Was ist CAM (Computer-Aided Manufacturing)?

Marti Deans Mai 10, 2021 10 min read

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Computergestützte Fertigung (CAM): Die komplette Einführung für den Einsteiger

In einer Welt voller physischer Dinge – egal ob es sich um Produkte, Teile oder Orte handelt – macht die computergestützte Fertigung oder Computer Aided Manufacturing (CAM) alles möglich. Wir sind diejenigen, die Flugzeugen die Antriebskraft zum Fliegen oder Automobilen die Zugkraft in Form von Pferdestärken verleihen. Wenn Sie etwas nicht nur entworfen, sondern auch hergestellt haben wollen, ist CAM Ihre Antwort. Was aber passiert hinter der Fassade? Lesen Sie weiter, und Sie werden es herausfinden. 

Was ist CAM? Computer Aided Manufacturing (CAM) ist die Verwendung von Software und computergesteuerten CNC-Maschinen, um einen Fertigungsprozess zu automatisieren.

Ausgehend von dieser Definition benötigen Sie drei Komponenten, damit ein CAM-System funktioniert:

Diese drei Komponenten werden mit sehr viel menschlicher Arbeit und Können zusammengeklebt. Als Industrie haben wir Jahre damit verbracht, die besten Fertigungsmaschinen zu bauen und zu verfeinern. Heutzutage gibt es kein Design, das zu schwierig ist, als dass es nicht von einem fähigen Maschinenbauer bearbeitet werden könnte.

CAD zu CAM-Prozess

Ohne CAM gibt es kein CAD. CAD konzentriert sich auf das Design eines Produkts oder Teils. Wie es aussieht, wie es funktioniert. CAM konzentriert sich darauf, wie man es herstellt. Sie können das eleganteste Teil in Ihrem CAD-Tool entwerfen, aber wenn Sie es nicht effizient mit einem CAM-System herstellen können, dann ist alle Mühe vergebens.

Der Beginn eines jeden Konstruktionsprozesses beginnt in der Welt des CAD. Ingenieure erstellen entweder eine 2D- oder eine 3D-Zeichnung, sei es eine Kurbelwelle für ein Auto, das innere Skelett einer Küchenarmatur oder die versteckte Elektronik in einer Leiterplatte. Im CAD wird jeder Entwurf als Modell bezeichnet und enthält eine Reihe von physikalischen Eigenschaften, die von einem CAM-System verwendet werden.

Wenn eine Konstruktion im CAD fertiggestellt ist, kann sie anschließend in die CAM-Software geladen werden. Dies geschieht traditionell durch Exportieren einer CAD-Datei und anschließendes Importieren in die CAM-Software. Wenn Sie ein Werkzeug wie Fusion 360 verwenden, existieren sowohl CAD als auch CAM in derselben Welt, sodass kein Import/Export erforderlich ist.

Sobald Ihr CAD-Modell in die CAM-Software importiert ist, beginnt die Software mit der Vorbereitung des Modells für die Bearbeitung. Die maschinelle CNC-Bearbeitung ist der kontrollierte Prozess der Umwandlung von Rohmaterial in eine definierte Form – durch Aktionen wie Schneiden, Bohren oder Aufbohren.

Die CAM-Software bereitet ein Modell für die Bearbeitung vor, indem sie mehrere Aktionen durchführt, darunter:

Ausführen eines Konturwerkzeugwegs in Fusion 360. Bild mit freundlicher Genehmigung der Kansas City Kit Company

Sobald das Modell für die Bearbeitung vorbereitet ist, werden alle Informationen an eine Maschine gesendet, die das Teil physisch produziert. Wir können einer CNC-Maschine jedoch nicht einfach einen Haufen Anweisungen auf Englisch geben. Wir müssen die Sprache der Maschine sprechen. Zu diesem Zweck konvertieren wir alle unsere Bearbeitungsinformationen in eine Sprache namens G-Code. Dies ist der Satz von Anweisungen, der die Aktionen einer Maschine steuert, einschließlich Geschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit, Kühlmittel usw.

G-Code ist einfach zu lesen, wenn Sie das Format verstanden haben. Ein Beispiel sieht so aus:

G01 X1 Y1 F20 T01 S500

Dies wird von links nach rechts wie folgt aufgeteilt:

Ein visuellerer Weg, um G-Code-Koordinaten zu verstehen. Bild mit freundlicher Genehmigung von Make:.

Sobald der G-Code in die Maschine geladen ist und ein Bediener den Startknopf drückt, ist unsere Arbeit getan. Jetzt ist es an der Zeit, die CNC-Maschine den G-Code ausführen zu lassen, um einen Rohmaterialblock in ein fertiges Produkt zu verwandeln.

CNC-Maschinen auf einen Blick

Bis zu diesem Punkt haben wir über die CNC-Maschinen in einem CAM-System einfach als Maschinen gesprochen, aber das wird ihnen wirklich nicht gerecht. Wenn ich sehe, wie eine Haas-Fräsmaschine durch einen Metallblock gleitet, als wäre es Butter, zaubert mir das jedes Mal ein Lächeln ins Gesicht. Ohne diese CNC-Maschinen wäre mein Job unmöglich.

Bild mit freundlicher Genehmigung von Haas Automation.

In allen modernen Fertigungszentren werden verschiedene CNC-Maschinen (Computer Numerical Control) eingesetzt, um technische Teile zu produzieren. Der Prozess der Programmierung einer CNC-Maschine zur Durchführung bestimmter Aktionen wird als CNC-Bearbeitung bezeichnet.

Bevor es CNC-Maschinen gab, wurden Fertigungszentren von Maschinenbedienern manuell bedient. Natürlich folgte, wie bei allen Dingen, die mit Computer in Berührung kommen, bald die Automatisierung. Heutzutage ist der einzige menschliche Eingriff, der für den Betrieb einer CNC-Maschine erforderlich ist, das Laden eines Programms, das Einlegen von Rohmaterial und das Entladen des fertigen Produkts.

Drüben in der Autodesk Pier 9 Werkstatt haben wir eine ordentliche Auswahl an CNC-Maschinen, darunter:

CNC-Router

Diese Maschinen schneiden Teile und schnitzen eine Vielzahl von Formen mit Hochgeschwindigkeits-Drehkomponenten aus. Ein CNC-Router, der für die Holzbearbeitung eingesetzt wird, kann zum Beispiel problemlos Sperrholz in Schrankteile schneiden. Er kann auch komplexe dekorative Gravuren auf einer Türverkleidung leicht bewältigen. CNC-Oberfräsen verfügen über 3-Achsen-Schneidefunktionen, die es ihnen ermöglichen, sich entlang der X-, Y- und Z-Achse zu bewegen.

Wasser-, Plasma- und Laserschneider

Diese CNC-Maschinen verwenden präzise Laserschneider, einen Hochdruckwasserstrahl oder einen Plasmabrenner, um einen kontrollierten Schnitt oder eine Gravur auszuführen. Manuelle Gravurtechniken können Monate dauern, um sie von Hand auszuführen, aber eine dieser CNC-Maschinen kann die gleiche Arbeit in Stunden oder Tagen erledigen. Plasmaschneider sind praktisch zum Schneiden durch elektrisch leitende Materialien wie Metalle.

Bild mit freundlicher Genehmigung von Fabricating and Metalworking.

Fräsmaschinen

Diese Maschinen zerspanen eine Vielzahl von Materialien wie Metall, Holz, Verbundwerkstoffe usw. Fräsmaschinen haben eine enorme Vielseitigkeit mit einer Vielzahl von Werkzeugen, die spezifische Material- und Form-Anforderungen erfüllen können. Das übergeordnete Ziel einer Fräsmaschine ist es, Masse aus einem Rohmaterialblock so effizient wie möglich zu entfernen.

Drehbänke

Auch diese Maschinen zerspanen Rohmaterial wie eine CNC-Fräsmaschine. Sie machen es aber anders. Eine Fräsmaschine hat ein rotierendes Werkzeug und stationäres Material, während eine Drehbank das Material dreht und mit einem stationären Werkzeug schneidet.

Bild mit freundlicher Genehmigung von Halsey Manufacturing.

Elektroerosionsmaschinen (EDM)

Diese Maschinen schneiden durch eine elektrische Entladung die gewünschte Form aus dem Rohmaterial heraus. Zwischen einer Elektrode und dem Rohmaterial wird ein elektrischer Funke erzeugt, der eine Temperatur von 8.000 bis 12.000 Grad Celsius erreicht. Dadurch kann eine EDM-Maschine fast alles in einem kontrollierten und ultrapräzisen Prozess durchschmelzen.

Bild mit freundlicher Genehmigung von Absolute Wire EDM.

Das menschliche Element der computergestützten Fertigung (CAM)

Die menschliche Komponente war schon immer ein heikles Thema, seit CAM in den 1990er Jahren auf den Plan trat. In den 1950er Jahren, als John T. Parsons die CNC-Bearbeitung einführte, erforderte die geschickte Bedienung von Maschinen einen enormen Aufwand an Training und Übung. Das folgende Video von NYC CNC zeigt ein tolles Beispiel dafür, wie sehr sich manuelle Maschinen von den heutigen CNC-Maschinen unterscheiden:

In den Zeiten der manuellen Bearbeitung war es ein Ehrenzeichen, ein Mechaniker zu sein, der jahrelanges Training brauchte, um perfekt im Job zu sein. Ein Zerspanungsmechaniker musste alles können – Blaupausen lesen, wissen, welche Werkzeuge zu verwenden sind, Vorschübe und Geschwindigkeiten für bestimmte Materialien definieren und ein Teil sorgfältig von Hand schneiden. Es ging nicht nur um präzise manuelle Geschicklichkeit. Ein Zerspanungsmechaniker zu sein war und ist sowohl eine Kunst als auch eine Wissenschaft.

Bild mit freundlicher Genehmigung von ITABC.CA

Heutzutage ist der moderne Zerspanungsmechaniker quicklebendig, da Mensch, Maschine und Software zusammenwirken, um unsere Branche voranzubringen. Fertigkeiten, für die man früher 40 Jahre brauchte, um sie zu beherrschen, können heute in einem Bruchteil der Zeit erlernt werden. Neue CNC-Maschinen und CAM-Software haben uns mehr Kontrolle als je zuvor gegeben, um bessere und innovativere Produkte zu entwerfen und herzustellen als unsere Vorfahren, was diese nur widerwillig zugeben…

Was bedeutet das alles für das menschliche Element der Fertigung? Die Rolle des traditionellen Mechanikers verändert sich. Heute sehen wir eine Umgebung von modernen Mechanikern, die drei typische Rollen haben:

In einem typischen Arbeitsablauf übergibt der Programmierer sein Programm an den Einrichter, der dann den G-Code in die Maschine lädt. Sobald die Maschine einsatzbereit ist, fertigt der Bediener das Teil. In manchen Werkstätten können sich diese Aufgaben mit denen von ein oder zwei Personen überschneiden.

Außerhalb des täglichen Maschinenbetriebs gibt es auch den Fertigungsingenieur. Bei einer Neueinrichtung einer Werkstatt richtet diese Person in der Regel Systeme ein und legt einen idealen Fertigungsprozess fest. Bei bestehenden Anlagen überwacht der Fertigungsingenieur die Ausrüstung und die Produktqualität, während er andere Managementaufgaben übernimmt.

Der Einfluss von CAM

John T. Parsons verdanken wir die Einführung einer Lochkartenmethode zur Programmierung und Automatisierung von Maschinen. Im Jahr 1949 finanzierte die United States Air Force Parsons, um eine automatisierte Maschine zu bauen, die manuelle NC-Maschinen übertreffen konnte. Mit Hilfe des MIT gelang es Parsons, den ersten NC-Prototypen zu entwickeln.


John Parsons mit einer experimentellen NC-Maschine. Bild mit freundlicher Genehmigung von Cms Industries.

Von da an nahm die Welt der CNC-Bearbeitung Fahrt auf. In den 1950er Jahren kaufte die United States Army NC-Maschinen und verlieh sie an Hersteller. Die Idee war, Unternehmen einen Anreiz zu geben, die neue Technologie in ihren Fertigungsprozess zu übernehmen. In dieser Zeit wurde am MIT auch die erste universelle Programmiersprache für CNC-Maschinen entwickelt: G-Code.

Das universelle G-Code-System. Bild mit freundlicher Genehmigung von MachMotion.

Die 1990er Jahre brachten die Einführung von CAD und CAM auf dem PC und haben die Art und Weise, wie wir heute an die Fertigung herangehen, komplett revolutioniert. Die ersten CAD- und CAM-Jobs waren teuren Anwendungen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie vorbehalten, aber heute ist CAM-Software wie Fusion 360 für Fertigungsbetriebe jeder Form und Größe verfügbar.

Seit seiner Einführung hat CAM eine Vielzahl von Verbesserungen für den Fertigungsprozess gebracht, darunter:

Natürlich haben diese Vorteile auch ihre Tücken. Computer Aided Manufacturing-Systeme und -Maschinen erfordern enorme Vorlaufkosten. Ein Haas VF-1 kostet beispielsweise etwa 45.000 US-Dollar; stellen Sie sich vor, Sie hätten eine ganze Werkshalle mit diesen Maschinen. Außerdem gibt es das Problem der Fluktuation. Da der Beruf des Maschinenbedieners immer weniger qualifiziert ist, ist es schwierig, gute Talente anzuziehen und zu halten.

CAM ist der Mann

Bei CAM geht es nicht nur um die Steuerung von CNC-Maschinen in einer Werkstatt. Es geht darum, Software, Maschinen, Prozesse und Menschen zusammenzubringen, um wirklich großartige Teile zu bauen. Wenn Sie zum ersten Mal in die Welt der CAM-Technik eintauchen, empfehle ich Ihnen dringend, eine Werkstatt in Ihrer Nähe aufzusuchen, um eine Führung zu bekommen. Spüren Sie das Brummen der CNC-Maschinen in Ihren Füßen, oder gleiten Sie mit Ihrer Hand über ein Teil, das gerade aus der Maschine kommt. Es ist eine unglaubliche Erfahrung, von der ich hoffe, dass zukünftige Generationen sie noch genießen können. Bei CAM dreht sich alles um die menschliche Note.

Spielen Sie immer noch mit einer separaten CAD- und CAM-Software herum? Fusion 360 hat beides. Testen Sie Fusion 360 noch heute.

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Maschinelle Bearbeitung

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