Mit der CNC Maschine (CNC = Computerized Numerical Control) ist es möglich, komplexe Werkstücke in gleichbleibend hoher Qualität und sehr großen Stückzahlen zu fertigen.
Deshalb sind in der industriellen Fertigung inzwischen mechanisch gesteuerte Maschinen fast vollständig durch computergesteuerte NC Maschinen abgelöst.
Im Detail läuft bei CNC Maschinen die Steuerung der Maschine automatisiert über ein Softwareprogramm am Rechner ab.
Die manuelle Programmierung entfällt durch die moderne CAM Technik fast vollständig. Die Verwendung von CAM Software ermöglicht die automatisierte Umwandlung von 3D-CAD Daten in ein CNC Programm (vgl. DIN66025). In das Programm müssen nur noch Maschinenparameter und Werkzeugdaten eingegeben werden.
Typen von CNC Maschinen im Überblick
Alle bekannten herkömmlichen Werkzeugmaschinen im Maschinenbau sind als CNC Maschinen vorstellbar.
Anbei eine Auswahl an typischen Ausführungsformen von CNC Werkzeugmaschinen:
- Bearbeitungszentrum (BAZ)
- Fräsmaschine, s. auch Was ist CNC Fräsen? / Fräsmaschinen Bausätze im Überblick
- Drehmaschine, s. auch 10 Tipps zum Drehen mit der Drehmaschine
- Schleifmaschine, s. auch spanende Fertigungsverfahren
- Laserschneidanlage, s. auch CNC Laserstrahlschneiden
- Wasserstrahlschneidanlage
- Graviermaschine, s. auch Informationen zur Graviermaschine
- Bohrmaschine
- Bandsäge
- Tafelschere
- Erodiermaschine
- Maschine zur Blechbearbeitung
- Drahtwickelmaschine
- Drahtfeder Windemaschine
- 3D Drucker, s. auch Blogartikel – 3D Drucker Bausätze
CNC Maschinen können nahezu selbständig ohne Eingriff des Personals arbeiten. Deshalb überwachen in der industriellen Serienfertigung Maschinenbediener mehrere Maschinen gleichzeitig. Einmessvorgänge, Werkzeugwechsel und Qualitätssicherungsmaßnahmen erfolgen automatisch durch die Maschine. Dem Bediener kommen jetzt überwachende und störungsbehebende Aufgaben zu.
Die Technik einer CNC Maschine
Maschinenbett und Gestell
Da an CNC Maschinen meist hohe Anforderungen bezüglich Genauigkeit und Reproduzierbarkeit gestellt werden sind das Gestell und das Maschinenbett sehr steif ausgeführt. Dies wird sowohl durch optimale konstruktive Gestaltung als auch durch die richtige Materialauswahl (Stahlguss oder Mineralguss) erreicht.
Der mechanische Aufbau muss möglichst steif und schwingungsarm konstruiert sein.
Linearführungen und Antriebsachsen
Typischerweise hat die CNC Maschine 3 bis 5 Achsen.
Am Beispiel einer CNC Fräsmaschine ermöglichen die ersten 3 Achsen die Bewegung des Werkstücks in den 3 Raumrichtungen (X, Y und Z).
Eine Achse besteht dabei jeweils aus mindestens einer hochgenauen CNC Linearführung und einem Linearantrieb. Der CNC Linearantrieb wird üblicherweise in Form eines Kugelgewindetriebs oder Trapezgewindetriebs ausgeführt. Die Mechanik der Linearachsen wird häufig durch hochdynamische Servomotoren oder Schrittmotoren angetrieben.
Die 4. Achse ist in der Regel ein Drehtisch oder Drehteller, auf welchem das Werkstück zusätzlich rotieren kann. Die 5. Achse ermöglicht das Schwenken des Fräskopfs gegenüber der Vertikalen.
Für optimale Positioniergenauigkeiten werden große Anstrengungen betrieben die Linearantriebe spielfrei zu gestalten.
Steuerung der CNC Maschine
Industriemaschinen sind mit einer SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) ausgestattet. Sie ist die Schnittstelle zwischen CNC Steuerung und Anlage. In der SPS werden alle sicherheitsrelevanten Fail Safe Routinen durchgeführt. Sie stellt z.B. sicher, dass die Bearbeitungsspindel bei einer Kollision automatisch stoppt. Auch das Öffnen der Sicherheitstür führt zum Abschalten des rotierenden Werkzeugs.
Die SPS wird einmalig beim Hersteller programmiert und danach nicht mehr verändert. Dadurch ist sichergestellt, dass der Bediener keine Möglichkeit hat – bewusst oder unbewusst – in die Sicherheitsfunktionen der Maschine einzugreifen.
Bei der Achssteuerung der Maschine unterscheidet man zwischen Bahnsteuerung, Streckensteuerung und Punktsteuerung. Der Industriestandard ist die Bahnsteuerung, bei der das Werkzeug eine fest definierte Bahn im Raum abfährt. Dadurch ist die Bearbeitungskontur zwischen den Stützpunkten exakt definiert.
Vorteile von CNC Maschinen
Durch den automatischen Ablauf der Steuerung und der gleichzeitigen Überwachung der Qualität können Großserienteile in nahezu konstant gleichbleibender Qualität produziert werden.
Die Geometrie der Teile kann wesentlich komplexer sein, da die Berechnung der Werkzeugbahnen automatisch und in kürzester Zeit über das CAM Programm am PC abläuft. Aufwändige 3D Konturen könnte ein Mensch mit manueller Handbedienung (Kurbeln) in der geforderten Genauigkeit nicht herstellen.
Durch den Rechnereinsatz kann außerdem die Bedienersicherheit wesentlich erhöht werden, da z.B. das Öffnen von Schutztüren, das Fehlen von Kühlschmiermittel oder ein Werkzeugverschleiß durch die Steuerung erkannt werden.
Wo kann man CNC Maschinen gebraucht kaufen?
Durch den Kauf von gut gewarteten Gebrauchtmaschinen können Investitionskosten in Anlagen deutlich reduziert werden. Anbei mögliche Quellen:
- http://www.gebrauchtmaschinen.de/
- http://www.cnc-arena.com/de/gebrauchtmaschinen/
- http://www.cnc-stenzel.de
Kann man CNC Maschinen selber bauen?
Nahezu jede konventionelle Maschine kann durch entsprechende Umbausätze und Aufwand auf CNC umgerüstet werden.
Freunde des Selbstbaus können auch eine https://www.precifast.de/cnc-fraese-eigenbau/, jedoch müssen hier selbstverständlich gewisse Abstriche bezüglich Genauigkeit und Bearbeitungsgeschwindigkeit gegenüber den professionellen Maschinen gemacht werden.
Hinweise zur konstruktiven Gestaltung um möglichst genaue CNC Maschinen selber zu bauen, findest Du in folgendem Artikel: Eigenbaufräse mit hoher Genauigkeit.
Hersteller von Werkzeugmaschinen
Werkzeugmaschinenhersteller Ranking
Die Folgende Übersicht zeigt ein europaweites Ranking von CNC-Werkzeugmaschinenherstellern, die Sortierung erfolgte nach Jahresumsatz.
Liste an Werkzeugmaschinenherstellern
Nachfolgend eine zufällige Auswahl bekannter Hersteller von CNC gesteuerten Maschinen:
Hallo und danke für diesen Überblick zur CNC Maschine. Toll, was die Technik heutzutage alles leisten kann. Mein Sohn interessiert sich seit seinem Praktikum besonders für Wasserstrahlschneidanlagen, da wird ihn dieser Artikel vielleicht auch interessieren.
Das stimmt, CNC Maschinen sind wirklich faszinierend und Wasserstrahlschneidanlagen können recht präzise und sehr dicke Metallplatten schneiden.