Computergestützte Fertigung (CAM ist eine Fertigungsmethode, bei der Computersoftware und automatisierbare Maschinen eingesetzt werden, um Produkte mit höchster Genauigkeit und Präzision herzustellen. Moderne Maschinen und Softwaretechnologien ermöglichen es uns, Bauteile mit immer größerer Kontrolle über den gesamten Fertigungsprozess zu produzieren.
Ein CAM-Tool nutzt ein Produktmodell, das in einer CAD-Software erstellt wurde. Das CAM-System wandelt dieses Computodell in eine Sprache um, die von der Fertigungsmaschine verstanden wird, und übernimmt anschließend die Produktion.
CAM Hersteller zudem bei der Produktplanung, Entwicklung,, Lagerung und Logistik unterstützen.
Das Hauptziel von CAM ist es, neue Fertigungsanlagen zu schaffen oder bestehende zu verbessern, um die Effizienz zu steigern und Abfall zu reduzieren. Dies geschieht durch die Beschleunigung von Fertigungsprozessen und Werkzeugherstellung sowie durch die Verringerung des Energiebedarfs. Die Endergebnisse zeichnen sich durch hohe Konsistenz, Qualität und Genauigkeit aus.
Mit CAM-Systemen lassen sich zahlreiche Fertigungsprozesse steuern. Diese Prozesse werden meist von CNC-Maschinen (Computer Numerical Control) ausgeführt, die ihre vorgegebenen G- und M-Codes abarbeiten, um ein Werkstück zu bearbeiten. Folgende Prozesse können durch CAM automatisiert werden:
CAM kann das Fräsen von Werkstücken automatisieren, wo subtraktive Fertigung erforderlich ist. Mit CAM können überschüssige Materialien präzise von Werkstückblöcken entfernt werden.
Der Einsatz von CAM in der CNC-Bearbeitung ermöglicht es, Daten für schnelle Angebote für Bearbeitungsaufträge zu verwenden.
Beim Drehen wird überschüssiges Material entfernt, indem das Werkstück gegen das Werkzeug rotiert. CNC-Drehmaschinen sind äußerst effizient bei der Erstellung der richtigen Arbeitsabfolge zur Herstellung des Endprodukts.
Diese Maschinen können zudem weitere Prozesse wie das Schneiden von Gewinden, Rändeln, Fasen, Planen usw. durchführen.
CNC kann verschiedene Schneidmaschinen automatisieren, um Werkstücke mit beeindruckender Präzision zu schneiden. Sie können zudem Gravuren anfertigen. Plasmaschneiden ist besonders für leitfähige Materialien wie Metalle geeignet.
Elektrische Entladungsmaschinen (EDM) stellen Bauteile her, indem sie elektrische Funken durch das Material leiten. Diese Funken erzeugen extrem hohe Temperaturen und ermöglichen so das Durchtrennen unterschiedlichster Materialien mit hoher Präzision.
CNC-Fräser arbeiten nach ähnlichem Prinzip wie Fräsmaschinen und entfernen überschüssiges Material vom Werkstück. Sie können zahlreiche Holzarbeiten und Bearbeitungen an Materialien wie Holz, Verbundstoffen, Stahl, Glas und Kunststoff durchführen.
CAM kann auch additive Fertigungsprozesse wie den 3D-Druck steuern. Mit diesem Verfahren kann CAM nahezu jede Form herstellen, indem kompatible Materialien Schicht für Schicht aufgetragen werden, bis die gewünschte Form erreicht ist.
Die Einführung von CAM bedeutete einen Wendepunkt in der Fertigungsindustrie. Sie veränderte die Produktionslandschaft grundlegend und leitete das Zeitalter der flexiblen Automatisierung im Gegensatz zu traditionellen, festgelegten Automatisierungssystemen ein.
Änderungen in Produktionsprozessen ließen sich nun schneller und einfacher durchführen. Viele weitere Eigenschaften steigerten den Wert von CAM für Fertigungsbetriebe. Nachfolgend einige der wichtigsten Vorteile von CAM für Hersteller:
CAM kann den Fertigungsprozess erheblich beschleunigen – ohne Einbußen bei der Genauigkeit. Dadurch ist CAM äußerst konsistent und zuverlässig. CAM-Maschinen können so programmiert werden, dass sie ein Produkt wiederholt mit höchster Präzision herstellen. Auch die Fertigung von Prototypen ist schnell und präzise.
CAM reduziert den Materialabfall, der bei manueller Bearbeitung häufig entsteht. Da die Fehlerquote gering ist, kann aus der gleichen Rohstoffmenge eine größere Anzahl an Produkten hergestellt werden. Diese gesteigerte Produktivität summiert sich im Laufe der Zeit. Hersteller können dadurch entweder ihren Gewinn steigern, wettbewerbsfähige Preise anbieten oder beides.
CAM spart Personalkosten, da die meisten Fertigungsabläufe automatisiert werden. Fachkräfte werden weiterhin benötigt, um CAM-Maschinen zu bedienen, zu warten und zu reparieren, jedoch ist die Anzahl der Mitarbeiter deutlich geringer als ohne CAM.
Ein weiterer Grund für geringere Lohnkosten ist die Vielseitigkeit der CAM-Maschinen. Sie sind mit vielen verschiedenen Fertigungsverfahren kompatibel und machen so spezialisiertes Personal beim Wechsel der Produktionsprozesse überflüssig.
Die Einführung von CAM in einer Werkstatt erhöht den Kontrollgrad des Herstellers über den gesamten Prozess. Über die sogenannte CAM-Tree-Funktion kann der Fertigungsprozess von Anfang bis Ende nachverfolgt werden. Der Hersteller erhält so Kontrolle über viele Aspekte wie Rohmaterial, Werkzeuge, Material, Arbeitskoordinaten und Nachbearbeitung.
CAM kann zudem Bearbeitungsvorlagen für die zukünftige Nutzung speichern, Arbeitsabläufe neu ordnen sowie Bearbeitungsschritte kopieren/einfügen. Änderungen am Teil können einfach durchgeführt werden, ohne Maschinen neu zu programmieren. Die Assoziativität der Werkzeugwege sorgt dafür, dass bei Änderungen die Werkzeugwege automatisch aktualisiert werden.
Trotz vieler Vorteile ist CAM nicht frei von Einschränkungen:
Einer der größten Hemmnisse bei CAM-Systemen sind die hohen Installations- und Wartungskosten. Die Hardware ist teuer und auch die Software verursacht hohe Anschaffungskosten.
CAM setzt hochentwickelte Komponenten ein, die teurer sind als ihre manuellen Pendants. Zudem entstehen höhere Kosten für Rechnerleistung, vorbeugende Wartung und Reparaturen.
Für kleine Betriebe kann eine so hohe Investition eine große Hürde darstellen. Allerdings bieten viele CAM-Softwares inzwischen Abonnement-Modelle an, wodurch die Einstiegshürde gesenkt wird.
CAM-Werkzeuge sind sehr vielfältig, aber für Einsteiger schwer zu erlernen. CAM-Produktionsanlagen erfordern qualifizierte Mitarbeiter mit fundierten Kenntnissen der jeweiligen CAM-Systeme.
Die Systeme können sich von Unternehmen zu Unternehmen unterscheiden, sodass Mitarbeitende im Umgang mit dem lokalen System und dessen Möglichkeiten geschult werden müssen. Auch Schulungen zur Fehlerbehebung an den Maschinen sind erforderlich.
Diese Schulungen müssen regelmäßig aktualisiert werden, da Systeme laufend neue Funktionen erhalten. Der damit verbundene Schulungsaufwand ist kostenintensiv und kann das Unternehmen belasten.
Obwohl selten, können Computerfehler auftreten. Ebenso kann es zu Ausfällen der CAM-Maschinen kommen. Die Produktion kommt dann schnell zum Erliegen, da es häufig keine alternativen manuellen Fertigungsmöglichkeiten gibt.
Gerade in Fließbandfertigungen ist dies problematisch, da der Stillstand einer Station alle weiteren Stationen ausbremst, bis das Problem behoben ist.
Auch wenn CAM den Materialabfall erheblich reduzieren kann, ist dies keine Garantie für minimale Verschwendung. Viel hängt vom Produktdesign ab. Ist das Modell nicht optimal, kann es trotzdem zu erheblichen Materialverlusten kommen.
Oft fällt dies erst spät auf, insbesondere bei nicht recycelbaren Materialien wie Styropor, Keramik oder bestimmten Kunststoffen.
Die Entsorgung oder das Recycling der Abfälle erfordert zusätzlichen Zeit- und Ressourcenaufwand.
CAM findet in so vielen Branchen Anwendung, dass es einfacher ist, die wenigen ohne CAM-Unterstützung aufzuzählen. Die Einführung von IT, Elektronik und computergestützter Automatisierung markierte den Beginn der dritten industriellen Revolution. Aufgrund der enormen Vorteile setzte sich die numerische Steuerung in der Fertigung rasch durch.
Nachfolgend einige Industrien, die durch CAM grundlegend verändert wurden:
Diese Branche beschäftigt sich mit Entwicklung, Bau, Test und Wartung von Fluggeräten, die innerhalb oder außerhalb der Erdatmosphäre operieren. Wegen der hohen Risiken für Menschenleben und Sachwerte ist sie stark reguliert.
Fluggeräte erfordern präzise Bauteile, die ihre Funktionen zuverlässig erfüllen und zahlreiche Tests bestehen müssen. Dies verlangt höchste Konsistenz und Qualität – manuelle Bearbeitung kann diese Anforderungen meist nicht erfüllen.
Viele Freiformflächen mit komplexen Geometrien sind aus ästhetischen und funktionalen Gründen gefordert. Häufig bestehen diese Bauteile aus außergewöhnlichen Materialien mit besonderen Eigenschaften.
Computergestützte Fertigung bietet für all diese Herausforderungen die optimale Lösung. Durch Flexibilität, Genauigkeit und Schnelligkeit lassen sich solche Bauteile im Budgetrahmen produzieren.
Die Automobilindustrie ist heute nach der Luft- und Raumfahrt die fortschrittlichste und anspruchsvollste Branche. Strenge Vorschriften regeln die Branche in Bezug auf Sicherheit und Umweltschutz. Hersteller experimentieren ständig mit neuen Materialien, Designs und Methoden, um das beste Preis-Leistungs-Verhältnis zu erzielen.
CAM ist für Hersteller von der Konzeptionsphase bis zur Markteinführung äußerst wertvoll. Mit CAM lassen sich innovative Produkte mit Funktionen wie Werkzeugachsen-Definitionen, Flächenbearbeitung und Polygonnetz realisieren.
CAM-Software bietet spezielle Werkzeugwege und Modellierungsoptionen, um komplexe Formen in kurzer Zeit herzustellen und sie dabei vollständig mit Konzepten wie Lean Manufacturing und Just-in-Time-Fertigung zu integrieren.
CAM kann Kosten, Abfall, Durchlaufzeiten und Fehler deutlich reduzieren und verbessert Genauigkeit, Oberflächengüte, Konsistenz und Geschwindigkeit. Diese Eigenschaften machen CAM für die Automobilindustrie unentbehrlich.
Neben den genannten Branchen findet CAM Anwendung in Bereichen wie Computer- und Smartphone-Herstellung, Medizintechnik, Pharmaindustrie und vielen weiteren.
Kurz gesagt: Fast alle modernen Massenfertigungsanlagen nutzen CAM, um die Produktivität zu steigern. Da CAM nahezu alle Hauptprozesse automatisiert, ist eine großtechnische Produktion ohne den Einsatz computergestützter Fertigung kaum mehr denkbar.
Ein wichtiger Schritt vor der computergestützten Fertigung ist das computergestützte Design (CAD). Mit CAD können Konstrukteure Produktentwürfe erstellen, modifizieren und analysieren sowie deren Funktionalität und Anwendbarkeit prüfen.
Die Unterschiede zwischen CAD und CAM sind klar, dennoch besteht oft Verwirrung, da beide viele Gemeinsamkeiten aufweisen.
Einfach ausgedrückt: CAD beschäftigt sich mit dem Entwerfen und Zeichnen eines Produkts, während CAM für die Fertigung zuständig ist. Das in CAD erstellte technische Design wird in Maschinensprache (meist G- und M-Codes) übersetzt und an CNC-Maschinen übergeben. Die Maschinen führen dann anhand des Codes die erforderlichen Bearbeitungsschritte aus.
CAD/CAM-Tools bestehen aus verschiedenen Komponenten. CAD-Tools umfassen Computer und CAD-Software; damit kann ein Grafiker/Techniker/Konstrukteur effektiv eine Zeichnung erstellen, die dann als Orthogonal- oder Isometrieansicht betrachtet und weiter bearbeitet werden kann.
CAM-Tools beinhalten einen Computer, eine CAM-Software und eine CAM-Maschine für die Bearbeitung. Eine CAM-Maschine kann beispielsweise ein Drei- oder Fünf-Achs-Bearbeitungszentrum sein.
Es ist offensichtlich, dass der Prozess mit CAD beginnt und dann in die computergestützte Fertigung (CAM) übergeht. Doch es ist mehr als das: Die Grenzen der CAM-Maschinen müssen bereits in der Konstruktionsphase berücksichtigt werden.
Hier die Abfolge der Ereignisse bei der Entwicklung und Fertigung von Bauteilen mittels CAD und CAM:
Dies ist die erste Phase, der sogenannte Konstruktionsprozess. Der Konstrukteur erstellt Modelle mithilfe von CAD-Software. Der Fokus liegt auf Funktionalität, Fertigbarkeit und Ästhetik des Bauteils. CAD kann extrem komplexe Designs erzeugen, aber wenn diese nicht durch CAM-Systeme gefertigt werden können, sind sie nicht nutzbar.
Der Konstrukteur erstellt ein 2D- oder 3D-Modell in der CAD-Software. Diese Entwürfe werden als CAD-Modelle bezeichnet. Die Materialeigenschaften des Produkts bestimmen, wie komplex das Design gestaltet werden kann.
In dieser Phase werden die Modelle in Koordinaten umgewandelt. Die Vergabe von Koordinaten an die Ausgangsmodelle ermöglicht die Nutzung der Koordinatentransformationsfunktionen der Software.
In dieser Phase führt der Konstrukteur eine Produktionssimulation durch, um die Umsetzbarkeit des Modells mit den Fertigungsmöglichkeiten der Anlage zu überprüfen. Die Integration von Struktur und Grafik des Modells mit den Fertigungsdaten deckt potenzielle Fehler im Modell auf, die dann korrigiert werden können.
Das bedeutet, dass Inkonsistenzen im Modell bereits in der Entwicklungsphase vor Produktionsstart beseitigt werden.
Die Produktionszyklen werden so realistisch wie möglich simuliert, um einen klaren Überblick über den Gesamtprozess zu erhalten. Dies dient als Leitfaden für Fachkräfte in allen Produktionsphasen.
Nach Abschluss der Modellierungsphase beginnt die computergestützte Fertigung. Das finale Modell samt Konstruktionsdaten wird aus der CAD-Software in die CAM-Software exportiert. Bei Softwarelösungen, die CAD und CAM kombinieren, entfällt der Export- und Importvorgang.
Nach Abschluss des Imports erstellt die Software den Code für die CNC-Bearbeitung. CNC-Bearbeitung bezeichnet das computergesteuerte Bearbeiten eines Werkstücks durch Schneiden, Drehen, Bohren, Ausbohren und Fräsen bis zum fertigen Bauteil.
Der Fertigungscode wird unter Berücksichtigung folgender Faktoren erstellt:
Die Software prüft das Computermodell auf geometrische Fehler, insbesondere solche, die den Fertigungsprozess beeinträchtigen könnten.
Die Fertigungssoftware ermittelt optimale Werkzeugwege. Werkzeugwege geben die Route vor, die das Werkzeug während der Fertigung zurücklegt.
Die Bearbeitungssoftware wählt die passenden Parameter für den Fertigungsprozess – je nach Bearbeitungsanforderungen. Parameter wie Schnittgeschwindigkeit, Schnitttiefe, Vorschub, Spannung, Kühlmittelzufuhr werden so gewählt, dass ein optimales Verhältnis von Bearbeitungsgeschwindigkeit und Oberflächengüte entsteht.
Die CAM-Software ermittelt die beste Anordnung des Werkstücks, um die Bearbeitung in kurzer Zeit und mit effizienter Materialnutzung durchzuführen.
Dieser Schritt konzentriert sich auf das Einrichten der CNC-Maschine. Das Starten und der Betrieb einer CNC-Maschine umfassen zahlreiche Schritte, die in einer bestimmten Reihenfolge ablaufen müssen. Die Bediener führen Aufgaben wie Vorstart, Werkzeugbestückung, Laden des CNC-Programms, Probelauf und Produktionslauf aus.
Nach Abschluss dieses Schritts liegt das fertige Produkt zur Inspektion bereit.
Als nächstes folgt die Qualitätskontrolle. Das fertige Produkt muss Qualitätsprüfungen bestehen, bevor es zur nächsten Station in der Produktionslinie übergeht. Die weiteren Schritte umfassen die Montage der Einzelteile und das Auftragen von Lacken oder Oberflächenfinishs, bevor das Produkt an den Kunden bzw. Endverbraucher ausgeliefert wird.
Für Entwurfs- und Fertigungsaufgaben stehen zahlreiche Softwarelösungen zur Verfügung. Manche bieten ausschließlich CAD, andere nur CAM, während einige CAD und CAM in einer Software vereinen. Zu den bekanntesten computergestützten Fertigungswerkzeugen gehören:
