Computer Numerical Control (CNC)

Was ist Computer Numerical Control (CNC)?

Computer Numerical Control (CNC), auf Deutsch computergestützte numerische Steuerung, ist eine Fertigungsmethode, die die Steuerung, Bewegung und Präzision von Werkzeugmaschinen durch den Einsatz vorprogrammierter Computersoftware automatisiert.

CNC wird in der Fertigung häufig für die Bearbeitung von Metall- und Kunststoffteilen eingesetzt. Fräsen, Drehbänke, Oberfräsen, Bohrer, Schleifmaschinen, Wasserstrahler und Laser sind gängige Schneidwerkzeuge, deren Arbeitsabläufe ebenfalls mit CNC automatisiert werden können. CNC kann auch zur Steuerung von nicht maschinellen Werkzeugen wie Schweiß-, Elektronikmontage- und Filamentwickelmaschinen eingesetzt werden.

Wie die computergestützte numerische Steuerung funktioniert

Bei CNC erhält jedes herzustellende Objekt ein maßgeschneidertes Computerprogramm, das in der Regel in einer internationalen Standardsprache namens G-Code geschrieben ist und in der Maschinensteuereinheit (Machine Control Unit, MCU), einem an die Maschine angeschlossenen Mikrocomputer, gespeichert und von dieser ausgeführt wird. Die M-Code-Sprache wird auch in Verbindung mit G-Code in CNC-Operationen verwendet.

Während der G-Code die Bewegung und Funktionsweise der Maschine steuert, steuert der M-Code die externen Bewegungen des Vorgangs. Das Programm enthält auch die Anweisungen und Parameter, denen die Werkzeugmaschine folgt, wie zum Beispiel die Vorschubgeschwindigkeit der Materialien und die Positionierung und Geschwindigkeit der Werkzeugkomponenten.

Zu Beginn des Prozesses erstellen Ingenieure eine CAD-Zeichnung (Computer Aided Design) des herzustellenden Teils und übersetzen diese Zeichnung dann in G-Code. Das Programm wird auf die MCU geladen und ein Maschinenbediener führt einen Testlauf ohne Rohmaterial durch, um die richtige Positionierung und Leistung sicherzustellen. Dieser Schritt ist wichtig, da eine falsche Geschwindigkeit oder Positionierung sowohl die Maschine als auch das Teil beschädigen kann.

Wenn alles bereit ist, führt die CNC-Maschine ihr Programm aus und erledigt die Aufträge wie angewiesen mit höchster Präzision. Die Aufträge können alles Mögliche umfassen, von der Erstellung eines neuen Produkts bis hin zum Schneiden eines Werkstücks oder dem Drucken von etwas.

Warum ist die computergestützte numerische Steuerung wichtig?

Die numerische Steuerung ermöglicht es Maschinen, Gegenstände schneller und mit besserer Oberflächenbeschaffenheit herzustellen, ohne dass eine manuelle Bearbeitung oder ein umfangreicher menschlicher Eingriff erforderlich ist.

Im Folgenden sind einige Vorteile von CNC-Systemen aufgeführt:

• Kostensenkung. CNC-Maschinen sind kosteneffizient und senken die Produktionskosten durch Präzisionsfertigung. Der Energieverbrauch wird durch eine höhere Produktionseffizienz, Skalierbarkeit und weniger Materialverschwendung gesenkt, was auch die Betriebskosten senkt. Das Gewicht potenzieller finanzieller Verpflichtungen im Zusammenhang mit der Arbeitssicherheit wird ebenfalls verringert, was zur Kostensenkung beiträgt.
• Abfallreduzierung. Die Software, die für den Betrieb verschiedener Arten von CNC-Maschinen verwendet wird, führt aufgrund von Simulationen und wiederholten Optimierungen zu wenig bis gar keinem Abfall während des Herstellungsprozesses.
• Verbesserte Arbeitssicherheit. CNC-Maschinen minimieren das Unfallrisiko und garantieren die Sicherheit der Mitarbeiter, da weniger menschliche Interaktion erforderlich ist. Die meisten modernen CNC-Maschinen sind autark und können von Menschen aus der Ferne für Software-Upgrades, Designänderungen oder andere vorbeugende Wartungsarbeiten bedient werden.
• Reduzierung menschlicher Fehler. Da menschliche Fehler im Fertigungsprozess mit CNC eliminiert werden, bietet es eine höhere Präzision, Geschwindigkeit, Flexibilität und bessere Wiederholbarkeit. Dies führt zu weniger Fehlern in den hergestellten Produkten.
• Konturbearbeitung. CNC bietet Funktionen wie die Konturbearbeitung, die das Fräsen von konturierten Formen ermöglicht, einschließlich solcher, die im 3D-Druck und in Designs hergestellt werden.
• Schnellere MCU-Programmierung. Einige CNC-Systeme sind mit CAD-Software und computergestützter Fertigungssoftware integriert, was den Programmierprozess der MCU beschleunigen kann.
• Verbesserte operative Intelligenz. Die Integration in Software für Enterprise Resource Planning (ERP) und verwandte Anwendungen, wie zum Beispiel Software für Enterprise Asset Management (EAM), kann operative und geschäftliche Intelligenzprozesse erleichtern und dazu beitragen, die Leistung und Wartung von Anlagen zu verbessern.
• Keine Engpässe. Durch den höheren Automatisierungsgrad reduzieren CNC-Systeme Produktions- und Fertigungsengpässe und verbessern das Ergebnis.

Neben den Vorteilen, die CNC-Maschinen bieten, sind sie allerdings in der Regel teurer, wartungsintensiver als andere Produktionsmethoden und zwingen Unternehmen dazu, einen qualifizierten CNC-Programmierer einzustellen.

Anwendungen der numerischen Steuerung

CNC spielt eine wesentliche Rolle in kritischen Branchen und Sektoren wie Medizin, Luft- und Raumfahrt, Militär und Verteidigung. Da der Ausfall eines Bauteils Leben gefährden kann, verlangen Unternehmen in diesen Branchen höchste Präzision bei ihren Teilen, die CNC-Maschinen bieten können.

Im Folgenden werden einige Branchen genannt, in denen CNC-Maschinen zum Einsatz kommen.

Luft- und Raumfahrt

Die für die Herstellung jedes einzelnen Bauteils eines Flugzeugs erforderliche Genauigkeit wird durch CNC erhöht. Dies umfasst alles von der Außenhülle bis zu den inneren Teilen. Bei der Herstellung von CNC-bearbeiteten Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt müssen höchste Präzisions- und Genauigkeitsniveaus eingehalten werden, da diese oft einsatzkritisch sind. Außerdem gibt es häufig strenge Anforderungen an Ebenheit, Rundheit und Zylindrizität, die nur mit computergestützter Bearbeitung erfüllt werden können, und Toleranzen von nur 0,00004 cm sind nicht ungewöhnlich.

Aluminium, Edelstahl, Messing, Nickel, Bronze, Keramik, Kunststoffe, Magnesium, Titan und Hochleistungslegierungen wie Inconel und Kovar sind einige der Materialien, die in der Luft- und Raumfahrt für die CNC-Bearbeitung verwendet werden können.

Einige Beispiele für CNC-bearbeitete Komponenten sind:

• Fahrwerkskomponenten
• Titanverkleidungen
• Tragflächen
• Buchsen
• Statorbaugruppen
• Verteiler
• Magnesiumgetriebegehäuse
• Elektrische Steckverbinder

Medizinische Geräte

Um den Bedürfnissen der Patienten gerecht zu werden, ist die Medizinbranche in erster Linie auf spezialisierte, präzise und hochwertige Produkte angewiesen, die mit CNC-Maschinen hergestellt werden. Während der COVID-19-Pandemie, als der Bedarf an medizinischen Produkten wie Masken und Atemschutzmasken stieg, nahm diese Abhängigkeit von CNC-Maschinen zu. Medizinische Einweggeräte werden auch häufig verwendet, um zu verhindern, dass Menschen während der medizinischen Versorgung an Infektionskrankheiten erkranken. Aus diesem Grund ist es für den medizinischen Sektor noch wichtiger, CNC einzusetzen, um die Produktion von Medizinprodukten zu steigern und zu beschleunigen.

Typische Beispiele für Produkte, die mit CNC-Maschinen hergestellt werden, sind:

• Magnetresonanztomographen
• Implantate
• Orthesen
• elektronische Gehäuse für Überwachungsgeräte
• Forschungsausrüstung
• abgeschirmte Gehäuse
• Teile aus Hochtemperaturkunststoffen
• medizinische Instrumente
• maßgeschneiderte sterile Verpackungen

Automobilindustrie

Einer der wichtigsten Märkte für die CNC-Bearbeitung ist die Automobilindustrie. Jeder Schritt der Automobilherstellung, von der Prototypenentwicklung in der Forschung und Entwicklung bis hin zur Produktion großer Stückzahlen, profitiert von der CNC-Bearbeitung.

Außerdem wird eine Vielzahl von Komponenten, darunter massive Motorblöcke und kleine Zahnräder und Verkleidungen, mit CNC-Fräsmaschinen und Drehbänken hergestellt. Allein für einen Verbrennungsmotor werden mehrere CNC-Maschinen benötigt. Diese können zur Umwandlung massiver Metallblöcke in Motorkörperverkleidungen und zur Herstellung der Zylinder, Kolben und anderer Komponenten verwendet werden, die in die Zylinderbaugruppe im Motorblock einfließen.

Einige der durch CNC-Bearbeitung hergestellten Komponenten sind:

• Getriebe
• Motorteile
• Achsen
• Ventile
• Armaturenbrettverkleidungen
• Zylinderblöcke

Elektronikbranche

CNC-Bearbeitung ist aufgrund ihrer Genauigkeit und Anpassungsfähigkeit eine nützliche Fertigungsmethode für den Elektroniksektor. Sowohl leitende als auch nicht leitende Metalle sowie eine Vielzahl von Polymeren können von CNC-Maschinen verarbeitet werden. Mit der CNC-Technologie entfällt die Notwendigkeit einer Vorproduktionsphase für die Werkzeugbereitstellung, was die Produktion von elektronischen Komponenten beschleunigt. Designs können außerdem mit minimaler Aufsicht leicht geändert und wiederholt werden. Apple verfügt Berichten zufolge über 10.000 CNC-Maschinen und stellt in großem Umfang CNC-gefertigte MacBooks her.

Einige Beispiele für Artikel, die mit CNC-Maschinen hergestellt werden, sind:

• Unterhaltungselektronik
• Halbleiter
• Kühlkörper
• Leiterplatten
• elektrische Isolierung
• Verstärkergehäuse
• Abschirmungen gegen Hochfrequenzstörungen

Öl und Gas

Große Maschinen, die in Bohrinseln und Raffinerien eingesetzt werden, werden mit CNC-Maschinen entworfen, um eine einwandfreie Passform zu gewährleisten. Eine nicht perfekte Passform kann dazu führen, dass Zylinder nicht befüllt werden, Kolben nicht den richtigen Druck ausüben und Ventile undicht sind. Um sicherzustellen, dass die Teile genau wie erforderlich passen, verwenden petrochemische Unternehmen daher Teile, die mit CNC-Maschinen bearbeitet wurden.

Einige Beispiele für Teile, die mit CNC-Maschinen hergestellt werden, sind:

• Bohrer
• Bohrstangen
• Kolben
• Ventile
• Hydraulikkomponenten
• Ventilsysteme

Schifffahrt

Da hochpräzise Teile erforderlich sind, um Schiffe am Laufen und über Wasser zu halten, verlässt sich die Schifffahrtsindustrie stark auf CNC-Maschinen. Wasserfahrzeuge erfordern eine Vielzahl von Geräten, darunter Unterwassersensoren und Kommunikationsgeräte. Daher muss die Schifffahrtsindustrie bei der Herstellung von Booten und anderer Schiffsausrüstung auf CNC-Präzision setzen.

Einige gängige Teile, die mit CNC-Maschinen hergestellt werden, sind:

• Propeller
• Isoliergehäuse
• Komponenten für den Motor
• Prototypformen
• Rippen
• Stinger

Geschichte der computergestützten numerischen Steuerung

In den letzten Jahrzehnten hat sich die CNC-Technologie von lochstreifengesteuerten Geräten zu Maschinen entwickelt, die CNC-Programmierdaten akzeptieren und 3D-Maschinenteile mit extremer Präzision herstellen.

Die Ursprünge der CNC-Maschinen lassen sich bis zu John Parsons zurückverfolgen. Ihm wird die Entwicklung der ersten numerisch gesteuerten Maschine im Jahr 1949 zugeschrieben, die so konzipiert war, dass sie direkt von einem Satz Lochkarten gesteuert wurde, die der Maschine mitteilten, wohin sie sich bewegen sollte. Die Cincinnati Milacron Hydrotel, die erste kommerziell erhältliche CNC-Maschine, wurde später im Jahr 1952 von einem Forscherteam des Massachusetts Institute of Technology eingeführt. CNC-Maschinen wurden erstmals 1958 patentiert.