CNC-Maschinen, manchmal genauer als "numerisch gesteuerte Bearbeitungsmaschinen" bezeichnet, sind die Maschinen, die die moderne industrielle Produktion zu dem machen, was sie heute ist.
Hohe Verfügbarkeit, die einfache Herstellung großer Mengen von Gegenständen mit minimalen Toleranzen oder nicht zuletzt die relativ niedrigen Stückkosten für die Herstellung eines Teils: Dies sind nur einige der wirklichen Vorteile, die viele Branchen heute dank CNC-Maschinen genießen.
Obwohl sie auf den ersten Blick genauso funktionieren wie herkömmliche Bearbeitungszentren (Formgebung von Teilen durch Abtragen von überschüssigem Material), unterscheiden sie sich von diesen durch ihre numerische Steuerung. Sie ermöglicht die schnelle Herstellung von Teilen mit identischen Parametern, beschleunigt den Fertigungsprozess und reduziert die Kosten des Endprodukts.
Was sind CNC-Maschinen und wie funktionieren sie?
CNC-Bearbeitungsmaschinen sind - vereinfacht gesagt - Maschinen (z. B. für die spanende Bearbeitung), deren Arbeit von einer programmierten Steuerung (z. B. einem Computer) gesteuert wird. Sie geben Anweisungen für die aufeinanderfolgenden Stellmotoren und Motoren, die die Arbeit auf der Grundlage eines zuvor eingegebenen Programms in der richtigen Reihenfolge und mit den richtigen Parametern steuern.
Sie unterscheiden sich von herkömmlichen Bearbeitungsmaschinen durch das Vorhandensein eines Steuerungssystems, das die Arbeit übernimmt, die zuvor ein Mensch hätte erledigen müssen (z. B. das Ansetzen eines Drehmessers oder die Steuerung des Betriebs einer Fräsmaschine).
Zu den Vorteilen von CNC-Maschinen gehören:
- Optimierung der Arbeitszeiten,
- verbesserte Wiederholbarkeit der gefertigten Teile,
- höhere Bearbeitungsgenauigkeit und geringere Toleranzen (bis zu 0,02 mm),
- Beschleunigung des Fertigungsprozesses bei großen Stückzahlen,
- Senkung der Kosten pro gefertigtes Teil - bei der klassischen Bearbeitung kann der Bediener eine bestimmte Anzahl von Teilen in einer Arbeitsstunde herstellen. CNC Bearbeitungsmaschinen erfordern zwar mehr Zeit für die Vorbereitung des Teils, aber wenn sie aktiviert sind, werden die Teile viel schneller hergestellt.
Die Nachteile sind sicherlich die Kosten für die Ausrüstung (CNC-Maschinen sind viel teurer als automatische Maschinen), die längere Anlaufzeit des Bearbeitungsprozesses und die höheren Anforderungen an die Bediener.
Daher sind CNC-Maschinen am besten für die Herstellung großer Serien von Teilen geeignet, wo sie am effizientesten sind; für die Herstellung kleiner Serien sind konventionelle Werkzeugmaschinen immer noch besser geeignet.
Die Abkürzung CNC leitet sich vom englischen Begriff computerised numerical control ab, der mit "computerisierte numerische Steuerung von Maschinen" übersetzt werden kann.
Die Technologie der (computerisierten) numerischen Steuerung wurde seit den 1950er Jahren entwickelt. Sie hat ihren Ursprung in einer Zusammenarbeit zwischen der US-Luftwaffe und einer hoch angesehenen technischen Universität: MIT (Massachusetts Institute of Technology).
Diese Technologie wurde zunächst hauptsächlich zur Herstellung von Teilen für die damals neuen Strahlflugzeuge eingesetzt (deren Triebwerke präzise gefertigte und ausgewuchtete Teile erforderten), drang aber im Laufe der Zeit auch in andere Bereiche der Industrie vor.
Aufgrund der damaligen technischen Möglichkeiten wurde die CNC-Bearbeitung zunächst für Metall (vor allem Stahl und Aluminium) eingesetzt, mit der Zeit aber auch für die Bearbeitung von Kunststoffen und anderen Materialien (z. B. Holz).
Die ersten CNC-Maschinen - Dreh- oder Fräsmaschinen - setzten Befehle um, die über Lochkarten (die Informationen über die nächsten Arbeitsschritte enthielten) eingegeben wurden.
Mit der Entwicklung der Technik und dem Aufkommen von Mikrocomputern (1970er Jahre) wurde die Programmierung von Bearbeitungsmaschinen einfacher und ermöglichte es gleichzeitig, komplexere Teile in einem einzigen Prozess herzustellen.
Die Programmierung von CNC-Bearbeitungsmaschinen sieht - natürlich in aller Kürze - folgendermaßen aus:
- Der Entwurf des herzustellenden Objekts wird mit Hilfe einer CAD-Software (Computer Assisted Design) erstellt, die die zu bearbeitenden Formen definiert und ihre Positionierung im Raum ermöglicht,
- Das endgültige Bearbeitungsprojekt wird in der Maschinensteuerung (CAM) vorbereitet, die die aufeinanderfolgenden Bewegungen der Bearbeitungswerkzeuge (z. B. Übergänge des Fräsers entlang der Oberfläche) sowie die Bearbeitungsparameter (z. B. Schnittgeschwindigkeit und -tiefe) festlegt, angepasst an das Material, die spezifische Bearbeitungsphase und die erwarteten Ergebnisse. In dieser Phase wird der Entwurf aus der CAD-Software in eine für die Werkzeugmaschinensteuerung verständliche Sprache (G-Code / RS-274) "übersetzt",
- Der CNC-Bediener gibt diese Informationen in die Steuerung der Werkzeugmaschine ein und startet die Maschine, wenn der gesamte Bearbeitungsprozess bereit ist (z. B. wenn das Werkstückmaterial montiert und die Spindel mit dem Fräser entsprechend eingestellt ist).
Der eigentliche Start der Bearbeitung mit CNC-Maschinen erfordert eine Menge Vorbereitung. Nicht zuletzt aus diesem Grund eignet sich diese Technologie am besten für die Serienfertigung - in der Regel von großen Mengen von Teilen.
Die Herstellung auf einer CNC-Werkzeugmaschine ist billiger als die Verwendung automatisierter Anlagen (z. B. Drehbänke), setzt aber voraus, dass der Bediener über Kenntnisse in der Zerspanung und Metallurgie sowie in der Programmierung und CAD-Software verfügt.
Wichtiger ist, dass die Steuerungen, die für den Betrieb von CNC-Maschinen verwendet werden, beides ermöglichen:
- Sektionale Steuerung, bei der eine vollständige Bearbeitung durchgeführt werden kann (z. B. beim 5-Achsen-Fräsen, bei dem die gesamte Bearbeitung in einer Maschine erfolgt), die auch räumliche Objekte umfasst,
- Sektionssteuerung - wird häufig für die Herstellung von Werkstücken in Längsrichtung verwendet, was eine genau definierte Arbeitsgeschwindigkeit und eine Bewegung entlang einer bestimmten (meist geraden) Bahn erfordert,
- Punktsteuerung - wird für aufeinanderfolgende Bearbeitungsschritte auf verschiedenen Bearbeitungsstationen von CNC-Werkzeugmaschinen verwendet (z. B. Bohren oder Fräsen von Löchern)
Mit jeder dieser Steuerungsmethoden lassen sich unterschiedliche Ergebnisse erzielen, und ihre Auswahl hängt von der Entscheidung des Bedieners der CNC-Maschine ab.
Typen von numerisch gesteuerten Bearbeitungsmaschinen
Die CNC-Bearbeitung wird am häufigsten mit numerisch gesteuerten Drehmaschinen in Verbindung gebracht. Daneben gibt es viele andere Maschinentypen (sowohl spanabhebende Maschinen als auch solche, die auf anderen Bearbeitungstechnologien basieren), die den Zusatz "CNC" tragen können.
Zu den am häufigsten verwendeten numerisch gesteuerten Bearbeitungsmaschinen gehören:
- CNC-Fräsmaschinen (sowohl zwei- als auch mehrachsig), die bereits erwähnt wurden und für viele außerhalb der Fertigungsindustrie ein Synonym für “Bearbeitungsmaschinen CNC” sind,
- CNC-Drehmaschinen,
- CNC-Schleifmaschinen,
- verschiedene Arten von Bearbeitungszentren (2-, 3-, 4- oder 5-Achsen),
- Plottern, Lasern, Schneidemaschinen oder Wasserstrahlschneiden.
Praktisch kann jeder Bearbeitungsautomat ein numerisch gesteuertes Gegenstück haben. Aufgrund der umfangreichen Bearbeitungs- und Steuerungsmöglichkeiten sind moderne CNC-Maschinen in jedem Unternehmen, das Teile für viele Branchen herstellt, praktisch zu finden.
CNC-Fräsmaschinen
Wie herkömmliche Fräsmaschinen (sowohl manuell als auch stationär) werden sie für die spanabhebende Bearbeitung eingesetzt, und ihr Funktionsprinzip ist beinahe identisch - nur die Steuerung ist anders.
Die eigentliche Bearbeitung erfolgt mit einem Fräser, der auf einer Hochgeschwindigkeitsspindel montiert ist - das Fräsblatt, das sich entlang der Oberfläche des Werkstücks bewegt, trägt überschüssiges Material ab und gibt ihm die gewünschte Form. Bei CNC-Fräsmaschinen wird diese Bearbeitung von einer entsprechend programmierten Steuerung gesteuert, die die aufeinanderfolgenden Bewegungen der Spindel unter Einhaltung der vorgegebenen technologischen Parameter ausführt.
CNC-Fräsmaschinen ermöglichen sowohl die Herstellung flacher (zweidimensionaler) Teile als auch die räumliche Bearbeitung (z. B. 5-Achsen- oder 3+2-Fräsmaschinen).
CNC-Drehmaschinen
CNC-Drehmaschinen ermöglichen die schnelle und präzise Herstellung großer Mengen von Teilen mit zylindrischer Form (z. B. Ringe, Stifte oder Lagerkugeln).
Dabei werden Parameter wie Durchgänge des Drehmessers, Schnitttiefe oder Drehzahl des Drehkopfes nicht manuell, sondern numerisch gesteuert. Dadurch sind schnellere Fertigungsprozesse möglich, insbesondere in Verbindung mit automatischen Vorschüben.
CNC-Schleifmaschinen
Während die CNC-Dreh- und Fräsmaschinen bei der Herstellung von Teilen sehr effizient sind, können CNC-Schleifmaschinen diese schnell und präzise nachbearbeiten.
Sie sind durch eine sehr geringe Schnitttiefe gekennzeichnet, weshalb diese Maschinen zum Glätten und Polieren der Oberflächen von bereits bearbeiteten Teilen (z. B. auf anderen CNC-Maschinen) eingesetzt werden. Es sollte hinzugefügt werden, dass die Arbeit dieser CNC-Maschinen als abrasive Bearbeitung eingestuft wird.
Andere numerisch gesteuerte Bearbeitungsmaschinen
Wie schon erwähnt, ist die Einführung der Computersteuerung für viele Maschinen möglich, die für die Bearbeitung eingesetzt werden. Verschiedene Typen von Plottern, Wasserstrahlmaschinen, Bearbeitungszentren oder auch Gravierlaser verwenden ebenfalls eine CNC-Steuerung. Dadurch wird es möglich, hochpräzise Arbeiten durchzuführen und die für die Herstellung einer einzelnen Arbeitseinheit (z. B. eines Teils oder einer Gravur) erforderliche Zeit zu verkürzen.
Auch die numerische Steuerungstechnik selbst wird zunehmend verfügbar - solche CNC-Maschinen für den Hausgebrauch eignen sich gut für das Prototyping oder die Hobbybearbeitung (z. B. für die Herstellung kleiner Teile). Obwohl sie auf den ersten Blick Ähnlichkeiten mit CNC-Werkzeugmaschinen für die Industrie aufweisen, eignen sie sich aufgrund der Größe ihres Arbeitsbereichs oder der Stärke ihrer Komponenten nur für die Herstellung sehr kleiner Stückzahlen.
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