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Jul 24, 2023

Was ist CNC-Bearbeitung?

Eine computernumerisch gesteuerte Maschine (CNC) ist ein Bearbeitungswerkzeug, das Ausgangsmaterial in eine gewünschte Form bringt, die Fertigungsrichtlinien und Komponentenanforderungen erfüllt. CNC-Maschinen verwenden vorprogrammierte Software, um die Bewegungen komplexer Maschinen zu steuern, darunter Schleifmaschinen, Drehmaschinen, Fräsmaschinen und andere Schneidwerkzeuge, die zum Materialabtrag verwendet werden.

Diese computergestützten Fertigungstechniken können ein breites Spektrum komplexer und präziser CNC-Bearbeitungsaufgaben ausführen, um hergestellte Produkte und speziell entwickelte Teile für die Automobil-, Verteidigungs- und Luft- und Raumfahrtindustrie herzustellen.

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Obwohl 3D-Druck und andere additive Fertigungsverfahren im 21. Jahrhundert bei der Herstellung von Bauteilen aus weichen Materialien im Mittelpunkt stehen, sind die meisten Alltagsgegenstände immer noch das Ergebnis hochautomatisierter subtraktiver Bearbeitungstechniken.

Plastikwasserflaschen werden mithilfe der CNC-Senktechnik aus Formen hergestellt, und einzelne Antriebssystemkomponenten jedes Autos auf der Straße werden auf genaue Abmessungen gefräst, damit alle beweglichen Zahnräder für eine optimale mechanische Leistung nahtlos zusammenpassen.

„Die Chancen stehen gut, dass fast alles, was Sie im Alltag anfassen, irgendwann einmal von einer Werkzeugmaschine berührt wurde“, sagt Tony Schmitz, Ingenieurprofessor an der University of Tennessee Knoxville. „Wenn Sie jemals in einem Flugzeug gereist sind – zum Beispiel einer Boeing 747 – wurden über eine Million einzelne Komponenten bearbeitet und dann zusammengebaut, um das Flugzeug zum Abheben zu bringen.“

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CNC-Werkzeugmaschinen sind so vielseitig und dynamisch wie die Vielzahl der von ihnen hergestellten Teile. Die meisten CNC-Maschinen arbeiten jedoch in zwei Rahmenwerken: einem System mit offenem oder geschlossenem Regelkreis.

In CNC-Systemen mit offenem Regelkreis entwickelt der Bediener die numerische Computersteuerung für die jeweilige Aufgabe und generiert den G-Code oder die Arbeitsdatei mithilfe von CAD-Software (Computer Aided Design). Der Computer leitet dann die richtigen Schritte an die Steuerung und die angeschlossenen Servomotoren weiter.

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Diese Motoren manipulieren Schneidwerkzeuge wie Drehmaschinen oder Schleifmaschinen entlang mindestens zwei Achsen (X und Y), obwohl High-End-CNC-Maschinen die Vielseitigkeit und Genauigkeit erhöhen können, indem sie CNC-Fräsen und anderes Zubehör um mehrere zusätzliche Achsen bewegen.

CNC-Systeme mit geschlossenem Regelkreis liefern Rückmeldungsdaten an den Monitor, um Inkonsistenzen zu beheben, während sich CNC-Maschinen um das Material bewegen. Diese Motor-Monitor-Kommunikation ermöglicht es Closed-Loop-Systemen, die Geschwindigkeit, Position und Vorschubgeschwindigkeit von Drehmaschinen und anderen CNC-Werkzeugmaschinen in Echtzeit zu ändern.

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Hier sind einige der häufigsten industriellen Anwendungen für CNC-Maschinen:

CNC-Maschinen sind hervorragende Werkzeuge für Projekte, die eine präzise und effiziente Schnittgeschwindigkeit erfordern, und sie können zwei der fortschrittlichsten Schneidtechniken anwenden: Senkerodieren (elektrische Entladungsmaschine) und Drahterodieren.

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Eine Senkerodiermaschine nutzt eine thermische Erosion durch die Wechselwirkung zwischen zwei Elektroden – eine davon ist in Form von Kupfer oder Graphit am Werkzeug befestigt. Das andere ist die dielektrische Flüssigkeit, in der das Material gebadet ist. Erstaunlicherweise kommen Werkzeug und Werkstück während der Produktion nie in direkten Kontakt. Drahterodieren funktioniert auf die gleiche Weise, außer dass Drahtelektroden als präzise Schneidwerkzeuge verwendet werden.

Bei diesem präzisen Lochstanzvorgang wird ein rotierendes Schneidwerkzeug, typischerweise Bohrer oder Hochgeschwindigkeitswasserstrahlen, verwendet, um runde Löcher in einem stationären Werkstück zu erzeugen. In diesen Löchern sind häufig Montageschrauben und -bolzen untergebracht.

CNC-Maschinen sind oft mit Schleifscheiben ausgestattet, die eine nahezu makellose Oberflächengüte erzeugen. Diese subtraktive Schleiftechnik übertrifft die Genauigkeit jedes additiven Fertigungsverfahrens bei weitem und kann Unvollkommenheiten auf Toleranzen von nur 1/10 der Breite eines menschlichen Haares reduzieren.

Eine CNC-Fräse verwendet, ähnlich wie einfache Mühlen und andere Handfräsmaschinen, Drehmaschinen, Wasserstrahlen oder Drehwerkzeuge, um Material von einem stationären Werkstück zu entfernen. CNC-Fräsen können sich entlang mehrerer Achsen bewegen, sodass Bediener horizontale, vertikale, Winkel- und Planfräsaufgaben mit absoluter Präzision ausführen können. Diese Möglichkeiten in mehreren Winkeln erhöhen die Effizienz im Herstellungsprozess komplexer Holz-, Metall- und Kunststoffteile, da der Maschinist das Rohmaterial weniger oft anpassen und neu befestigen muss.

Dieser CNC-Maschinenprozess funktioniert ähnlich wie das Fräsen; Anstatt das Material jedoch an einer Arbeitsstation zu befestigen, wird es an einem Drehmechanismus befestigt, der sich mit hoher Geschwindigkeit dreht. Ein Arbeiter, der eine Drehmaschine oder eine CNC-Maschine mit einem ähnlichen Aufsatz verwendet, entfernt dann kleine Materialmengen, bis er das Rohteil in die gewünschte Form gebracht hat.

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Computergestützte Fertigungssoftware (CAM) ist ein wesentlicher Bestandteil des CNC-Bearbeitungsprozesses. Es ist der Vermittler und Interpret jedes computergestützten Bearbeitungsvorgangs, da es sowohl menschliche als auch automatisierte Ein- und Ausgänge jeder Produktionsstufe verwaltet.

Designer erstellen beispielsweise 3D-Modelle ihres Projekts in einer CAD-Software (Computer Aided Design) und laden die Datei in CAM hoch. CAM interpretiert dann das Modell und fungiert als M-Code- oder G-Code-Generator, der das Projektziel in die Sprache der CNC-Programmierung übersetzt. Während die CNC-Maschine an dem Projekt arbeitet, sendet sie Daten an CAM zurück und informiert den Bediener über alle Variablen, die das Ergebnis des Produkts beeinflussen können.

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Die CNC-Bearbeitung hat ihren Ursprung in den technologischen Fortschritten während der industriellen Revolution Mitte des 19. Jahrhunderts, als produzierende Unternehmen begannen, kurvengesteuerte Drehmaschinen und Fräswerkzeuge in der Massenproduktion von Schusswaffen, Fabrikausrüstung und Alltagsgegenständen einzusetzen. In den 1940er und 1950er Jahren begann man mit rudimentärer numerisch gesteuerter Bearbeitung in Form von M-Code-Lochkarten, mehrere Fertigungsaufgaben zu automatisieren, die ursprünglich manuell von einem Team von Arbeitern gesteuert wurden.

Mit der Verbesserung digitaler Computer und Computersoftware in den 1970er und 1980er Jahren konnten mehr Fertigungswerkzeuge automatisiert werden, um die Produktionsgeschwindigkeit und die Gesamteffizienz zu verbessern.

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Heute, im 21. Jahrhundert, ermöglichen CAM- und CAD-Software sowie modernste CNC-Maschinen kleinen Produktionsteams eine kostengünstige Strategie zur Herstellung großer Mengen komplexer Teile. Da maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz weiter voranschreiten, wird die Fertigungsindustrie wahrscheinlich weiterhin Prozesse optimieren und automatisieren.

Während wir in die ersten Phasen der Revolution der künstlichen Intelligenz eintreten, kann es leicht sein, von einer Welt zu träumen, in der Roboter die gesamte Arbeit erledigen. Allerdings wissen sowohl Zerspanungsprofis als auch Ingenieurswissenschaftler, dass der CNC-Bearbeitungsprozess qualifizierte Arbeitskräfte erfordert, um sicherzustellen, dass alles ordnungsgemäß funktioniert es sollte.

„Es [computernumerische Steuerungsbearbeitung] ist eine Grundfunktion, die so schnell nicht verschwinden wird“, sagt Schmitz. Stattdessen argumentiert Schmitz, dass sich additive und subtraktive Fertigung tatsächlich so weit ergänzen, dass „Hybridfertigung“ zum zukünftigen CNC-Bearbeitungsprozess werden wird.

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Schmitz sagt auch, dass diese Hybridfertigung „mit einem additiven Teil beginnen wird, das die Vorform oder den Ausgangszustand darstellt, und dann werden wir eine begrenzte Bearbeitung verwenden, um eine glatte Oberflächenbeschaffenheit zu erzeugen, die man mit additiver Fertigung nicht erreichen kann.“

Eine der größten Hürden für die Zukunft der CNC-Bearbeitung ist jedoch der aktuelle Arbeitskräftemangel an qualifizierten Maschinisten, die mit der CNC-Programmierung vertraut sind. Dieser Mangel wird sich noch verschärfen, wenn erfahrene CNC-Fachkräfte in den Ruhestand gehen und nur noch wenige in die Branche eintreten, um ihren Platz einzunehmen.

In den Vereinigten Staaten haben das Verteidigungsministerium und verschiedene andere Bundesbehörden die Notwendigkeit erkannt, ein gescheitertes nationales Fertigungsprogramm wiederzubeleben und hochmoderne Fertigungsprozesse einzuführen, die das Land in der Branche wettbewerbsfähig machen.

„Während die Zerspanung in der Vergangenheit als Handwerk betrachtet wurde – bei dem jemand jahrelange Ausbildung und praktische Erfahrung braucht, bevor er die gewünschten Teile herstellen kann – glaube ich, dass wir davon weg und zu einer stärker automatisierten Bearbeitungsumgebung übergehen werden „, sagt Schmitz. „Es wird immer noch Arbeitsplätze geben, aber sie werden sich drastisch von denen unterscheiden, die es gab, als die CNC-Technologie in den 1940er und 1950er Jahren begann.“

Die Vereinigten Staaten waren ein Produktionskraftwerk, das nach dem Zweiten Weltkrieg weltweit führend bei innovativen Technologien war. In den 1960er und 1970er Jahren begannen die USA dann, die Produktion auszulagern, was zu einer stärkeren Abhängigkeit von im Ausland hergestellten Waren führte. Branchenführer und Bundesorganisationen sind sich einig, dass das Land im 21. Jahrhundert dringend mehr Eigenständigkeit und eine Wiederbelebung der amerikanischen Zerspanungsindustrie benötigt. Da die Zahl der Arbeitskräfte schrumpft und immer weniger Menschen in den Bereich der CNC-Technologie einsteigen als aussteigen, war es noch nie ein besserer Zeitpunkt, in diesen stark nachgefragten Beruf einzusteigen.

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