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Was ist Computer-Aided Manufacturing?

17. Januar 2025

Computer-Aided Manufacturing (CAM) ist im Allgemeinen eine Software, die Anweisungen in einer Sprache (G-Code) erstellen kann, die von Industriemaschinen verstanden wird, um physische Produkte herzustellen. Sie wird hauptsächlich dazu verwendet, digitale Entwürfe, die mit einer CAD-Software erstellt wurden, in reale Teile auf CNC-Maschinen umzuwandeln. Das folgende Diagramm zeigt, wie die Arbeit in einem solchen System abläuft:

CAD-to-CNC-flow.jpg 

Während die Produktideen in CAD entworfen und entwickelt werden, legt CAM die Koordinaten, die Bewegung, die Geschwindigkeit und die Schnitttiefe für Werkzeugmaschinen wie Fräsen, Drehbänke, Schleifmaschinen und Bohrer fest. Beispielsweise könnte die CAM-Software Folgendes definiert haben:

  • Ein Muster aus Löchern, die in eine Motorhalterung unter der Motorhaube Ihres Autos gebohrt wurden
  • Der Werkzeugweg, dem ein Laser folgte, um das Material für Ihre Schuhe zu schneiden
  • Die genauen Koordinaten, denen ein Fräser folgte, um den Rahmen Ihres Smartphones zu schnitzen

Beachten Sie, dass sich CAM manchmal sowohl auf die Maschinen als auch auf die Software bezieht, die an der Produktion beteiligt sind. Für die Zwecke dieses Blogs verwenden wir die Definition der US-Regierung, die sich mehr auf Software konzentriert. Aber unabhängig davon, wie Sie es definieren, ist das Ergebnis immer ein präziser, schneller und wiederholbarer Fertigungsprozess.

Was sind die Vorteile von Computer-Aided Manufacturing (CAM)?

CAM ist für die moderne Fertigung von entscheidender Bedeutung, und das aus gutem Grund. CAM hat die Art und Weise, wie Produkte heute hergestellt werden, revolutioniert. Unternehmen, die diese Technologie einsetzen, sind effizienter, kostengünstiger und auf Wachstum ausgerichtet.

Effizienzsteigerung

CAM spart auf vielfältige Weise Zeit und Geld:

Geschwindigkeit: Wenn Sie schon einmal eine CNC-Maschine in Aktion gesehen haben, ist Ihnen wahrscheinlich aufgefallen, dass ihre Bewegungen sowohl schnell als auch effizient sind. Diese Bewegungen werden vom CAM-System eingerichtet, das die Werkzeugwege optimiert und die Bewegungen in den Anweisungen, die es an die Maschine sendet, digital minimiert. Dies führt sowohl zu einer höheren Produktivität als auch zu einem geringeren Verschleiß von Maschinen und Werkzeugen.

Wiederholbarkeit: Sobald ein CAM-Programm erstellt und getestet wurde, können die Bediener es problemlos wiederverwenden. Wenn ein Unternehmen also das Teil aus dem letzten Jahr wieder in die Produktion aufnehmen möchte, kann es dieselben Anweisungen nutzen, mit denen das Originalteil erstellt wurde. Die neuen Teile sind exakte Nachbildungen der vorherigen Ausführung. Die Wiederverwendung oder sogar geringfügige Anpassung bewährter Designs spart Unternehmen viel Zeit bei der Einrichtung und Prüfung.

Integrationen: CAM-Systeme können direkt mit CAD-, PLM- und CNC-Maschinen zusammenarbeiten, sodass digitale Daten ohne Unterbrechung, Übersetzer oder menschliches Eingreifen fließen.

Abläufe: Maschinenbediener positionieren Materialien nicht mehr manuell, legen Werkzeugwege fest und führen Tools nicht mehr von Hand. Das ist alles automatisiert. Mit CAM können Fachkräfte anspruchsvollere Aufgaben wie die Planung und Optimierung von Arbeitsabläufen und die Überwachung der Qualitätskontrolle übernehmen.

Weniger Materialverschwendung 

CAM kann auch den Ausschuss minimieren. Dies kann Unternehmen Geld sparen und ihnen helfen, ihre Nachhaltigkeitsziele zu erreichen.

Simulationsfähigkeiten: CAM-Software kann digitale Simulations-Tools verwenden, um den Abfall während der Produktion zu minimieren. Durch genaues Schneiden und Bohren kann das System möglicherweise mehr Teile aus einem einzigen Materialstück herstellen oder mit weniger Material arbeiten. Und da CAM ein wiederholbares Programm erstellt, vervielfachen sich diese Einsparungen bei jeder Ausführung des Programms.

Automatisierung: Da der Prozess genau, automatisch und wiederholbar ist, treten weniger Fehler auf. Das bedeutet weniger Ausschuss und somit weniger Abfall.

Erhöhte Qualität und Präzision 

CAM stellt sicher, dass die Produktion stabil ist und die Produkte von hoher Qualität sind. Dies geschieht auf vielfältige Weise:

Planung: Die Simulationsfunktionen der Software können Produktionsfehler wie Kollisionen von Tools oder Materialspannungen vorhersagen, bevor die physische Produktion beginnt. 

Präzision: Computergesteuerte Maschinen können Tools auf 0,01 mm oder genauer führen und so eine minimale Abweichung von den Konstruktionsspezifikationen gewährleisten. 

Überwachung: Während der Produktion überwachen sich CAM-Systeme mithilfe von Mess- und Rückmeldesensoren selbst, um eine kontinuierliche Qualitätskontrolle zu gewährleisten. 

Selbstkorrigierend: Als Reaktion auf die Überwachung kann das System auch Maschinen in Echtzeit anpassen, um die Präzision aufrechtzuerhalten, ohne die Produktion zu unterbrechen oder menschliches Eingreifen zu erfordern. 

Komplexere Maschinen

Einige Maschinen können nicht ohne CAM-Systeme betrieben werden, insbesondere Mehrachsen-Fräsmaschinen. Das liegt daran, dass diese Maschinen eine komplexe Koordination und Werkzeugwege erfordern, um gleichzeitig an mehreren Koordinaten zu arbeiten, was ohne Computer nicht einfach möglich ist.

Sicherheit

Durch die Minimierung des menschlichen Eingriffs und die digitale Simulation des Produktionsprozesses im Voraus reduzieren CAM-Systeme das Risiko von Bedienungsfehlern und Fehlfunktionen der Ausrüstung und schaffen so eine sicherere und kontrolliertere Umgebung in der Fabrikhalle.

Skalierbarkeit

Sobald ein Produktionsprogramm getestet und als zuverlässig erwiesen wurde, kann es auf mehreren Maschinen wiederverwendet werden, sodass Hersteller problemlos vom Prototyp zur Massenproduktion übergehen können, ohne Kompromisse bei Präzision oder Qualität eingehen zu müssen.

Was sind die Nachteile von Computer-Aided Manufacturing?

Während die CAM-Technologie Herstellern viele Möglichkeiten eröffnet hat, müssen sich Unternehmen auch mit einigen neuen Risiken und Einschränkungen auseinandersetzen, die mit diesem Gebiet einhergehen:

Kosten

CAM-Systeme erfordern teure Maschinen mit fortschrittlicher Automatisierungstechnik und Präzisionssteuerungen. Darüber hinaus kann die CAM-Software, die zur Programmierung dieser Maschinen verwendet wird, genauso viel kosten wie die Hardware selbst! Die gute Nachricht ist, dass einige dieser Kosten in den letzten Jahren durch die Einführung von Abonnementpreisen überschaubarer geworden sind, wodurch die Eintrittsbarriere deutlich gesenkt werden kann. 

Arbeit

Für die Einrichtung und Wartung von CAM-Systemen benötigen die Bediener Kenntnisse, die über die traditionellen Fähigkeiten eines Maschinisten hinausgehen. Sie müssen CAD-Integrationen verstehen, G-Code interpretieren können und mit komplexeren Fertigungsmethoden vertraut sein als je zuvor. Während CAM also die manuelle Arbeit reduziert, erfordert es hochspezialisierte Fachkräfte. Diese Spezialisten sind teurer in der Suche, Ausbildung und Bindung.

Obsoleszenz

Genau wie Laptops und Handys veralten CAM-Systeme mit dem technologischen Fortschritt jedes Jahr. Unternehmen müssen ihre Software aktualisieren, um nicht hinter der Konkurrenz zurückzubleiben. Selbst für diejenigen, die an älteren Systemen festhalten, wird es immer schwieriger und teurer, Support zu erhalten. Dies führt zu laufenden Kosten, die bei herkömmlichen Industriemaschinen nicht anfallen.

Cybersecurity

Um es klar zu sagen: CAM-Anweisungen und -Daten sind geistiges Eigentum und sollten als Unternehmensvermögen verwahrt und geschützt werden. Gestohlene Daten können zu finanziellen Verlusten, Produktionsunterbrechungen und Ausfallzeiten führen. Unternehmen, die CAM einsetzen, müssen sich in einer Weise um Firewalls, Verschlüsselung und Cyberangriffe kümmern, die bei herkömmlichen Maschinen nicht notwendig war.

Wie wichtig ist CAM für die Fertigungsindustrie?

Es ist keine Übertreibung zu sagen, dass CAM eine dritte industrielle Revolution ausgelöst hat. CAM wurde von den meisten Fertigungssektoren übernommen, darunter die Automobilindustrie, die Unterhaltungselektronik, die Luft- und Raumfahrt, die Pharmaindustrie, die Medizintechnik und die Robotik. All diese Branchen profitieren von den oben genannten Vorteilen. Die Ergebnisse sind überall sichtbar:

Verbesserte Produktionsentwicklung und -optimierung

Dank CAM sind die Produkte ausgefeilter und die Produktionszyklen kürzer. Selbst wenn Sie nicht in der Fertigung tätig sind, können Sie die Auswirkungen von CAM in allen Bereichen beobachten, von Autos über Smartphones bis hin zum Schuhdesign. CAM ist oft der Grund dafür, dass innovativere Produkte innerhalb von Monaten statt Jahren auf den Markt kommen können. Das liegt daran, dass Unternehmen mit CAM schnell Prototypen neuer Komponenten erstellen, diese digital testen und Fertigungsänderungen sofort vornehmen können.

Geringere Gefahr für Menschen

Die Industrie ist dank CAM insgesamt sicherer. Durch optimierte Automatisierung müssen weniger Menschen mit beweglichen Teilen oder potenziell gefährlichen Materialien interagieren. Tatsächlich ist CAM der Schlüssel zur „Lights-out“-Fertigung, einem Produktionsansatz, der so automatisiert ist, dass Maschinen kontinuierlich arbeiten, ohne dass Menschen anwesend sind. Das bedeutet minimales schweres Heben und Positionieren, weniger Interaktion mit scharfen Tools und weniger Kontakt mit Chemikalien und Partikeln.

Erweiterte Anpassungsfähigkeit

Auch Unternehmen sind dank CAM flexibler. Mit wiederverwendbaren Programmen und digitaler Simulation ist es für Unternehmen einfacher, als Reaktion auf neue Innovationen umzurüsten, sich an veränderte Branchentrends anzupassen und die Produktion ohne nennenswerte Ausfallzeiten zu steigern. Dadurch wird jeder, der diese Technologie einsetzt, auf einem globalen Markt wettbewerbsfähiger.

Was ist der CAD-CAM-Prozess?

Der CAD-zu-CAM-Prozess beschreibt einfach die Übertragung von Konstruktionsdaten in das Fertigungssystem. Ein Ingenieur erstellt in der CAD-Software ein digitales Modell eines Produkts. Die Konstruktionsdatei kann Geometrie, Maße, Materialspezifikationen, Koordinaten und andere Eigenschaften enthalten, die zur Beschreibung des genauen Modells erforderlich sind. Sie kann auch digital getestet werden, um sicherzustellen, dass das Teil während der Fertigung und im Einsatz hält.

Nach der vollständigen Vorbereitung kann die CAD-Datei direkt in die CAM-Software importiert werden, die sie dann zur Definition der Maschinenprozesse verwendet, die zur Erstellung der physischen Version des Modells erforderlich sind. Zum Beispiel: Wie und wo sollte ein Rohmaterialstück geschnitten oder gebohrt werden? CAM erstellt die Werkzeugwege, legt Parameter wie Schnittgeschwindigkeit und -tiefe fest und berechnet die effizienteste Ausrichtung des Teils auf der Maschine.

Ohne einen vollautomatischen CAD-zu-CAM-Prozess muss ein Ingenieur oder Bediener die CAD-Daten möglicherweise manuell in das CAM-System eingeben. Dies kann zu Fehlern führen und Zeit verschwenden.

Wie integriert sich CAM in die Fertigungsprozesse?

Wie bereits erwähnt, arbeiten CAM-Systeme eng mit CNC-Maschinen zusammen, um physische Teile herzustellen. Das CAM-System erstellt Werkzeugwege und Bearbeitungsparameter auf der Grundlage des CAD-Modells und generiert einen maschinenspezifischen G-Code, den eine CNC-Maschine versteht.

Netzwerke im Vergleich zu externen Speichern

Beachten Sie, dass der G-Code in der Regel direkt über eine Netzwerkverbindung an die Maschine gesendet wird, ähnlich wie Sie einen Brief an einen Drucker senden würden. Er kann aber auch auf einem externen Speicher gespeichert und dann physisch an die Maschine übertragen werden. Dies ist nützlich, wenn die Systeme nicht vernetzt sind, sowie für die Wiederverwendung auf mehreren Maschinen.

Die CNC-Maschine führt dann das Programm aus, wählt Tools aus und führt die Arbeitsschritte wie angewiesen aus.

Sensoren und Feedback

Moderne CNC-Maschinen sind mit Sensoren ausgestattet, die potenzielle Probleme wie Werkzeugverschleiß, übermäßige Vibrationen und steigende Temperaturen erkennen können. Fortschrittliche CAM-Systeme können diese Sensordaten nutzen, um dann Anpassungen an den Bearbeitungsanweisungen vorzunehmen. Das CAM-System kann Werkzeugwege, Geschwindigkeit, Werkzeugwechsel usw. anpassen. Wenn dies in Echtzeit geschieht, wird die Effizienz optimiert, die Präzision beibehalten und Ausfallzeiten vermieden. Das CAM-System kann sogar Sensordaten nutzen, um bei zukünftigen Produktionsläufen eine bessere Leistung zu erzielen.

Über G-Code hinaus

Während CAM normalerweise mit der Automatisierung von Maschinenprozessen in Verbindung gebracht wird, kann es auch Funktionen für die Planung und Terminierung des Gerätebetriebs, die Speicherung von Dokumentationen und die Verwaltung von Tool-Bibliotheken umfassen. Viele Unternehmen integrieren ihre CAM-Systeme auch in Ressourcenplanungssoftware, um die Verfügbarkeit von Materialien und Werkzeugen zu optimieren.

Da sich CAM-Systeme ständig weiterentwickeln, ist davon auszugehen, dass ihre Bedeutung weit über die CNC-Maschine hinauswächst und sich auf alles von Produktionslinien bis hin zu Lieferketten erstreckt.

Cat McClintock

Cat McClintock schreibt für PTC an den Blogs zu Creo und Mathcad. Sie ist seit mehr als 15 Jahren als Autorin und Redakteurin für CAD-, PDM-, ERP- und CRM-Softwareunternehmen tätig. Davor redigierte sie wissenschaftliche Zeitschriften für einen akademischen Verlag und richtete optische Baugruppen für einen Hersteller medizinischer Geräte aus. Sie hat Abschlüsse in Technikjournalismus, klassischer Literatur und Elektrooptik. Sie liebt es, mit PTC-Kunden zu sprechen und mehr über deren interessante Arbeit und die innovativen Möglichkeiten zu erfahren, wie sie die Software einsetzen.

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