Trends in der CNC-Bearbeitung für das Jahr 2023

Die Entwicklung von CNC-Maschinen (Computer Numerical Control), also schnellen, präzisen, komplexen, intelligenten, offenen, parallelen, vernetzten und extremen Maschinen, ist zu einem Trend und einer Entwicklungsrichtung geworden. Wie werden sich diese Trends im Jahr 2023 entwickeln? In welche Richtung wird die Zerspanung gehen? Werden neue Technologien die CNC-Dienstleistungen erheblich verbessern? Darüber schreiben wir unten!

Höhere Geschwindigkeit in der CNC-Bearbeitung

Mit der schnellen Entwicklung von Industriezweigen wie Automobilbau, nationale Verteidigung, Luft- und Raumfahrt sowie der Verwendung neuer Materialien wie Aluminiumlegierungen, steigen die Anforderungen an die CNC-Zerspanung. CNC-Maschinen bieten in diesen Fällen: 

• Spindelgeschwindigkeit: Die Maschine verwendet eine elektrische Spindel (eingebauter Spindelmotor), die maximale Spindelgeschwindigkeit beträgt 200000 U/min.
• Vorschubgeschwindigkeit: Die Auflösung beträgt 0,01 μm und die Maschine kann eine maximale Vorschubgeschwindigkeit von 240 m/min von komplexen und präzise bearbeiteten Oberflächen erreichen.
• Berechnungsgeschwindigkeit: Die dynamische Entwicklung von Mikroprozessoren garantiert einen schnellen und präzisen Fortschritt in numerischen Steuerungssystemen. Infolgedessen entwickeln sich Prozessoren zu 32-Bit- und 64-Bit-numerischen Steuerungssystemen, und die Frequenz steigt auf Hunderte von Megahertz und Gigahertz. Dank der Berechnungen hat sich die Geschwindigkeit erheblich verbessert, und die Vorschubgeschwindigkeit von 24-240 m/min kann immer noch bei einer Auflösung von 0,1 μm und 0,01 μm erreicht werden.
• Werkzeugwechselgeschwindigkeit: Derzeit beträgt die fortgeschrittene Wechselzeit für ausländische Werkzeuge in der Regel etwa 1 s, und das Maximum kann 0,5 s erreichen. 

Bessere Präzision in der CNC-Bearbeitung

Die Anforderungen an die Genauigkeit von CNC-Maschinen beschränken sich nicht nur auf die statische geometrische Genauigkeit: Immer mehr Aufmerksamkeit wird der Bewegungsgenauigkeit der Maschine, der thermischen Verformung, der Überwachung und Kompensation von Vibrationen gewidmet. Neue Herausforderungen im kommenden Jahr könnten dazu führen, dass Sie weitere Elemente aus der Perspektive des Fräsens implementieren müssen:

1. Verbessern Sie die Genauigkeit der CNC-Bearbeitung: Verwenden Sie die Technologie der schnellen Interpolation, um die kontinuierliche Zuführung kleiner Programmsegmente zu realisieren, um die CNC-Steuerungseinheit zu verbessern und verwenden Sie ein Gerät zur Positionserkennung mit hoher Auflösung, um die Genauigkeit der Positionserkennung zu verbessern.
2. Adoption von Fehlerkompensationstechnologien: Kompensation von Spiel, Sprungfehler, Werkzeugfehler und andere Technologien werden zur Kompensation von thermischen Verzerrungsfehlern und Hardware-Raumfehlern eingesetzt. Testergebnisse zeigen, dass die umfassende Fehlerkompensationstechnologie die Verarbeitungsfehler um 60% bis 80% reduzieren kann.
3.  Vorhersagen Sie die Genauigkeit der Werkzeugmaschinenbearbeitung mit Hilfe von Simulationen, um die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Positionierung zu gewährleisten. Das Gitter dient zur Überprüfung und Korrektur der Genauigkeit der Bewegungsbahn des Bearbeitungszentrums. Es sorgt dafür, dass seine Leistung über einen langen Zeitraum stabil bleibt und kann verschiedene Bearbeitungsaufgaben unter verschiedenen Arbeitsbedingungen ausführen, um die Qualität der bearbeiteten Teile zu gewährleisten.

Verbundbearbeitung - CNC-Bearbeitung

Eine komplexe Werkzeugmaschine bezieht sich auf die Herstellung oder Produktion verschiedener Elemente, die Halbzeuge so weit wie möglich in ein fertiges Produkt umwandeln. Aus seinen strukturellen Merkmalen können Prozessverbindungen unterschieden werden. Dies sind komplexe Bearbeitungen von Werkzeugmaschinen, einschließlich komplexes Drehen, Fräsen, Bohr- und Bearbeitungszentren, Drehzentren, Dreh-Fräszentren, Fräsen, Drehen, Bohren, hybride Automobil-Bearbeitungszentren usw.; komplexe Werkzeugmaschinen wie Mehrflächen-, Mehrachsen-Bearbeitungsverbindungen, komplexe Werkzeugmaschinen und Doppelspindel-Drehzentren. Die Bearbeitung auf Hybridmaschinen verkürzt die Zeit, die für das Be- und Entladen von Teilen, den Werkzeugwechsel und die Einstellung zusätzlicher Werkzeuge benötigt wird.

Angemessene Überwachung während der CNC-Bearbeitung

Um den Entwicklungsbedürfnissen von Flexibilität und Automatisierung in der Produktion gerecht zu werden, wird die Qualität von CNC-Maschinen ständig verbessert. Dies zeigt sich in folgenden Aspekten:

• Technologie zur adaptiven Prozesssteuerung: Durch die Überwachung von Informationen während der Verarbeitung, wie Schneidkraft, Spindel- und Vorschubmotorleistung, Strom und Spannung, werden traditionelle oder moderne Erkennungsalgorithmen verwendet, um Spannungen, Verschleiß und den Zustand von Werkzeugrissen sowie den Zustand der Werkzeugmaschine hinsichtlich ihrer Stabilität während der Bearbeitung zu identifizieren. Entsprechend diesen Zuständen werden die Bearbeitungsparameter (Spindeldrehzahl, Vorschubgeschwindigkeit) und die Bearbeitungsanweisungen in Echtzeit angepasst, wodurch die Maschine die Bearbeitungsgenauigkeit verbessern, die Oberflächenrauheit reduzieren und die Verarbeitungsgenauigkeit verbessern kann. Darüber hinaus ist die Maschine sicherer in der Bedienung.
• Intelligente Selbstdiagnose- und Selbstreparaturtechnologie: Basierend auf vorhandenen Fehlerinformationen dienen moderne intelligente Maßnahmen zur schnellen und genauen Lokalisierung von Fehlern.
• Intelligente Technologie zur Fehlerreproduktion und -simulation: Kann vollständig verschiedene Systeminformationen aufzeichnen, verschiedene Fehler und Unfälle in CNC-Maschinen reproduzieren und simulieren, die Ursache von Fehlern bestimmen, Problemlösungen finden und Produktionserfahrung sammeln.
• Intelligenter Wechselstrom-Servomotor: Kann die Last automatisch identifizieren und die Parameter des intelligenten Systems anpassen, einschließlich des intelligenten AC-Spindelantriebs und des intelligenten Servoantriebs. Diese Art von Antriebsgerät kann das Trägheitsmoment des Motors und die Last automatisch identifizieren, die Parameter des Steuerungssystems automatisch optimieren und anpassen, damit das Antriebssystem die beste Leistung erzielen kann.
• Intelligentes 4M CNC-System: Im Produktions-, Verarbeitungs- und Testprozess integriert es sich auf praktische Weise, um eine schnelle Produktion, Testen, Reaktion, Messung, Modellierung und Verarbeitung zu ermöglichen. Vier Operationen sind mit dem 4M-System integriert, um den Informationsaustausch zu erleichtern und die Integration von Messungen, Modellierung, Verarbeitung, Befestigung und Handhabung zu erleichtern.

Hybridisierung der CNC-Produktion mit additiven Technologien

Die subtraktive CNC-Bearbeitung und der additive 3D-Druck sind zwei separate Prozesse. Eine CNC-Maschine entfernt Material vom Werkstück. 3D-Druck baut dreidimensionale Objekte Schicht für Schicht auf. Selbst wenn man die Arbeitsprinzipien umkehrt, können beide Prozesse effektiv kombiniert werden. Viele Maschinenbauer haben die "hybride Produktion" übernommen, indem sie CNC-Fräsen und -Drehen mit additiven Fertigungsmethoden kombinieren. Immer mehr Unternehmen überlegen, wie sie CNC-Maschinen und 3D-Drucker kombinieren können, um die Projektrealisierung zu beschleunigen. Toleranzen kleiner als 0,01 mm können mit CNC-Maschinen erreicht werden, was sie ideal für Anwendungen macht, bei denen Präzision von entscheidender Bedeutung ist. 3D-Drucker haben jedoch eine Genauigkeit von bis zu 0,1 mm, was einer der Gründe ist, warum die additive Fertigung in der Prototypenherstellung weit verbreitet ist. Prototypen können auf einem 3D-Drucker gedruckt werden. Dann kann die CNC-Maschine das Produkt fertigstellen. 

Produktion auf Anfrage und sofortige Kostenschätzung

Produktionsstrategien, bekannt als "On-Demand-Produktion" oder "Cloud-Produktion", haben sich weiterentwickelt. Dies begann, die Lieferkettenbranche zu stören und wurde deutlich beschleunigt durch das Coronavirus, den Krieg in der Ukraine und Versorgungsprobleme aus China. Der Begriff "On-Demand-Produktion" beschreibt eine Produktionsmethode, bei der Produkte genau dann hergestellt werden, wenn sie benötigt werden und in den erforderlichen Mengen. Traditionelle Produktion erfordert hingegen teure eigene Produktionsmaschinen, Massenproduktion von Waren oder die Abhängigkeit von lokalen Produktionspartnern. On-Demand-Produktion reduziert Kapitalinvestitionen, erhöht die Liefergeschwindigkeit und verbessert die Widerstandsfähigkeit.

Einige andere Faktoren, wie die reduzierten Kosten für CNC-bearbeitete Teile und die schnelle Bestellung über Sofortangebotssoftware, haben zur allgemeinen Akzeptanz von On-Demand-Produktion beigetragen. Maßgefertigte Gehäuse sind für Unternehmen jeder Größe zuverlässig. Verbraucher, Unternehmen und die Umwelt können von dem Programm profitieren. Hier sind drei Schlüsselvorteile, die Unternehmen durch On-Demand-Produktion erzielen können:

• Reduzierung der Produktionskosten
• agiles Handeln durch schnellere Einkäufe und größere Verfügbarkeit verschiedener Produktionstechnologien
• einfacher Zugang zu globalen Produktionsressourcen

Verbesserung der CNC-Bearbeitung mit digitalen Zwillingen

Digitale Zwillinge dienen dazu, das Funktionieren von Hardware und Prozessen besser zu verstehen. In den meisten Fällen ist ein digitaler Zwilling eine genaue Kopie seines physischen Pendants. Darüber hinaus zeigen Simulationen oft nur eine Eigenschaft, während digitale Zwillinge komplexer sind. Sie können gleichzeitig Informationen über viele verschiedene Prozesse liefern. Digitale Zwillinge in der CNC-Produktion können in der Prozessplanung, Bearbeitung, Modellbildung und Feedback-Schleifen implementiert werden. Basierend auf verschiedenen Eingabeparametern wie Vorschubgeschwindigkeit, Werkzeugmaterial, Spannkraft und können ein Rauheitsvorhersagemodell unter Verwendung von Support-Vektor-Maschinen implementiert werden, erzeugen Werkzeugpfade, experimentieren und führen die Ergebnisse in ihr Modell (SVM), Gauss-Prozess (GPR) und vollständig verbundenes tiefes neuronales Netzwerk (FCDNN) ein. Digitale Zwillings-Technologien erweitern die Entscheidungsmöglichkeiten von Prozessplanern und Maschinenbedienern, um die Bearbeitungsparameter während der Prozessplanung und Bearbeitung zu steuern.

Größere Investitionen in die Automatisierung

Die Automatisierung beeinflusst auch den CNC-Bearbeitungsprozess auf viele verschiedene Arten. Ihre Bedeutung hat in den letzten Jahren zugenommen und dieser Trend wird sich in der Zukunft fortsetzen. Die Automatisierung konzentriert sich jedoch auf die individuelle Verarbeitung. Ein Beispiel ist die Zusammenarbeit zwischen Mitsubishi und AIST, die zur Entwicklung von Lösungen für CNC-Maschinen geführt hat, die künstliche Intelligenz und automatisierte Prozesse integrieren. Dies ist eine Fehlerkorrekturmethode, die künstliche Intelligenz zur Schätzung des Unterschieds zwischen der aktuellen Position der CNC-Maschine und ihrem Sollwert verwendet. Laut Testergebnissen erreichte die Strategie eine Verbesserung der Genauigkeit um 51% im Vergleich zu Lösungen ohne künstliche Intelligenz. Die Technologie kann auch während der dynamischen Bearbeitung verbessert werden, was Zeit spart und gleichzeitig eine hohe Qualität gewährleistet. Der Trend geht zur Automatisierung der gesamten Fabrik. Die Vorteile dieser Maßnahme sind klar: Kosteneinsparungen bei der Arbeit, erhöhte Produktivität und Konsistenz. Von kameragesteuerten Robotern für das automatische Be- oder Entladen von CNC-Maschinen bis hin zum Aufbau zusätzlicher Arbeitsstationen für die Verwaltung von Kennzeichnung, Messung und Verpackung, um die Möglichkeiten autonomer Fabriken zu nutzen. Bei der Entwicklung einer automatisierten Fabrik sollten einige Fragen gestellt werden: 

1. Ist die aktuelle Teilemischung für die automatisierte Produktion geeignet?
2. Gibt es geeignete Maschinenfunktionen, Werkzeuge und Steuerungssysteme, die eine Bearbeitung in Fabriken ohne Beleuchtung ermöglichen?
3. Wie können automatisierungsfreundliche flexible Werkzeuge und Arbeitsaufnahmen erzielt werden?
4. Wie wird die Fernüberwachung, Wartung und Problemlösung sichergestellt?

Eine gut ausgeführte Zerspanungswerkstatt hat das Potenzial, die Art und Weise, wie Zerspanungsarbeiten durchgeführt werden, zu revolutionieren, aber die Werkstätten müssen bereit sein, in Verbesserungen ihrer Prozesse zu investieren. Natürlich eignet sich dieser hohe Grad an Automatisierung nur für die Produktion von wiederholbaren Teilen in großem Maßstab, er ist nicht sehr gut geeignet für Prototyping und Kleinserienproduktion, die menschliche Optimierung, Kreativität und Praktikabilität erfordern.

Entwicklung nachhaltiger Umweltlösungen

CNC-Hersteller werden beginnen müssen, den Kohlenstoff-Fußabdruck ihrer Produktionsprozesse und Lieferketten zu verfolgen und zu reduzieren, um die wachsende Nachfrage der Kunden nach umweltfreundlicheren Produkten zu erfüllen. Neue oder verdoppelte Anstrengungen zur Reduzierung der CO2-Emissionen durch CNC-Bearbeitungsdienstleistungen werden weiterhin die Verbrauchernachfrage, die Unternehmensverantwortung und die Regulierungen der Regierungsbehörden erfüllen. Produktionsunternehmen müssen leichter zugängliche Datenketten für Produktion und Lieferung nutzen, um genauere Bewertungen des Kohlenstoff-Fußabdrucks ihrer Produkte durchzuführen und neue Wege zur Herstellung und Versand ihrer Produkte auf umweltfreundlichere Weise zu entdecken.

Entwicklung der Produktion als Dienstleistung

MaaS (Manufacturing as a Service) ist erst vor kurzem in die CNC-Bearbeitungsbranche eingetreten. Es ist jedoch zu erwarten, dass es im Laufe der Zeit an Popularität gewinnen wird. Kurz gesagt, MaaS nutzt Netzwerkressourcen für Produktionsaktivitäten und stellt sie über digitale Schnittstellen zur Verfügung. MaaS kann Unternehmen mehr Flexibilität, erhöhte Produktivität, größere Agilität und Kosteneinsparungen bei geringerem Aufwand bieten. Da die Auswirkungen der Pandemie weiterhin bestehen, kann man sicher sagen, dass Unternehmen, die ihre Ausgaben reduzieren und über angespannte Budgets verfügen, zumindest die Idee in Betracht ziehen werden, CNC-basierte MaaS-Dienstleistungen zu beauftragen, da dies dazu beitragen kann, Materialien zu sparen und die Arbeit jeder Fräsmaschine zu verbessern.