CNC-Bearbeitung erklärt: Wichtige Prozesse, Operationen und Vorteile

Die moderne Produktfertigung erfordert Prozesse und Techniken, die Präzision und Genauigkeit gewährleisten – eine Notwendigkeit angesichts der steigenden Komplexität von Produktdesigns. Dies treibt die Entwicklung und Innovation in Fertigungstechniken voran, insbesondere die Einführung von Automatisierung.

Durch Automatisierung ist die CNC-Bearbeitung zu einem gängigen Fertigungsverfahren geworden, das für seine Präzision, Genauigkeit und Fähigkeit zur Umsetzung komplexer Produktdesigns bekannt ist. Dieser Artikel behandelt die Grundlagen der CNC-Bearbeitung, ihre Prozesse, Anwendungen und Vorteile.

Was bedeutet Computer Numerical Control (CNC)?

Computer Numerical Control (CNC) bezeichnet die Steuerung eines Werkzeugmaschinen über einen angeschlossenen Mikrocomputer. Dieser interpretiert eine Programmiersprache – G-Code und M-Code –, die Anweisungen zu Bearbeitungsparametern wie Vorschubgeschwindigkeit, Spindeldrehzahl, Schneidwerkzeug und Kühlmittelfluss enthält.

Der Mikrocomputer leitet diese Anweisungen an die Werkzeugmaschine weiter. Daher erfordert die CNC-Bearbeitung keine manuelle Bedienung und eignet sich ideal für die fehlerfreie Herstellung von Teilen – unabhängig von der Komplexität des Produktdesigns.

Was ist CNC-Bearbeitung?

Die CNC-Bearbeitung ist ein subtraktives Fertigungsverfahren, bei dem Material von einem Werkstück basierend auf Anweisungen aus einem CAD-Modell abgetragen wird, um ein Endprodukt zu erzeugen. Die CNC-Maschine entfernt Material durch Bearbeitungsoperationen wie Drehen, Bohren oder Fräsen – gesteuert durch Codes (G-Code und M-Code), die aus dem CAD-Modell generiert werden und Anweisungen zu Bearbeitungsparametern enthalten.

Das CNC-Bearbeitungsverfahren ist mit vielen Metallen, Kunststoffen, Holz und Verbundwerkstoffen kompatibel. Neben additiven und formgebenden Fertigungsverfahren wie 3D-Druck und Spritzguss stellt es einen Standardprozess in der Teilefertigung dar. Allerdings bietet die CNC-Bearbeitung Vorteile gegenüber diesen Methoden – beispielsweise hohe Toleranzen. Lesen Sie weiter.

4 Hauptschritte im CNC-Bearbeitungsprozess

Es gibt vier grundlegende Schritte bei der CNC-Bearbeitung, unabhängig vom spezifischen Verfahren. Im Folgenden wird der allgemeine Ablauf Schritt für Schritt beschrieben:

Schritt 1: CAD-Modell erstellen

Dabei wird ein 2D- oder 3D-Modell des Produkts entworfen. Geeignete Software umfasst beispielsweise AutoCAD und SolidWorks. Zudem lassen sich 2D-Designs je nach Produktanforderung in 3D-Designs umwandeln.

Auch wenn einige Produktdesigns einfach sind, können komplexe CAD-Modelle fortgeschrittenes Fachwissen erfordern.

Das CAD-Modell sollte sorgfältig gestaltet sein und dem Bediener kritische Merkmale wie Toleranzen, Konstruktionslinien, Gewinde und andere Parameter für einen effektiven Bearbeitungsvorgang übersichtlich darstellen.

Schritt 2: Umwandlung in ein CNC-kompatibles Format

CNC-Maschinen können CAD-Modelle nicht direkt interpretieren. Daher muss das CAD-Modell in ein CNC-kompatibles Format umgewandelt werden. Hierfür kommt CAM-Software wie AutoCAD, Fusion 360 oder andere Online-Dienste zum Einsatz.

Diese Software konvertiert das Modell und steuert Parameter wie Dreh- und Linearbewegungen, Schneidsequenz, Werkzeugbahn, Werkstück, Maschinengeschwindigkeit usw., die mit der Bearbeitungsoperation verbunden sind.

Schritt 3: Maschineneinrichtung

Dieser Schritt umfasst die Auswahl der passenden CNC-Maschine und die Konfiguration bestimmter Operationen vor Beginn der Bearbeitung. Die Maschinenwahl hängt vom Werkstück, der Komplexität des Produktdesigns und den Kosten ab. Anschließend wird das Werkstück auf der Maschine eingespannt.

Schritt 4: Teil bearbeiten

Der Bediener spannt die erforderlichen Schneidwerkzeuge ein und startet den Prozess. Dieser läuft automatisiert ab, bis das Computerprogramm die Fertigstellung meldet. Während und nach dem Bearbeitungsprozess führen Fachkräfte mehrstufige Inspektionen zur Qualitätssicherung durch.

Die wichtige Rolle von CNC-Fachkräften

Obwohl der CNC-Bearbeitungsprozess automatisiert ist, sind CNC-Fachkräfte für die Bewältigung vorhersehbarer und unvorhersehbarer Störungen unverzichtbar. Zu ihren zentralen Aufgaben gehören:

• Produktspezifikationen ermitteln
• Technische Zeichnungen, Skizzen und CAD/CAM-Dateien lesen
• CAE-Modelle erstellen
• Schneidwerkzeuge und andere Maschinenmaterialien ausrichten und justieren
• CNC-Werkzeuge installieren, bedienen und demontieren
• Maschinengeschwindigkeit überwachen
• Fertige Teile auf Fehler prüfen und testen
• Sicherstellen, dass ein Teil dem CAD-Modell entspricht

Arten von CNC-Maschinen

Jeder CNC-Bearbeitungsprozess erfordert seine spezifische Maschine. Beispielsweise heißen Maschinen für CNC-Fräsen CNC-Fräsmaschinen, jene für CNC-Drehen CNC-Drehmaschinen. Die Klassifizierung erfolgt jedoch häufig nach der Anzahl der Achsen, in denen sie sich bewegen und drehen können. Hier sind die gängigsten Typen in der Teilefertigung:

2-Achs-CNC-Maschinen

2-Achs-CNC-Maschinen bearbeiten ein Teil nur auf der X- und Z-Achse – also vertikal und horizontal. Sie sind die einfachsten CNC-Maschinen in der Teilefertigung.

3-Achs-CNC-Maschinen

3-Achs-CNC-Maschinen gehen einen Schritt weiter: Sie bewegen sich in X-, Y- und Z-Richtung. Sie sind die am häufigsten eingesetzten Maschinen in der CNC-Bearbeitung. Allerdings kann ihre Unfähigkeit zur Rotation die Bearbeitung komplexer Designs einschränken.

4-Achs-CNC-Maschinen

Die 4-Achs-CNC-Maschine verfügt über eine Spindel, die sich entlang der drei Achsen bewegt. Vereinfacht gesagt: Die Maschine kann auf und ab, seitwärts, vor und zurück fahren und sich um die X- und A-Achse drehen – alles ohne Werkstückbewegung. Aufgrund ihrer Geschwindigkeit, Präzision und Genauigkeit sind sie die gängigsten Maschinen für die Bearbeitung komplexer Teile.

5-Achs-CNC-Maschinen

Eine 5-Achs-CNC-Maschine verfügt über Spindel und Schneidwerkzeug, die sich ähnlich wie bei der 4-Achs-Maschine bewegen. Im Gegensatz dazu können sie jedoch um zwei der drei Achsen rotieren. Sie gelten als die vollständigsten Mehrachs-CNC-Maschinen, da sie das Werkstück aus allen Richtungen bearbeiten können, ohne es während der Bearbeitung manuell umspannen zu müssen. Die 5-Achs-CNC-Bearbeitung ermöglicht perfekte Operationen an präzisen und komplexen Teilen.

3 gängige Softwarelösungen für die CNC-Bearbeitung

Je nach Anforderung des CNC-Bearbeitungsprozesses kommt eine oder mehrere der folgenden Softwarearten zum Einsatz:

1. CAD-Software

CAD-Software ermöglicht die Erstellung von 2D- und 3D-Modellen physischer Komponenten für Produktdesign und Fertigung. Zudem liefert sie Konstruktionsdaten an Hersteller. Beispiele: AutoCAD (2D und 3D), Inventor (3D), Blender, SketchUp.

2. CAM-Software

CAM-Software eignet sich zur Erstellung von G-Codes aus CAD-Modellen, die CNC-Maschinen steuern – und ermöglichen so die Automatisierung. Führende Beispiele: Fusion 360, SolidWorks, AutoCAD.

3. CAE-Software

CAE-Software erlaubt Produktdesignern die Simulation der Leistung eines geplanten Produkts. Dadurch können Designs optimiert und ingenieurtechnische Probleme gelöst werden. Beispiele: Finite-Elemente-Analyse, Mehrkörpersimulation, Computational Fluid Dynamics.

Verschiedene Arten von CNC-Bearbeitungsoperationen

Die CNC-Bearbeitung umfasst mehrere Techniken, bei denen Material von einem Werkstück abgetragen wird, um das gewünschte Produkt zu erzeugen. Die Art der Materialabtragung hängt vom jeweiligen Verfahren ab. Gängige CNC-Bearbeitungsoperationen in der Teilefertigung sind:

CNC-Bohren

Beim CNC-Bohren wird ein rotierendes Schneidwerkzeug verwendet, um zylindrische Bohrungen in ein stationäres Werkstück zu bringen. Es ist eine wichtige CNC-Bearbeitungsoperation für Produkte, die montiert werden müssen.

CNC-Fräsen

CNC-Fräsen ist die häufigste Bearbeitungsoperation. Dabei entfernt ein rotierendes, entlang der Achsen bewegliches Schneidwerkzeug Material vom Werkstück. Die Schneideffizienz hängt von der Komplexität der CNC-Maschine ab.

CNC-Drehen

CNC-Drehen ist eine Bearbeitungsoperation, bei der das Werkstück rotiert und einem stationären Schneidwerkzeug zugeführt wird, um das bearbeitete Teil zu formen.

Weitere Bearbeitungsoperationen

• Schleifen
• Nutstoßen
• Läppen
• Sägen
• Honen

Materialien für die CNC-Bearbeitung

Metalle: Kupfer, Edelstahllegierungen, Titan, Messing, Aluminiumlegierungen, Stahl, Magnesium u. a.

Kunststoffe: Acetal, PEEK, Polycarbonat, Nylon, Acryl, PVC, Polypropylen u. a.

Verbundwerkstoffe: Epoxidharz, Phenolharze, Glasfaser, Carbonfaser.

Holz: Hartholz und Sperrholz.

Schaum: Hartschaum und Schnitzschaum.

Die CNC-Bearbeitung ist mit vielen Materialien kompatibel. Bei der Materialwahl sollten jedoch folgende Faktoren berücksichtigt werden:

• Härte
• Mechanische Eigenschaften
• Teilfunktion
• Dimensions-Toleranz
• Betriebstemperatur
• Kosten

Vorteile der CNC-Bearbeitung

Die CNC-Bearbeitung findet breite Anwendung in der industriellen Teilefertigung aufgrund zahlreicher Vorteile. Hier sind die wichtigsten Benefits gegenüber anderen Fertigungsverfahren:

Genauigkeit und Präzision

Die CNC-Bearbeitung arbeitet hochpräzise, sodass Hersteller Teile exakt nach Designvorgabe fertigen können. Zudem bietet sie hohe Präzision und enge Toleranzen – verschiedene Chargen eines Produkts lassen sich ohne Genauigkeitsverlust fertigen. Die Automatisierung reduziert Bearbeitungsfehler zusätzlich.

Schnell und effizient

CNC-gefertigte Teile sind in wenigen Tagen lieferbar – ein Zeichen hoher Produktionseffizienz. Geschwindigkeit und Effizienz hängen jedoch vom Maschinentyp und der Produktkomplexität ab.

Kosteneffizienz

Die CNC-Bearbeitung erfordert hohe Anfangsinvestitionen, bietet jedoch niedrige Betriebskosten. Hohe Ausbringungsraten, minimale menschliche Fehler und niedrige Stückkosten steigern die Kosteneffizienz. Zudem ist für die meisten Bearbeitungsoperationen wenig Schulung nötig, die oft online verfügbar ist.

Erweiterte Fähigkeiten

Die meisten CNC-Maschinen können zahlreiche Werkzeuge für unterschiedliche Zwecke aufnehmen. Zudem verfügen sie über ausgefeilte Software, die die Bearbeitung verschiedenster Produkte und komplexer Werkstücke ermöglicht. Damit bieten sie erweiterte Fähigkeiten und Kompatibilität mit Werkstücken unterschiedlichster Größe, Form oder Oberflächenbeschaffenheit.

Breites Spektrum kompatibler Materialien

Bearbeitungsoperationen eignen sich für eine große Materialvielfalt. Gängige Beispiele sind Metalle, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe.

Alternative Fertigungsverfahren zur CNC-Bearbeitung

Die CNC-Bearbeitung ist ein vielseitiges, in der Teile- und Produktfertigung weit verbreitetes Verfahren. Doch manchmal ist sie nicht die beste Wahl. Hier sind alternative Methoden:

3D-Druck

3D-Druck ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem Material auf Basis eines CAD- oder digitalen 3D-Modells geschmolzen, aufgetragen und ausgehärtet wird. Wie die CNC-Bearbeitung ist er automatisiert, eignet sich jedoch besser für einfachere Designs.

Spritzguss

Spritzguss ist ein Kunststofffertigungsverfahren, bei dem geschmolzenes Material in eine vorbereitete Form eingespritzt und ausgehärtet wird. Der Mechanismus ähnelt anderen Verfahren wie Blasformen, Umspritzen und Einlegetechnik. Er ist essenziell für die Massenfertigung von Produkten.

Druckguss

Druckguss ähnelt dem Spritzguss, eignet sich jedoch für Metalle wie Aluminium. Dabei wird das Metall geschmolzen und in eine vorbereitete Form eingespritzt. Das Einspritzverfahren kann Niederdruck- oder Hochdruckguss sein, je nach Qualitätsanforderung des Produkts.

Kurze Geschichte der CNC-Bearbeitung

Vor dem elektronischen Zeitalter fertigten Konstrukteure Teile von Hand oder mit manuell bedienten Maschinen. Diese Verfahren waren in Genauigkeit, Präzision, Eignung für komplexe Produkte und – vor allem – Massenfertigung begrenzt. Daraufhin setzte Forschung und Entwicklung zur Einführung neuer Fertigungsverfahren ein.

Der erste Einblick in die numerische Steuerung entstand in den 1940er Jahren, als John T. Parsons in Zusammenarbeit mit dem MIT numerisch gesteuerte Maschinen für die US-Luftwaffe entwickelte. Diese ermöglichten die Werkzeugsteuerung über Lochkarten – waren jedoch noch nicht vollautomatisch und erforderten Bediener.

Mit der Erfindung schnellerer Computer begannen CNC-Maschinen, digitale Codes statt Lochkarten zur Werkzeugsteuerung zu nutzen. Die CNC-Bearbeitung konnte Teile schneller und genauer fertigen als vorherige Systeme.

Fazit

Die CNC-Bearbeitung ist ein in der Teile- und Produktfertigung weit akzeptiertes Verfahrensspektrum aufgrund seiner Genauigkeit, Präzision und Toleranz. Damit können Produktdesigner und -hersteller Produkte unterschiedlichster Komplexität realisieren.

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FAQs

Was sind M-Code und G-Code?

G-Codes sind Befehlscodes, die einer CNC-Maschine Bewegungsanweisungen geben. M-Codes steuern die nicht-schneidenden Maschinenfunktionen.

Was sind die Hauptforderungen in der CNC-Bearbeitung?

Anpassungen sind in der CNC-Bearbeitung nicht besonders einfach. Fachkräfte müssen die CAD-Dateien im ersten Schritt modifizieren, um kleinere Änderungen am Endprodukt vorzunehmen. Zudem ermöglicht der technologische Fortschritt nur qualifizierten Bedienern das Schreiben der Programme.

In welchen Branchen wird CNC-Bearbeitung eingesetzt?

Die CNC-Bearbeitung findet Anwendung in vielen Fertigungsbranchen. Häufige Anwender sind Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Militär, Verteidigung, Schifffahrt und Medizintechnik.

Was sind die Fachbegriffe in der CNC-Bearbeitung?

Gängige Terminologie:

- CAD: Computer-Aided Design
- CAM: Computer-Aided Manufacturing
- CAE: Computer-Aided Engineering
- DNC: Distributed Numerical Control
- G-Code: Geometrische Codes
- M-Code: Miscellaneous Machine Codes

Was sind die Trends in der CNC-Bearbeitungsbranche?

Trends umfassen die vollständige Automatisierung des Verfahrens, die Erweiterung der Achszahl an CNC-Maschinen und die Entwicklung weiterer Funktionen für einfachere Anpassungen.