Was ist CAM (Computer Aided Manufacturing)?

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Computer Aided Manufacturing (CAM):Die vollständige Einführung für Anfänger

In einer Welt voller physischer Dinge – ob Produkte, Teile oder Orte – macht Computer Aided Manufacturing (CAM) alles möglich. Wir sind diejenigen, die Flugzeugen die Kraft zum Fliegen oder Autos das Dröhnen von Pferdestärken verleihen. Wenn Sie etwas Gefertigtes und nicht nur Entworfenes brauchen, ist CAM Ihre Antwort. Was passiert hinter den Kulissen? Lies weiter und du wirst es herausfinden.

Was ist CAM? Computer Aided Manufacturing (CAM) ist die Verwendung von Software und computergesteuerten Maschinen zur Automatisierung eines Fertigungsprozesses.

Basierend auf dieser Definition benötigen Sie drei Komponenten, damit ein CAM-System funktioniert:

• Software, die einer Maschine mitteilt, wie ein Produkt herzustellen ist, indem Werkzeugwege generiert werden.
• Maschinen, die Rohmaterial in ein fertiges Produkt verwandeln können.
• Nachbearbeitung wandelt Werkzeugwege in eine Sprache um, die Maschinen verstehen können.

Diese drei Komponenten werden mit Tonnen von menschlicher Arbeit und Geschick zusammengeklebt. Als Branche haben wir Jahre damit verbracht, die besten Fertigungsmaschinen zu bauen und zu verfeinern. Heutzutage ist kein Design zu schwer für eine fähige Werkstatt.

CAD-zu-CAM-Prozess

Ohne CAM kein CAD. CAD konzentriert sich auf die Konstruktion eines Produkts oder Teils. Wie es aussieht, wie es funktioniert. CAM konzentriert sich darauf, wie man es macht. Sie können das eleganteste Teil in Ihrem CAD-Tool entwerfen, aber wenn Sie es nicht effizient mit einem CAM-System herstellen können, dann sind Sie besser dran.

Der Beginn eines jeden Engineering-Prozesses beginnt in der Welt des CAD. Ingenieure erstellen entweder eine 2D- oder 3D-Zeichnung, sei es eine Kurbelwelle für ein Auto, das Innenskelett eines Küchenhahns oder die versteckte Elektronik in einer Leiterplatte. In CAD wird jedes Design als Modell bezeichnet und enthält eine Reihe physikalischer Eigenschaften, die von einem CAM-System verwendet werden.

Wenn ein Design in CAD fertig ist, kann es dann in CAM geladen werden. Dies erfolgt traditionell durch den Export einer CAD-Datei und den anschließenden Import in die CAM-Software. Wenn Sie ein Tool wie Fusion 360 verwenden, existieren CAD und CAM in derselben Welt, sodass kein Import/Export erforderlich ist.

Sobald Ihr CAD-Modell in CAM importiert wurde, beginnt die Software mit der Vorbereitung des Modells für die Bearbeitung. Bearbeitung ist der kontrollierte Prozess der Umwandlung von Rohmaterial in eine definierte Form durch Vorgänge wie Schneiden, Bohren oder Bohren.

Computer Aided Manfacturing-Software bereitet ein Modell für die maschinelle Bearbeitung vor, indem es mehrere Aktionen durchführt, darunter:

• Überprüfen, ob das Modell Geometriefehler aufweist, die sich auf den Herstellungsprozess auswirken.
• Erstellen eines Werkzeugwegs für das Modell, eine Reihe von Koordinaten, denen die Maschine während des Bearbeitungsprozesses folgt.
• Einstellen aller erforderlichen Maschinenparameter, einschließlich Schnittgeschwindigkeit, Spannung, Schnitt-/Stechhöhe usw.
• Konfigurieren der Verschachtelung, bei der das CAM-System die beste Ausrichtung für ein Teil bestimmt, um die Bearbeitungseffizienz zu maximieren.

Sobald das Modell für die Bearbeitung vorbereitet ist, werden alle Informationen an eine Maschine gesendet, um das Teil physisch herzustellen. Allerdings können wir einer Maschine nicht einfach ein paar Anweisungen auf Englisch geben. Wir müssen die Sprache der Maschine sprechen. Dazu wandeln wir alle unsere Bearbeitungsinformationen in eine Sprache namens G-Code um. Dies ist der Befehlssatz, der die Aktionen einer Maschine steuert, einschließlich Geschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit, Kühlmittel usw.

G-Code ist einfach zu lesen, sobald Sie das Format verstanden haben. Ein Beispiel sieht so aus:

G01 X1 Y1 F20 T01 S500

Dies gliedert sich von links nach rechts wie folgt auf:

• G01 zeigt eine lineare Bewegung basierend auf den Koordinaten X1 und Y1 an.
• F20 stellt eine Vorschubgeschwindigkeit ein, die die Strecke ist, die die Maschine bei einer Spindelumdrehung zurücklegt.
• T01 weist die Maschine an, Werkzeug 1 zu verwenden, und S500 legt die Spindeldrehzahl fest.

Eine visuellere Möglichkeit, G-Code-Koordinaten zu verstehen. Bild mit freundlicher Genehmigung von Make:.

Sobald der G-Code in die Maschine geladen ist und ein Bediener auf Start klickt, ist unsere Arbeit erledigt. Jetzt ist es an der Zeit, die Maschine den G-Code ausführen zu lassen, um einen Rohmaterialblock in ein fertiges Produkt umzuwandeln.

CNC-Maschinen auf einen Blick

Bis zu diesem Punkt haben wir die Maschinen in einem CAM-System als einfache Maschinen bezeichnet, aber das wird ihnen wirklich nicht gerecht. Zu sehen, wie eine Haas-Fräsmaschine durch einen Metallblock gleitet, als wäre es Butter, zaubert jedes Mal ein Lächeln auf mein Gesicht. Ohne diese Maschinen wäre meine Arbeit unmöglich.

Bild mit freundlicher Genehmigung von Haas Automation.

Alle modernen Fertigungszentren werden mit verschiedenen CNC-Maschinen (Computer Numerical Control) betrieben, um technische Teile herzustellen. Der Prozess der Programmierung einer CNC-Maschine zur Ausführung bestimmter Aktionen wird als CNC-Bearbeitung bezeichnet.

Bevor es CNC-Maschinen gab, wurden Fertigungszentren von erfahrenen Maschinisten manuell betrieben. Natürlich folgte, wie bei allen Dingen, die Computer berühren, bald die Automatisierung. Heutzutage ist der einzige menschliche Eingriff, der für den Betrieb einer CNC-Maschine erforderlich ist, das Laden eines Programms, das Einlegen von Rohmaterial und das anschließende Entladen eines fertigen Produkts.

Drüben in der Werkstatt von Autodesk Pier 9 haben wir eine anständige Auswahl an CNC-Maschinen, darunter:

CNC-Router

Diese Maschinen schneiden Teile und schnitzen mit Hochgeschwindigkeits-Spinnkomponenten eine Vielzahl von Formen aus. Zum Beispiel kann ein CNC-Fräser, der für die Holzbearbeitung verwendet wird, das Schneiden von Sperrholz in Schrankteile erleichtern. Auch komplexe dekorative Gravuren auf einer Türverkleidung können damit problemlos bewältigt werden. CNC-Fräser verfügen über 3-Achsen-Schneidefunktionen, die es ihnen ermöglichen, sich entlang der X-, Y- und Z-Achsen zu bewegen.

Wasser-, Plasma- und Laserschneider

Diese Maschinen verwenden präzise Laser, Hochdruckwasser oder einen Plasmabrenner, um einen kontrollierten Schnitt oder eine Gravur durchzuführen. Manuelle Gravurtechniken können Monate dauern, bis sie von Hand ausgeführt werden, aber eine dieser Maschinen kann die gleiche Arbeit in Stunden oder Tagen erledigen. Plasmaschneider sind praktisch zum Schneiden durch elektrisch leitfähige Materialien wie Metalle.

Fräsmaschinen

Diese Maschinen zerspanen eine Vielzahl von Materialien wie Metall, Holz, Verbundwerkstoffe usw. Fräsmaschinen haben eine enorme Vielseitigkeit mit einer Vielzahl von Werkzeugen, die spezifische Material- und Formanforderungen erfüllen können. Das übergeordnete Ziel einer Fräsmaschine besteht darin, Masse so effizient wie möglich aus einem Rohmaterialblock zu entfernen.

Drehmaschinen

Diese Maschinen zerkleinern auch Rohstoffe wie eine Fräsmaschine. Sie machen es anders. Eine Fräsmaschine hat ein sich drehendes Werkzeug und stationäres Material, während eine Drehbank das Material dreht und mit einem stationären Werkzeug schneidet.

Bild mit freundlicher Genehmigung von Halsey Manufacturing.

Elektroerosionsmaschinen (EDM)

Diese Maschinen schneiden durch elektrische Entladung die gewünschte Form aus dem Rohmaterial. Zwischen einer Elektrode und dem Rohmaterial entsteht ein elektrischer Funke, dessen Temperatur 8.000 bis 12.000 Grad Celsius erreicht. Dadurch kann ein EDM in einem kontrollierten und ultrapräzisen Prozess nahezu alles durchschmelzen.

Bild mit freundlicher Genehmigung von Absolute Wire EDM.

Das menschliche Element der computergestützten Fertigung (CAM)

Das menschliche Element war schon immer ein heikles Thema, seit CAM in den 1990er Jahren auf den Markt kam. In den 1950er Jahren, als John T. Parsons erstmals die CNC-Bearbeitung einführte, erforderte die geschickte Bedienung von Maschinen eine enorme Menge an Training und Übung. Das folgende Video von NYC CNC zeigt ein großartiges Beispiel dafür, wie unterschiedlich manuelle Maschinen von heutigen CNC-Maschinen sind:

In den Tagen der manuellen Bearbeitung war der Beruf eines Maschinisten ein Ehrenzeichen, das jahrelange Ausbildung erforderte, um es zu perfektionieren. Ein Maschinist musste alles tun – Pläne lesen, wissen, welche Werkzeuge zu verwenden sind, Vorschübe und Geschwindigkeiten für bestimmte Materialien definieren und ein Teil sorgfältig von Hand schneiden. Dabei ging es nicht nur um präzises handwerkliches Geschick. Maschinist zu sein war und ist sowohl eine Kunst als auch eine Wissenschaft.

Bild mit freundlicher Genehmigung von ITABC.CA

Heutzutage ist der moderne Maschinist lebendig und gesund, da Mensch, Maschine und Software zusammenkommen, um unsere Branche voranzubringen. Fähigkeiten, deren Beherrschung früher 40 Jahre gedauert hat, können jetzt in einem Bruchteil der Zeit erobert werden. Neue Maschinen und CAM-Software haben uns mehr Kontrolle als je zuvor gegeben, um bessere und innovativere Produkte zu entwerfen und herzustellen als unsere Vorfahren, was sie zugeben werden ... widerwillig.

Was bedeutet das alles für den Faktor Mensch in der Fertigung? Die Rolle eines traditionellen Maschinisten verändert sich. Heute sehen wir eine Umgebung moderner Maschinisten, die mit drei typischen Rollen gespielt wird:

• Der Betreiber. Diese Person lädt Rohmaterialien in eine CNC-Maschine und führt fertige Teile durch den Endverpackungsprozess.
• Der Setup-Operator. Diese Person führt die Erstkonfiguration für eine CNC-Maschine durch, einschließlich Laden eines G-Code-Programms und Einrichten von Werkzeugen.
• Der Programmierer. Diese Person nimmt die Zeichnung für ein CAD-Modell und entscheidet, wie es mit ihren verfügbaren CNC-Maschinen erstellt wird. Ihre Aufgabe ist es, die Werkzeugwege, Werkzeuge, Geschwindigkeiten und Vorschübe im G-Code zu definieren, um die Arbeit zu erledigen.

In einem typischen Arbeitsablauf übergibt der Programmierer sein Programm an den Einrichter, der dann den G-Code in die Maschine lädt. Sobald die Maschine betriebsbereit ist, fertigt der Bediener das Teil an. In einigen Geschäften können sich diese Rollen kombinieren und zu den Verantwortlichkeiten von einer oder zwei Personen überschneiden.

Außerhalb des täglichen Maschinenbetriebs ist auch der Fertigungsingenieur angestellt. In einer neuen Ladeneinrichtung richtet diese Person normalerweise Systeme ein und bestimmt einen idealen Herstellungsprozess. Bei bestehenden Anlagen überwacht ein Fertigungsingenieur die Geräte- und Produktqualität, während er andere Verwaltungsaufgaben übernimmt.

Der Einfluss von CAM

Wir haben John T. Parsons für die Einführung einer Lochkartenmethode zur Programmierung und Automatisierung von Maschinen zu danken. 1949 finanzierte die United States Air Force Parsons, um eine automatisierte Maschine zu bauen, die manuelle NC-Maschinen übertreffen konnte. Mit etwas Hilfe vom MIT konnte Parsons den ersten NC-Prototypen entwickeln.

Von da an nahm die Welt der CNC-Bearbeitung ihren Lauf. In den 1950er Jahren kaufte die US-Armee NC-Maschinen und verlieh sie an Hersteller. Die Idee war, Unternehmen einen Anreiz zu geben, die neue Technologie in ihren Fertigungsprozess aufzunehmen. Während dieser Zeit haben wir auch gesehen, wie das MIT die erste universelle Programmiersprache für CNC-Maschinen entwickelt hat:G-Code.

Die 1990er Jahre brachten die Einführung von CAD und CAM auf den PC und haben die heutige Herangehensweise an die Fertigung völlig revolutioniert. Die frühesten CAD- und CAM-Jobs waren teuren Automobil- und Luft- und Raumfahrtanwendungen vorbehalten, aber heute ist Software wie Fusion 360 für Fertigungsbetriebe jeder Form und Größe verfügbar.

Seit seiner Einführung hat CAM eine Menge Verbesserungen für den Herstellungsprozess geliefert, darunter:

• Verbesserte Maschinenfunktionen. CAM-Systeme können fortschrittliche 5-Achsen-Maschinen nutzen, um anspruchsvollere und qualitativ hochwertigere Teile zu liefern.
• Verbesserte Maschineneffizienz. Die heutige CAM-Software bietet Hochgeschwindigkeits-Werkzeugmaschinenpfade, mit denen wir Teile schneller als je zuvor fertigen können.
• Verbesserte Materialnutzung. Mit additiven Maschinen und CAM-Systemen können wir komplexe Geometrien mit minimalem Abfall produzieren, was zu geringeren Kosten führt.

Natürlich haben diese Vorteile einige Kompromisse. Computer Aided Manufacturing-Systeme und -Maschinen erfordern enorme Vorlaufkosten. Zum Beispiel kostet ein Haas VF-1 etwa 45.000 US-Dollar; Stellen Sie sich jetzt eine ganze Werkstatt davon vor. Es gibt auch das Problem der Fluktuation. Da die Maschinenbedienung immer weniger zu einem qualifizierten Beruf wird, ist es schwierig, gute Talente anzuziehen und zu halten.

CAM ist der Mann

Bei CAM geht es nicht nur darum, Maschinen in einer Werkstatt zu steuern. Es geht darum, Software, Maschinen, Prozesse und Menschen zusammenzubringen, um wirklich großartige Teile zu bauen. Wenn Sie zum ersten Mal in die Welt von CAM eintauchen, empfehle ich Ihnen dringend, sich an ein lokales Geschäft zu wenden, um eine Insider-Tour zu erhalten. Spüren Sie das Summen der CNC-Maschinen in Ihren Füßen oder gleiten Sie mit Ihrer Hand über ein Teil, das frisch aus der Maschine kommt. Es ist eine unglaubliche Erfahrung, von der ich hoffe, dass zukünftige Generationen sie genießen können. Bei CAM dreht sich alles um die menschliche Note.

Spielen Sie immer noch mit einem separaten CAD- und CAM-Tool herum? Fusion 360 bietet beides. Probieren Sie Fusion 360 noch heute aus.