produziert. Zudem kommt CNC-Systemen im Boots- und Schiffbau, in der Agrarindustrie sowie in der Rüstungs- und Halbleiterindustrie große Bedeutung zu.
