CNC-Fertigung

Lernziele

Nach dem Durcharbeiten des Kapitels kennen Sie

  • die Entwicklungsstufen der NC-Technik,
  • die Vor- und Nachteile der CNC-Technik in der modernen Industrieumgebung.

Historisches

In der spanabhebenden Fertigung sind überwiegend numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen im Einsatz. Die Entwicklung der NC-Technik (NC = numerical control = Steuerung durch Zahlen) begann um das Jahr 1950 in den USA. Seit dieser Zeit hat sich diese Technik stetig weiterentwickelt.

Hier ein kurzer zeitlicher Ablauf der Entwicklung von CNC-Maschinen:

  • 1950 ist erstmals die Rede von „elektronischen Werkzeugmaschinen“ in den USA. Problematisch war noch die Herstellung großer Werkstücke, die nicht mehr mithilfe von abtastbaren Modellen nachproduziert werden konnten.
  • 1960 gibt es in den USA ca. 3400 NC-Maschinen und in der BRD ca. 90. Heute besitzt ein mittelständisches Unternehmen ca. so viel CNC-Maschinen wie die ganze BRD vor 40 Jahren.

Früher waren die Steuerungen fest verdrahtet ausgeführt und mussten alle Informationen ständig von einem Datenträger (Lochstreifen) abgreifen. Heute stehen in den Werkstätten CNC-Maschinen. Diese CNC-Maschinen (CNC = computerized numerical control = rechnerunterstützte Steuerung durch Zahlen) fertigen die Bauteile vollautomatisch. Ihre Funktion übt diese Steuerung dadurch aus, dass sie intern Zahlen digital verarbeitet und die Stellglieder der Maschine ansteuert.

Trotz des Einsatzes von CNC-Technik wird immer noch der Begriff NC-Programm verwendet.

Ziele der CNC-Fertigung

Um die CNC-Technik mit ihrer raschen Entwicklung und dem hohen Investitions- aufwand auch vernünftig und effizient einsetzen zu können, muss man einige Dinge beachten. Daraus ergeben sich folgende Ziele an die CNC-Fertigung:

  • Gleichbleibende Fertigungsqualität
  • Kürzere Durchlaufzeiten durch Komplettbearbeitung
  • Kürzere Fertigungszeiten
  • Höhere Qualität
  • Weniger Kontrollaufwand
  • Hohe Flexibilität

Was muss alles zusammenspielen, damit die gesetzten Ziele erreicht werden können?

Das sind die Hauptkomponenten:

Abb. 1.1: Schema Hauptkomponenten der CNC-Fertigung

Nur wenn diese Hauptkomponenten optimal zusammenspielen, lassen sich folgende Vorteile aus der CNC-Fertigung realisieren.

Vorteile der CNC-Fertigung

Die Vorteile der CNC-Fertigung in der heutigen Zeit des immer härter werdenden Konkurrenzkampfes um Vormachtstellungen in den einzelnen Wirtschaftssegmenten lassen sich in wirtschaftliche Vorteile, die sich mit der Gesunderhaltung des Mitarbeiters beschäftigen, einteilen. Lassen Sie uns diese Bereiche genauer beleuchten.

Die CNC-Technik lässt es zu, Rüst- und Nebenzeiten zu minimieren, das heißt zum Beispiel, dass Informationsträger schnell auswechselbar sind bzw. Informationsübertragungen durch Menschen wegfallen, die möglicherweise fehlerhaft bzw. längere Zeit zur Datenübertragung in Anspruch nehmen als automatisierte Vorgänge. Dies führt auch zu kürzeren Durchlaufzeiten von Werkstücken, was eine enorme Kostenersparnis bewirkt.

Durch begleitende Tätigkeiten, die parallel zur Produktion stattfinden, wie zum Beispiel das Messen von Werkstücken während sich das andere Werkstück in Bearbeitung befindet (Werkerselbstprüfung), lässt sich der Nutzungsgrad der Maschine deutlich erhöhen. Der Nutzungsgrad lässt sich auch durch optimierte Arbeitsprozesse positiv beeinflussen. So werden zum Beispiel vorbereitende Tätigkeiten, wie das Vermessen von Werkzeugen, nicht mehr an den Maschinen direkt durchgeführt, sondern meist in dafür gesondert eingerichteten Werkzeugvoreinstellungen.

Ein immer größer werdender Einsparfaktor ist der Bereich der Lagerkosten. Auch hier können Einsparungen in größerem Maß erzielt werden. Da die CNC-Technik die Möglichkeit bietet, in verschiedenen Achsen bzw. Arbeitsebenen zu produzieren, können zum Beispiel teuere Vorrichtungen in Anschaffung und Lagerung teilweise reduziert bzw. ganz eingespart werden.

Durch einen höheren Automatisierungsgrad werden Tätigkeiten vereinfacht. Dies geschieht zum Beispiel durch automatisierte Zuführung von Halbzeugen durch sogenannte Handhabungssysteme, oder durch automatische Paletten und Werkzeugwechsel. Der Mensch wird dadurch körperlich und somit auch gesundheitlich entlastet.

Durch die vielseitigeren Bearbeitungsmöglichkeiten an CNC-Maschinen, können in den meisten Fällen standardisierte Werkzeuge eingesetzt werden, was ein enormes Einsparpotenzial bedeutet und somit zur Einsparung von Werkzeugkosten gegenüber konventionellen Maschinen führt. So müssen keine Sonderwerkzeuge, die meist teuer in der Anschaffung sind, beschafft werden. Auch kann, durch optimale Anpassung der Technologiewerte wie Vorschub und Drehzahl, die Standzeit der Werkzeuge effizienter genutzt werden.

Durch die besonderen Konstruktionsmerkmale einer CNC-Maschine können auch deutlich höhere Schnittgeschwindigkeiten bzw. Vorschübe angewendet werden. Es können auch höhere Schnitttiefen als bei konventionellen Maschinen gefahren werden. Dies führt unmittelbar zu einer Optimierung der Hauptnutzungszeit.

CNC-Maschinen bieten eine hohe Wiederholgenauigkeit. Dadurch wird auch weniger Ausschuss produziert. Dies schlägt sich positiv in den Prüfkosten nieder, da die Prüfaufwände minimiert werden können. Außerdem findet hier eine deutliche Verbesserung der Qualität statt.

Kostenersparnisse können auch durch Komplettbearbeitung realisiert werden. Das heißt, dass auch auf Drehmaschinen Fräsbearbeitungen und außermittige Bohrbearbeitungen durchgeführt werden können. Dadurch entfallen in der Regel weitere Arbeitsgänge, teuere Aufspannvorrichtungen oder sogar zusätzliche Maschinen. Auch nimmt die Programmvielfalt ab.

Arbeitsabläufe können flexibler gestaltet werden, da Konstruktions- bzw. Programmänderungen direkt auf die CNC-Maschine angepasst werden können. Der weitere Fertigungsablauf wird nicht beeinflusst.

Sie sehen, dass die CNC-Technik viele Möglichkeiten an Einsparung und Flexibilität bietet. An dieser Stelle werden wir aber auch die Nachteile der CNC-Technik beleuchten, denn nur so ist gewährleistet, dass diese Technik auch optimal eingesetzt wird.

Nachteile der CNC-Fertigung

Durch das hohe Investitionsvolumen in die meist sehr teueren CNC-Maschinen bzw. Bearbeitungszentren entsteht eine sehr hohe Kapitalbindung, was einen wesentlich höheren Maschinenstundensatz als bei konventionellen Maschinen mit sich bringt. Dadurch sind diese komplexen Anlagen meist im 2-3-Schichtbetrieb eingesetzt.

Durch die komplexe Technik an diesen Anlagen werden an das betriebliche Wartungspersonal natürlich auch höhere Anforderungen gestellt, was kostenintensivere Qualifizierungsmaßnahmen für dieses Personal bedeutet. Auch müssen diese Anlagen evtl. intensiver gewartet werden, was eine umfangreichere Organisation, wie zum Beispiel komplexere Wartungspläne und Intervalle, bedeutet.

Sie stellen fest, dass diese fortschrittliche Technik auch Nachteile aufweist, die wir nicht vernachlässigen dürfen. Deshalb ist besonders wichtig, dass vor jeder Entscheidung für die Beschaffung oder Nichtbeschaffung einer CNC-Maschine eine sorgfältige Kostenrechnung durchgeführt werden muss, um den wirtschaftlich sinnvollen Einsatz dieser komplexen Technik zu garantieren.

Spannend für Sie wäre es jetzt natürlich, gleich ein erstes NC-Programm zu schreiben. Doch das ist noch etwas zu früh. Durch ein gewisses Grundlagen-Know-how müssen Sie sich zuvor schon noch durchbeißen.

In den weiteren Kapiteln werden wir den generellen Aufbau einer CNC-Maschine erläutern, damit das Verständnis für das Zusammenspiel von Mensch, Maschine und Steuerung geschärft wird und diese Zusammenhänge klar werden.

Weiterhin ist bei der maschinellen Fertigung oft von Positionen die Rede. Räumliche Positionen werden in einem Koordinatensystem festgelegt. Mit den Maschinen-Koordinatensystemen müssen Sie sich also bestens auskennen, wenn der Drehmeißel bzw. der Fräser nicht ins Spannfutter laufen soll.

Auch die Programmierung wartet mit Fachwörtern auf. Was zum Beispiel ist der Unterschied zwischen NC und CNC bzw. DNC oder was ist ein Programmiercode? Darüber werden Sie jetzt mehr erfahren.