Eine CNC Maschine ist vielseitig und extrem präzise

Eine CNC Maschine kann vollautomatisch selbst komplexe Werkstücke herstellen und ist dabei an Präzision nicht zu übertreffen. Die Abkürzung CNC steht für Computerized Numerical Control. Die entsprechenden Maschinen mit dieser Technik werden als CNC Maschinen bezeichnet. Diese Maschinen zeichnet aus, mittels Einsatzes von Steuerungstechnik in der Lage zu sein Werkstücke unterschiedlicher Art und Größe und auch in komplexe Formen herzustellen. Übermittelt werden die Daten für die Herstellung der Werkstücke aus einem CAD-Programm, mit dem die entsprechend zu erstellenden Bauteile in der Form einer Zeichnung erstellt werden. Auf Basis der Vorlagen aus dem CAD-Programm werden Faktoren wie
Geometrie der Werkzeuge, Drehzahlen und Vorschübe der CNC Maschine erstellt. Eine manuelle Eingabe der Steuerinformationen bzw. Vorgaben ist auch möglich. Allerdings sind nur wenige Maschinen für die sogenannte Teach-In-Methode geeignet.

Vorteile

CNC Maschinen haben jede Menge Vorteile gegenüber einer manuellen Bearbeitung.

• Sie erbringen hochpräzise Ergebnisse und verfügen über geringe Maß- und Formtoleranzen, was den höchsten Anforderungen entspricht.
• Die Herstellung von komplexen Werkstücken ist problemlos möglich.
• Auch Kleinserien lassen sich wirtschaftlich produzieren und das in kurzer Zeit. Die Herstellung von Produkten ist hierbei möglich, ohne dass Material verschwendet wird. Hierdurch ist eine effektive Kontrolle der Herstellungskosten möglich. Mit jeder CNC Maschine können dabei jeweils alle Werkstoffe bearbeitet werden. Es ist nur nötig das Werkzeug zu wechseln.
• Auch für große Stückzahlen in der Serienfertigung sind sie gut geeignet

3-dimensionales Arbeiten

Ein zentraler Schwerpunkt des Arbeitens mit einer CNC Maschine sind 3D-Arbeiten, man spricht hier auch vom 3D-Fräsen. Diese Fräsarbeiten beziehen sich meist auf das Fräsen von Metall, aber auch andere Materialien können bearbeitet werden. Der arbeitstechnische Schwerpunkt beim 3D-Fräsen liegt dabei auf dem Herausarbeiten von Strukturen aus dem Ausgangsmaterial. Das 3-dimensionale Arbeiten ist die Königsdisziplin beim Arbeiten mit der CNC Maschine. Dies beginnt mit einer 3D-Bearbeitung einer Seite und reicht bis zum 3D-Scannen mit einem 3D-Laserscanner sowie der 3D-Bearbeitung auf einer 4. Drehachse. In der Gesamtheit ergibt sich somit ein Muster bzw. ein Bild im Material.

• 3-Dimensionalität in Kunststoff: Fräsarbeiten in 3D-Optik lassen sich schnell und sauber in Kunststoffteilen realisieren. CNC Maschinen können Formen und Strukturen in POM, Plexiglas und PVC bringen. Vor allem POM-Kunststoff ist verschleißfest und lässt sich gut ohne Gratbildung zerspanen.
• 3-Dimensionalität in Marmor: Auch Marmor ist ein Werkstoff in den Formen und Muster eingebracht werden können. Anders als für die Bearbeitung von Kunststoff kommt für die Bearbeitung von Marmor ein spezielles VHM-Werkzeug zur Anwendung. Dieses Werkzeug verfügt über nur einer Schneide. Die Kühlung mit Wasser während des Herstellungsprozesses ist hier dringend erforderlich. Die Fräsbahnen können hier sehr präzise in einem sehr geringen Abstand eingestellt werden. Eine solch hochpräzises Arbeit ist von einem Steinmetz kaum zu realisieren.
• 3-Dimensionaltität in Schaum und Holz: Das 3D-Werkzeug kann auch aus Schaum oder Holz entsprechende Formen herausbringen. Es ist dabei egal, um welche Holzart es sich handelt oder um Weichschaum oder Hartschaum. Die Einsatzbereiche sind daher sehr vielseitig.

Aufwändige Programmierung, 3D-Modell

Wie komplex diese Maschinen sind, zeigt sich insbesondere daran, dass es einer aufwändigen Programmierung bedarf, um ein 3D-Modell in die Realität umzusetzen. Grundsätzlich ist es so, dass dank der vorherigen Programmierung – auf die ständige Betreuung der Fertigung durch Fachpersonal verzichtet werden kann. Daher wird im Rahmen der Serienfertigung, in der Regel nur noch sehr wenig Personal eingesetzt, die direkt an den Maschinen arbeiten. Während der Produktion erfolgt eine vollautomatische Qualitätskontrolle. Selbst die Überwachung von Verschleiß oder Bruch bei den Werkzeugen läuft vollautomatisch.
Wichtig bei der Programmierung, die hinter einem CNC-Auftrag steckt, ist eine umfangreiche Kenntnis der einzelnen Werkzeuge und des Materials.

CNC Maschine programmieren

Der Zeitaufwand für die Programmierung ist relativ hoch. Die Software hat sich jedoch stark verbessert und vereinfacht, dennoch ist die Programmierung immer noch nicht trivial. Es werden heute keine Programmierer mehr benötigt, die G-Codes eingeben. Das Herzstück der Programmierung ist das Computer-Aided Manufacturing System. Diese von der Maschine entkoppelte Anwendungssoftware macht die Programmierung ein Stück weit einfacher. Der Produktdesigner erstellt an seinem PC mithilfe des CAM-Systems ein Modell im CNC-Programm und überträgt dies an die Anlage. Somit ist es von der Idee für ein 3D-Modell bis zum fertigen Produkt nicht weit. Aber auch manuelle Eingaben oder ein spontanes Eingreifen sind möglich. Mit dem Computer-Aided Manufacturing System ist dies jedoch nicht nötig. Eine wesentliche Rolle beim Programmieren einer CNC Maschine kommt dem G-Code bzw. dem G-Code CNC-Programming zu, der noch aus dem Jahr 1960 stammt. Wer schon etwas länger mit der CNC-Programmierung zu tun hat, kennt den Code auch noch unter der Bezeichnung RS-274D. Heute verwendet nahezu jeder Hersteller einen eigenen Code für die Programmierung. Abhängig ist dies von den Fähigkeiten der Anlage und deren Einsatzbereich.

Verschiedene Werkzeuge

Als Werkzeuge werden Mess- und Spannwerkzeuge betrachtet. Zudem können Werkzeuge für die Maschine nach spezifischen Bedürfnissen für ein bestimmtes Teil angefertigt und in die Maschine eingespannt werden. Einteilen lassen sich die Werkzeuge anhand des Fertigungsverfahrens. Gemeinsam haben die Werkzeuge, dass sie an der Maschinenschnittstelle befestigt werden. Am Schaft des jeweiligen Werkzeugs sitzt dabei das Schneidteil, das die Geometrie der Form im Werkstück vorgibt.

• Werkzeuge zum Drehen: Ein Drehmeißels, bearbeitet ein in die Drehspindel der Maschine eingespanntes Werkstück von allen Seiten. Die Drehspindel wiederum dreht sich mit hoher Geschwindigkeit. Den Drehmeißel gibt es mit unterschiedlich geformter geometrischer Schneide, die die verschiedenen Muster bzw. Formen am Werkstück hervorbringt.
• Werkzeuge zum Bohren: Maschinen, mit denen Bohrvorgänge im Werkstück durchgeführt werden verfügen über eine je nach Art der Form bzw. Auswuchtung, die am bzw. im Werkstück erreicht werden soll, über eine verschiedentlich gestaltete geometrische Schneide. Diese Schneide wird an der programmierten Stelle des Werkstücks entsprechend tief ins Werkstück gefahren, wobei sich Kraft und Geschwindigkeit ändern.
• Werkzeuge zum Fräsen: Die Vielfalt an Fräsköpfen ist enorm. Die Fräskopfe werden auf die Werkzeug-Aufnahmevorrichtung gesetzt. Es gibt Einzel- und Doppeltrommel Fräsköpfe mit unterschiedlichen Profilierungen. Je nach Richtung des Fräsvorgangs bewegt sich die Schneide der Fräsköpfe in oder gegen die Vorschubrichtung und fräst am eingespannten Werkstück die entsprechenden Stellen weg.
• Werkzeuge zum Honen: Das Feinbearbeitungsverfahren – auch Honen genannt – wird mittels Werkzeugen realisiert, die zylindrisch geformt sind. Es handelt sich hier um eine Hornahle. Die Programmierung gibt dabei vor, wie weit die Feder-Konstruktion der Honahlen bzw. der Honleisten nach außen gedrückt und das Werkstück damit bearbeitet wird.
• Werkzeuge zum Entgraten: Um die durch Fräsen, Drehen etc. entstandenen Grate an einem Werkstück zu entfernen, kann ein Werkstück mit einem Entgratungs-Werkzeug bearbeitet werden. Die Werkzeuge ermöglichen eine sehr genaue CNC-Nachbearbeitung, auch von sehr komplexen Werkstücken, bei einer Bahngenauigkeit von bis zu 0,1 Millimetern.
• Werkzeuge zum Schleifen: In der CNC Maschine können Werkstücke auch sprichwörtlich den letzten Schliff erhalten. Die Werkzeuge arbeiten hochpräzise und sorgen für eine hohe Oberflächenqualität. Die Schleif-Werkzeuge ermöglichen Spitzenlosschleifen, das Zwischen-Spitzenschleifen und das Innenschleifen.

Bearbeitung von verschiedenen Materialien

Dank der Vielfalt an Werkzeugen, die jederzeit ausgetauscht werden können, sowie der Robustheit der Bauteile, kann man verschiedensten Werkstoffe bearbeiten. Hierzu gehören:

• Kunststoffe
• Vollkernplatten wie Acrylharz-, Kompaktschichtstoff-, Mineralwerkstoffplatten
• Holz und Holzwerkstoffe
• Steinplatten
• Metalle wie Aluminium

Kunststoffe können mit den CNC-Werkzeugen besonders präzise bearbeitet und zu hochkomplexen Teilen verarbeitet werden. Darüber hinaus können in Steinplatten zum Beispiel Gravuren eingebracht werden, oder Holzoberflächen in wahre Kunstobjekte verwandelt werden.

Einsatzbereiche

CNC Maschinen sind mit verschiedenen Werkzeugen bestückbar und haben bis zu 10.000 Umdrehungen pro Minute. Eingesetzt werden sie insbesondere für die Serienproduktion, wo sie wirtschaftliche Vorteile erbringen. Das CNC-Fräsen beschränkt sich zum Beispiel nicht auf die Bearbeitung von Werkstücken aus Metall. Auch in der Kunststoff- und Holzverarbeitung – egal in welcher Größe wird es benutzt. Die verwendbaren Werkzeuge zum Fräsen, Bohren, Entgraten, Schleifen und Honen sind sehr unterschiedlich gestaltet und teilweise individuell entwickelt. Es ist fast alles möglich zu produzieren, kleine und große Produkte – in großen und in kleinen Stückzahlen.

Arbeitsschutzmaßnahmen

Der Arbeitsschutz ist besonders wichtig, da es sich um sehr gefährliche Maschinen handelt. Sie sind in der Regel umzäunt, damit niemand zu nahe an die Maschinen herantreten kann. Das Innere einer CNC Maschine ist lebensgefährlich. Die Werkzeuge rotieren mit hoher Geschwindigkeit und Späne fliegen umher. Trittmatten vor den Maschinen sorgen für Arbeitssicherheit indem sie Maschinen beim Betreten abschalten. Den Fertigungsprozess in der Maschine kann man in der Regel durch ein Sicherheitsglas beobachten. Gefahr besteht beim Wechseln der Werkzeuge und dem Entfernen von Spänen.

Ausbildung für das Bedienen und Programmieren

Für die Programmierung sind sehr spezielle Software-Kenntnisse nötig. Zwar werden keine G-Codes mehr benötigt, aber die Programmierung der CAM-Software ist durchaus komplex. Auch ist es wichtig die Materialeigenschaften gut zu kennen. Für die Programmierung und Steuerung von CNC Maschinen gibt es Fortbildungskurse. Auch das Fachpersonal für Wartung und Einbau der Werkzeuge benötigt eine entsprechende Aus- oder Weiterbildung.

Fazit

Für die Produktion von dreidimensionalen Werkstücken sind CNC Maschinen unerlässlich. Nahezu alle harten Materialien können bearbeitet werden und das alles mit einer CNC Maschine. Die Produktionsfläche in den Maschinen muss lediglich der Größe des Werkstücks entsprechen, das für die Bearbeitung mit dem entsprechenden Werkzeug eingespannt wird. Die Herstellung sehr komplexer Produkte ist mit höchster Präzision möglich.