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Was bedeutet rechnergestützte numerische Steuerung (CNC)?

11. Dezember 2024

In der Fertigung werden Teile in der Regel durch Abtragen von Material aus einem größeren Materialblock (oft als „Werkstück“ oder „Bestand“ bezeichnet) mithilfe von Maschinen wie Drehbänken, Bohrern oder Laserschneidern hergestellt. Diese Produktionsmethode wird als subtraktive Fertigung bezeichnet, da das Material vom Werkstück entfernt wird. Bei anderen Fertigungsverfahren wird Material hinzugefügt (z. B. bei der additiven Fertigung) oder es werden Wärme- und Formtechniken eingesetzt (z. B. beim Spritzgießen oder Blasformen).

Vielleicht sind Sie mit subtraktiven Werkzeugen wie Handbohrern und Schwingschleifern vertraut. Anspruchsvollere Hersteller verwenden Tools, die ähnlichen Prinzipien folgen, aber mit Computersteuerungen, Feedbacksystemen und Sensoren ausgestattet sind, um den Produktionsprozess präziser, schneller und automatischer zu gestalten. Die fortschrittlichsten dieser Methoden finden sich in CNC-Maschinen (Computer Numerical Control).

Was ist eine numerische Computersteuerung?

Numerische Computersteuerung bezeichnet den Einsatz von Computern zur Steuerung von Werkzeugen in der Fertigung. Programmierer geben dem Computer Anweisungen, welche Tools die Maschine verwenden soll, und legen deren Position, Bewegung und Geschwindigkeit fest. Die Maschine führt dann die Anweisungen aus, insbesondere mit wenig menschlicher Interaktion.

Da die Anweisungen von einem Computerprogramm stammen, können Teile in Massenproduktion mit wenig Aufsicht hergestellt werden. Außerdem kann die Maschine umprogrammiert werden. Ein Hersteller kann die Ausrüstung für neue Projekte einsetzen oder bei Bedarf zu alten Programmen und Teilen zurückkehren.

Nehmen wir zum Beispiel einen Betrieb, der Ventilatorflügel herstellt. Sie kann sich leicht an spezielle Aufträge anpassen, indem sie einfach das Programm ändert. In der Vergangenheit hätte das Unternehmen möglicherweise teure Tools und Vorrichtungen entwickeln müssen, um sich an die veränderten Kundenanforderungen anzupassen. Jetzt kann die Änderung der Teilegröße so einfach sein wie die Änderung einiger Zahlen im Programm.

Warum ist CNC so wichtig?

CNC hat die Fertigung in vielerlei Hinsicht verbessert:

  • Schnelligkeit: CNC-Systeme können komplexe Operationen schneller als bisher ausführen. Ein herausragendes Beispiel ist die mehrachsige Bearbeitung. CNC-Systeme können ein Teil gleichzeitig in mehreren Achsen bearbeiten (man denke an lineare und rotatorische Dimensionen). Die Herstellung komplizierter Teile mit gekrümmten Oberflächen, Hinterschneidungen und unterschiedlichen Winkeln kann nun vollständig automatisiert werden.
  • Präzision: CNC-gesteuerte Maschinen befolgen genaue Computeranweisungen. Sie können auch mit anderen Tools integriert werden, um die Genauigkeit zu erhöhen. Sie können: 
    • Die Abmessungen direkt von CAD-Modellen übernehmen, die bereits für eine optimale Leistung validiert wurden. Da die Systeme interoperabel sind, ist die Gefahr von Fehlern beim Übertragen von Daten von einem System in ein anderes gering.
    • Sensoren für die prozessbegleitende Überwachung und Qualitätskontrolle nutzen. Das System kann übermäßige Vibrationen oder andere Anomalien schnell erfassen und sich sogar darauf einstellen.
  • Reproduzierbarkeit: Wie bereits erwähnt, kann ein Teil mit Hilfe von CNC leicht reproduziert werden. Beachten Sie auch, dass ein Programm Monate oder sogar Jahre später wiederverwendet werden kann. Die Maschine muss nicht neu programmiert werden, wenn der Hersteller ein altes Teil reproduzieren muss.
  • Weniger Fehler, weniger Nacharbeit und weniger Ausschuss: Die Konsistenz des gesamten Systems und das Fehlen von manuellen Eingriffen verringern das Fehlerrisiko. Mit CNC können Unternehmen äußerst zuverlässige und präzise Fertigungsabläufe mit weniger Fehlern, weniger Nacharbeit und letztlich weniger Abfall schaffen.
  • Niedrigere Kosten, optimierte Arbeit: CNC macht manuelle Bediener überflüssig, so dass die Maschinenbediener ihr Fachwissen für höherwertige Aufgaben wie Programmierung und Einrichtung, Fehlerbehebung und Prozessoptimierung einsetzen können.

Wie funktioniert der CNC-Bearbeitungsprozess?

Die grundlegenden Schritte für die CNC-Produktion überschneiden sich mit denen für konventionelle Maschinen. Die Arbeiter müssen die Maschinen prüfen und kalibrieren, die Werkzeuge und Materialien müssen in die Maschinen geladen und die Teileversätze eingestellt werden.

Bei der CNC-Fertigung müssen die Programmierer jedoch die digitalen Anweisungen für die Maschinen einrichten. Sie beginnen oft mit dem CAD-Entwurf des Produkts, um Maße und Koordinaten anzugeben. Sie können die CAD-Daten in ein computergestütztes Fertigungssystem (CAM) migrieren, um Werkzeugwege zu erstellen. In vielen Fällen kann das CAM-System den endgültigen Code (G-Code genannt) für den CNC-Betrieb schreiben.

Anschließend lädt ein Bediener das Programm in das System und führt einen Testlauf durch. Sobald er sich bewährt hat, beginnt die Produktion.

Es ist wichtig zu wissen, dass das CNC-Programm wertvolles geistiges Eigentum darstellt. Daher dokumentieren und archivieren die meisten Unternehmen den Code zu Zwecken der Rückverfolgbarkeit, der Qualitätskontrolle, der Fehlersuche, der Einhaltung von Vorschriften und der Schulung.

Was ist der Unterschied zwischen NC und CNC?

Wenn Sie mit älteren Anlagen arbeiten, stoßen Sie vielleicht auf Anlagen mit numerischer Steuerung (NC), die ähnlich, aber nicht identisch mit CNC ist. NC ist eine ältere Technologie, die ebenfalls zur Automatisierung von Fertigungsmaschinen entwickelt wurde, aber viele Einschränkungen aufweist, die bei den heutigen CNC-Systemen nicht zu finden sind. Im Folgenden finden Sie einige Unterschiede zwischen NC und CNC:

Programmierung

NC-Systeme erhalten ihre Anweisungen von Lochkarten oder Bändern. Ihre Logik ist buchstäblich in den Schaltkreisen der Anlage verdrahtet. Das macht es schwierig, NC-Maschinen umzuprogrammieren, und sie führen oft nur eine Aufgabe während ihrer gesamten Lebensdauer aus. Erschwerend kommt hinzu, dass NC-Maschinen hochqualifizierte und schwer zu findende Bediener erfordern.

CNC-Maschinen hingegen können auf die gleiche Weise umprogrammiert werden wie jeder andere Computer auch. Das System erfordert keine physischen Veränderungen, und für die Bedienung sind nicht die hochspezialisierten Fähigkeiten erforderlich, die für NC-Maschinen benötigt werden. Außerdem können CNC-Programme wiederverwendet werden, was bei NC nicht möglich ist.

Komplexität

Im Vergleich zu CNC-Maschinen kann die NC-Maschine nicht viele komplexe Operationen durchführen. Eine NC-Maschine kann zum Beispiel einfache Halterungen herstellen oder Löcher in einen Motorblock bohren. Aber man würde nicht erwarten, dass sie komplizierte 3D-Kurven bearbeiten kann. CNC-Systeme hingegen unterstützen das mehrachsige Fräsen und können komplexe Formen herstellen.

Kosten

NC-Maschinen sind in der Regel günstiger in der Anschaffung, aber teurer in der Wartung als CNC-Systeme, die zwar teurer sind, aber weniger Wartung erfordern.

Der Niedergang von NC

Angesichts dieser Einschränkungen ist es nicht verwunderlich, dass die NC-Maschinen aus den Fertigungshallen verschwinden. Neuere CNC-Maschinen können mehr mit weniger Kopfzerbrechen erledigen. Dennoch sind einige ältere NC-Maschinen nach wie vor wertvoll und können noch in Betrieb sein.

Welche Arten von CNC-Maschinen gibt es?

Die meisten subtraktiven Maschinen sind heute mit CNC ausgestattet. Man findet Computer in Oberfräsen, Bestückungsautomaten und natürlich in Fräsmaschinen.

Beispiele für ausgeprägte und gängige CNC-Maschinen sind:

Drehbänke

Sie wissen wahrscheinlich, dass Drehbänke das Material um eine Spindel drehen, während ein Tool die Außenfläche formt oder ein Loch in die Mitte bohrt. In Geschäften werden solche Drehbänke seit langem zur Herstellung von zylindrischen Gegenständen verwendet, z. B. von Holzbeinen für einen Stuhl oder Tisch.

Mit der Einführung der CNC-Technologie können Dreh- und Tool-Bewegungen schneller und präziser als je zuvor durchgeführt werden. CNC-Drehmaschinen erledigen komplexe Aufgaben wie Gewindeschneiden, Konturieren und Oberflächenbearbeitung - und das alles mit der Präzision, die selbst in den anspruchsvollsten Branchen wie der Luft- und Raumfahrt oder der Automobilindustrie erforderlich ist. Außerdem können CNC-Maschinen so eingerichtet werden, dass sie nahtlos mit Geräten wie Stangenladern und Portalen zusammenarbeiten, um der Spindel automatisch Rohlinge zuzuführen. Das Ergebnis ist ein hochgradig automatisierter Prozess, der nur einen Bruchteil des früher erforderlichen manuellen Aufwands oder Könnens erfordert.

Fräsen

Traditionell hält eine Fräsmaschine das Werkstück still, während sich ein Bohrer oder ein Tool über das Werkstück bewegt. Die modernen CNC-Maschinen können jedoch so eingerichtet werden, dass sie das Werkstück auf mehreren Achsen positionieren und neu positionieren. Dies ermöglicht komplizierte Schnitte in fast jeder beliebigen Position.

So können CNC-Fräsmaschinen auch sehr komplexe Geometrien herstellen. Stellen Sie sich eine Turbinenschaufel vor, deren Design wechselnde Konturen in mehreren Achsen erfordert, was mit einer herkömmlichen, einachsigen Bearbeitung nicht ohne weiteres möglich ist. Da CNC-Fräsmaschinen jederzeit auf jede Achse zugreifen können, lassen sich gekrümmte Oberflächen schnell und präzise herstellen.

Bohrer

Bohrer sind natürlich überall in der Fertigung zu finden. Sie werden benötigt, um Befestigungselemente (z. B. Schrauben und Muttern) anzubringen, Öffnungen für die Luftzirkulation zu schaffen und sogar Gewicht von einem Chassis zu entfernen. Ein CNC-gesteuerter Bohrer kann automatisch Löcher in präziser Tiefe und in leicht wiederholbaren Mustern bohren, was ihn ideal für die Massenproduktion macht.

Gedruckte Leiterplatten (PCBs) sind ein hervorragendes Beispiel für CNC-Bohrarbeiten. Bei Leiterplatten werden sehr kleine Glasfaserplatten mit elektronischen Komponenten bestückt, von denen die meisten sorgfältig gebohrte Befestigungslöcher erfordern. Ein falsch gebohrtes Loch kann zu Montageproblemen und Elektronikausfällen führen. CNC-Bohrmaschinen sorgen dafür, dass die Leiterplatten schnell und mit geringer Fehlerquote nach den Vorgaben gefertigt werden.

Schleifer

Schleifmaschinen verwenden Schleifmittel und rotierende Scheiben, um Metallteile während der Produktion zu glätten. CNC-gesteuerte Schleifmaschinen automatisieren den Prozess und sorgen dafür, dass die Teile gleichmäßig mit einer bestimmten Glätte fertiggestellt werden. Da CNC-Schleifmaschinen in Mikrometern arbeiten können, lassen sich mit ihnen auch Werkzeuge genauer schärfen als mit herkömmlichen Maschinen, selbst solche mit komplexer Geometrie.

Lasercutter

Lasercutter verwenden leistungsstarke, fokussierte CO2-, Neodym- (Nd) oder Neodym-dotierte Yttrium-Aluminium-Granat- (Nd:YAG) Laser, um Materialien zu schneiden oder zu gravieren. Da Laser bis auf einen Mikrometer genau fokussiert werden können, bieten sie eine höhere Genauigkeit als andere Tools und produzieren daher weniger Abfall. Frühe Lasercutter verfügten über einige Steuerungen und wurden möglicherweise für kundenspezifische Acrylschilder oder Komponenten verwendet. Mit der CNC-Technologie sind die Arbeitsgänge jedoch schneller und wiederholbarer als je zuvor.

Fazit

Ob in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizintechnik, in der Automobilindustrie oder bei Konsumgütern - die CNC-Technologie kommt heute in fast allen Branchen zum Einsatz. Das liegt daran, dass alle Hersteller von der verbesserten Geschwindigkeit, Genauigkeit und Flexibilität profitieren. Durch die Automatisierung und Optimierung der Produktion erzeugen CNC-Systeme qualitativ hochwertigere Produkte und können sich schnell an veränderte Kundenanforderungen anpassen. Auch wenn in der subtraktiven Fertigung noch ältere NC- und manuelle Maschinen zu finden sind, ist es leicht zu erkennen, warum die CNC-Technik zum klaren Sieger im Rennen um die beste Fertigungstechnologie geworden ist.

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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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