CNC-Bearbeitung erklärt: Der ultimative Leitfaden für die moderne Fertigung

 

Computer Numerical Control (CNC) Bearbeitung ist in der Fertigung zunehmend verbreitet. CNC-Technologie bietet ein vielseitiges, automatisiertes Mittel zur Produktion von Großserien hochwertiger Teile. Die hohen Genauigkeits- und Wiederholbarkeitsgrade, die CNC-Bearbeitungsprozesse bieten, machen sie zum idealen Werkzeug für die meisten Hersteller.

Was ist CNC-Bearbeitung?

Im Allgemeinen bezeichnet CNC-Bearbeitung einen von vielen reduktiven Prozessen, die Material von einem Werkstück abtragen, um ein Design zu erfüllen. CNC-Prozesse nutzen computergesteuerte Kontrollen, um den gesamten Bearbeitungsprozess von Anfang bis Ende zu steuern und letztlich konsistent präzise Teile zu produzieren. CNC-Bearbeitungsgeräte können dieselben Anweisungssätze immer wieder befolgen, um kleine oder große Produktionsläufe identischer Stücke zu ermöglichen.

CNC-Maschinen gibt es in verschiedenen Ausführungen und Komplexitätsgraden. Einige Maschinen können mehrere Werkzeuge gleichzeitig halten oder entlang der X-, Y- und Z-Achsen arbeiten, um überschüssiges Material von jeder Seite oder in jedem Winkel zu entfernen.

CNC-Bearbeitung wird zur Erstellung von Teilen und Komponenten für fast jede Industrie und Anwendung eingesetzt. Dazu gehören die Luft- und Raumfahrtindustrie und andere hochkomplexe Branchen, die Bearbeitungsarbeiten an großen Teilen benötigen. Hersteller können diesen Prozess auf Substraten wie:

• Verbundwerkstoffe
• Schaum
• Glas
• Metalle
• Kunststoff
• Holz

CNC-Bearbeitung ist besonders vorteilhaft durch ihre automatisierte Funktionalität. Automatisierung ermöglicht den Maschinen, selbstständig zu arbeiten und erfordert weniger menschliche Arbeit für die Produktion präziser Teile. Ein wachsender Branchenmangel an qualifizierten Zerspanern und Arbeitskräften war in den letzten Jahren ein primärer Treiber für den Fortschritt der CNC-Technologie.

Die drei Fertigungsprozesse

Generell gibt es drei Arten von Fertigungsprozessen:

• Reduktiv. Reduktive oder subtraktive Prozesse wie Bearbeitung tragen Material von einem Werkstück ab, um ein Design zu erstellen.
• Additiv. Additive Fertigungsprozesse fügen verschiedene Elemente zusammen oder bauen sie auf, um ein fertiges Produkt zu erstellen. 3D-Druck ist die gängigste Form der additiven Fertigung.
• Formativ. Formative Fertigung biegt oder verändert die Form des Substrats, um den Designanforderungen zu entsprechen. Dazu gehören Prozesse wie Spritzguss, bei dem das Substrat geschmolzen und dann in eine Form gepresst wird, um eine bestimmte Form zu halten. Auch viele Metallumformprozesse wie Biegen oder Walzen gehören dazu.

CNC-Bearbeitungsprozess – Überblick

Der Vorgänger der CNC-Bearbeitung – Numerical Control (NC) Bearbeitung – nutzte Lochkarten und rudimentäre Befehle. CNC-Bearbeitung folgt komplexeren Befehlen und nutzt eine größere Vielfalt an Kontrollen. Diese Systeme steuern beide die Schneid- und Formwerkzeuge, die Material abtragen, aber CNC-Bearbeitungsgeräte können komplexe, angepasste Anweisungssätze befolgen, die aus komplexen CAD- oder CAM-Designs stammen.

Verschiedene CNC-Bearbeitungsgeräte können unterschiedliche Werkzeuge, Fähigkeiten und Operationen handhaben. Der CNC-Bearbeitungsprozess umfasst typischerweise diese allgemeinen Schritte:

1. CAD-Modell designen

Bevor der CNC-Bearbeitungsprozess startet, müssen Hersteller das Produktdesign erstellen. Computer-Aided Design (CAD) Software kann verwendet werden, um detaillierte zweidimensionale (2D) oder dreidimensionale (3D) Modelle zu erstellen. Diese Designdateien enthalten Details wie Geometrien, Abmessungen und andere technische Spezifikationen der Teile. CAD-Software berücksichtigt die Limitierungen von Bearbeitungsprozessen und die Eigenschaften der ausgewählten Materialien.

Beispiel: Enthält ein Design Bohrungen, die durch zylindrische Werkzeuge geformt werden, kann CAD-Software Designingenieure warnen, wenn Designs für ein gegebenes Substrat zu komplex sind oder potenzielle Probleme durch Limitierungen im gewählten Prozess identifizieren. Diese automatisierten Checks helfen CAD/CAM-Designservices und Ingenieuren, viele potenzielle Fehler während des Rendering-Prozesses zu vermeiden, sodass die Prototyping-Phase effizienter wird.

2. CAD-Dateien in nutzbare CNC-Anweisungen konvertieren

Ist das Design abgeschlossen, müssen die Designspezifikationen in Anweisungen übersetzt werden, die CNC-Maschinen befolgen können. Die CAD-Dateien werden durch Computer-Aided Manufacturing (CAM) Software laufen. Diese Programme erstellen den Programmcode, den CNC-Maschinen nutzen, um die Werkzeuge während des Fertigungsprozesses zu steuern. Diese Software extrahiert auch Informationen zur Teilegeometrie, die Bediener nutzen können, um sicherzustellen, dass das initiale Werkstück die richtigen Abmessungen und Ausrichtung hat.

Diese CNC-kompatiblen Anweisungssätze liegen generally in einem von zwei Dateitypen vor: STEP oder IGES. Sie enthalten Programmiersprachen wie G-Code und M-Code, die jeweils spezifische Bereiche der Maschinenwerkzeug-Funktionalität steuern. G-Code-Operationen fokussieren die eigentliche Werkzeugoperation – Geschwindigkeit, Bewegungsrichtung, Weglänge. M-Code-Operationen fokussieren diverse Operationen wie Ein-/Ausschalten und Hilfsfunktionen.

3. CNC-Maschine vorbereiten

Menschliche Bediener spielen in der automatisierten Fertigung eine viel kleinere Rolle als in der manuellen, aber sie führen weiterhin wichtige Operationen aus, die die Maschinen nicht managen können. Dazu gehören:

• Laden der CNC-Programmdatei in die Maschine
• Aufspannen des Werkstücks in Maschinenspindeln oder Spannvorrichtungen, damit die Maschine das Werkstück manipulieren kann
• Anbringen der spezifizierten Bearbeitungswerkzeuge
• Inspektion des Arbeitsbereichs, der Maschine und des Werkstücks

4. Operationen ausführen

Sind Gerät und Programm vorbereitet und gestartet, führt die CNC-Bearbeitungsausrüstung die Schritte aus und bearbeitet das Werkstück. Das Programm kann die notwendigen reduktiven Prozesse von Anfang bis Ende ohne weitere Bedienereingriffe abschließen. Sind die Anweisungen abgearbeitet, kann das Teil durch Finish- und Verpackungsprozesse weiterlaufen.

Arten von CNC-Bearbeitungsoperationen

CNC-Bearbeitung ist eine sehr breite Kategorie möglicher Operationen und Prozesse. Unter CNC-Bearbeitungsoperationen sind Bohren, Fräsen und Drehen die gängigsten.

Bohren

Bohrprozesse nutzen Bohrer mit einem Durchmesser, der der Größe des gewünschten Lochs entspricht. Die Bearbeitungsausrüstung führt den rotierenden Bohrer senkrecht in das Werkstück ein, bis ein Loch einer vorbestimmten Länge gebohrt ist. Komplexere Geräte können Winkelbohrungen erzeugen, und Bohrwerkzeuge können Fähigkeiten wie:

• Aufbohren (Counterboring)
• Senken (Countersinking)
• Reiben (Reaming)
• Gewindeschneiden (Tapping)

Fräsen

Der Fräsprozess entfernt Materialschnitte vom Werkstück, indem das Material gegen eine rotierende Schneidkante bewegt wird. Die Werkzeuge haben mehrere Schneidpunkte, und jedes Werkzeug rotiert, um eine scharfe Schneidoberfläche mit unterschiedlicher Länge und Form bereitzustellen. Wird das Werkstück gegen Fräswerkzeuge gepresst, werden dünne Streifen oder Schnitte vom bestehenden Rand entfernt. Das kann flache Schnitte, breite Schnitte oder flachbodige Kavitäten zur Formung des Teils erzeugen. Peripherfräsprozesse können tiefer schneiden, um Nuten oder Gewinde in die allgemeine Form des Stücks zu schneiden.

Drehen

Drehprozesse drehen das Werkstück statt des Schneidwerkzeugs. Sie umfassen Schneidprozesse wie Ausbohren (Boring), Nuten (Grooving) und Plandrehen (Facing). Sie schneiden überschüssiges Material von einem Werkstück ab, indem sie einschneidige Schneidwerkzeuge präzise auf das rotierende Werkstück anwenden. Drehen erstellt zylindrische Teile mit einem spezifizierten Durchmesser. Drehen kann lineare Features sowohl innen als auch am Außenrand der Teile erzeugen. Diese Features umfassen:

• Nuten (Slots)
• Gewinde (Threads)
• Konizitäten (Tapers)

Vorteile der CNC-Bearbeitung

Viele Hersteller bevorzugen Bearbeitungsprozesse, weil sie Teile oder Komponenten aus einem einzigen Werkstück erstellen. CNC-Bearbeitung hat mehrere zusätzliche Vorteile:

• Erhöhte Produktivität. Einrichtungen mit CNC-Bearbeitung können Teile 24/7 produzieren. Die Maschinen können kontinuierlich mit wenig bis keiner menschlichen Intervention laufen. Sie benötigen auch weniger Platz als Arbeitsstationen oder manuelle Bearbeitungssetups, sodass eine Einrichtung mit gegebener Quadratmeterzahl mehr Maschinen gleichzeitig betreiben kann.
• Hoher Genauigkeitsgrad. CNC-Bearbeitung nutzt hochdetaillierte Programmierungsoperationen. Die Maschinen folgen diesen Anweisungen ohne unerwünschte Variation oder menschlichen Fehler. Die Teile sind hochwertig, präzise und identisch. CNC-Bearbeitung kann auch Teile mit komplexen, verschachtelten Designs produzieren.
• Schnellere Projektabwicklung. Jeder CNC-Bearbeitungsprozess startet mit einem CAD-Design, sodass der Prototyping-Prozess viel schneller ist. Die Software fängt viele mögliche Designfehler oder potenzielle Risiken mit verschiedenen Materialien ab. Wenn Prototyping- und Testprozesse verkürzt werden, können Produkte schneller vom Design in die Produktion gehen. CNC-Bearbeitungsanweisungen können auch schnell modifiziert oder ersetzt werden, sodass wenig Verzögerung zwischen Änderungen in Produktionsläufen entsteht.
• Kosteneffizienz. CAD-Designdateien und reduzierte Fertigungsfehlerrisiken senken den Stückkosten der Produktion. CNC-Bearbeitung erfordert auch weniger menschliche Arbeit, was den Fertigungspreis weiter senkt.

CNC-Bearbeitung von Pro-Type Manufacturing

Für Kunden, die eine Komplettfertigungslösung suchen, bietet Pro-Type Industries, Incorporated ein Maß an Wert und Prozessflexibilität, das in der Branche unübertroffen ist. Wir betreiben eine hochmoderne Einrichtung, ausgestattet mit einigen der fortschrittlichsten CNC-Bearbeitungssysteme.

Das sind Hochdrehmoment-, Hochdrehzahl-Systeme, die Präzision und Produktivität in einem Paket liefern. Ein Beispiel ist unsere 550 mm Toyoda CNC 4-Achs-Horizontalfräse. Dieses State-of-the-Art-System bietet Spindeldrehzahlen bis 15.000 U/min, angetrieben durch einen 30 PS Motor. Mit einem 30" Arbeitswürfel und 2400" pro Minute Positionierung kann es Materialien wie Aluminium, Stahl und Kunststoffe mit maximaler Genauigkeit bei hohen Geschwindigkeiten bearbeiten. Es ermöglicht auch die Bearbeitung schwer zerspanbarer Materialien wie Inconel, Invar, Monel und verschiedene Superlegierungen.

Doch das ist nur eines unserer vielen Präzisionsbearbeitungssysteme. Wir betreiben auch vier CNC-Vertikalfräsen für Werkstücke bis 64" x 32" x 25", zwei Horizontalfräsen mit Mehrfachpaletten und eine hochleistungsfähige CNC-Drehmaschine mit Automatikstangenförderung, Gegenspindel und angetriebenen Werkzeugen. In den Händen unseres Teams erfahrener Zerspaner liefern diese Hochpräzisionsmaschinen Toleranzen innerhalb von ±0,0005". Alle diese Fähigkeiten und Ressourcen werden durch hauseigene Fertigung aller Werkzeuge und Vorrichtungen ergänzt, was uns noch größere Kontrolle über die Produktivität gibt.

In unseren fast 50 Jahren als Hersteller haben wir gelernt, dass wenige Projektanforderungen nur aus Bearbeitung bestehen. Um unseren Serviceangeboten noch mehr Wert zu verleihen, bieten wir auch Value-Added-Services wie:

• Schweißen
• Ätzen
• Chromatieren
• Passivieren
• Komplettmontage
• Umfassende Dimensionsberichte
• Materialrückverfolgbarkeit

All unsere Arbeit wird durch ein robustes ISO 9001 Qualitätsmanagementsystem und eine Kultur abgesichert, die sich auf jeden Teil unserer Organisation erstreckt.

Vom einzelnen Prototyp bis zu hochvolumigen Blanket-Aufträgen, die sich über viele Monate oder länger erstrecken: Der Schlüssel zu unserem Erfolg ist unsere Fähigkeit, dasselbe Maß an Wert und Qualität unabhängig von Losgröße oder Designkomplexität zu liefern. Um mehr über all unsere Fertigungsfähigkeiten zu erfahren oder ein Angebot anzufordern, kontaktieren Sie uns direkt.