Trends in der CNC-Bearbeitung für 2023

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Die Entwicklung von CNC-gesteuerten (Computer Numerical Control) Werkzeugmaschinen, d.h. von Maschinen, die schnell, präzise, komplex, intelligent, offen, parallel, vernetzt und extrem sind, ist zum Trend und zur Richtung ihrer Entwicklung geworden. Wie werden sich diese Trends im Jahr 2023 entwickeln? In welche Richtung wird sich die Bearbeitung entwickeln? Werden neue Technologien die CNC-Dienstleistungen in hohem Maße verbessern? Darüber schreiben wir weiter unten!

Höhere Geschwindigkeit in der CNC

Mit der rasanten Entwicklung von Branchen wie der Automobil-, Verteidigungs-, Luft- und Raumfahrtindustrie und der Verwendung neuer Materialien wie Aluminiumlegierungen steigen die Anforderungen an die CNC-Bearbeitung. CNC-Maschinen bieten in diesen Fällen: 

  • Spindeldrehzahl: die Werkzeugmaschine verfügt über eine elektrische Spindel (eingebauter Spindelmotor), die maximale Spindeldrehzahl beträgt 200.000 U/min.
  • Vorschubgeschwindigkeit: Die Auflösung beträgt 0,01 μm und die Werkzeugmaschine kann bei komplexen und präzise bearbeiteten Oberflächen eine maximale Vorschubgeschwindigkeit von 240 m/min erreichen.
  • Schnelligkeit der Berechnungen: Die dynamische Entwicklung der Mikroprozessoren garantiert einen schnellen und präzisen Fortschritt der numerischen Steuerungssysteme. Infolgedessen entwickeln sich die Prozessoren zu numerischen 32-Bit- und 64-Bit-Steuerungssystemen, deren Frequenzen auf Hunderte von Megahertz und Gigahertz steigen. Durch den Einsatz von Computern haben sich die Geschwindigkeiten erheblich verbessert, und es können immer noch Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 24-240 m/min bei Auflösungen von 0,1 μm und 0,01 μm erreicht werden.
  • Werkzeugwechselgeschwindigkeit: Die derzeitige fortschrittliche ausländische Werkzeugwechselzeit beträgt im Allgemeinen etwa 1 s, und die maximale Zeit kann 0,5 s erreichen. 

Verbesserte Präzision in der CNC

Die Genauigkeitsanforderungen an CNC-Werkzeugmaschinen beschränken sich nicht nur auf die statische Geometriegenauigkeit: immer mehr Aufmerksamkeit wird der Genauigkeit der Maschinenbewegung, der thermischen Verformung, der Überwachung und der Schwingungskompensation gewidmet. Neue Herausforderungen im kommenden Jahr können es erforderlich machen, dass Sie weitere Elemente aus der Perspektive des Fräsens umsetzen:

  • Verbesserung der CNC-Bearbeitungsgenauigkeit: Einsatz der Hochgeschwindigkeits-Interpolationstechnologie zur Realisierung der kontinuierlichen Zuführung kleiner Programmsegmente zur Verbesserung der CNC-Steuerungseinheit und Einsatz eines hochauflösenden Positionserfassungsgeräts zur Verbesserung der Positionserfassungsgenauigkeit.
  • Einsatz von Fehlerkompensationstechnologie: Spielkompensation, Steigungsfehler, Werkzeugfehler und andere Technologien werden verwendet, um thermische Verformungsfehler und Hardware-Raumfehler zu kompensieren. Die Testergebnisse zeigen, dass die umfassende Fehlerkompensationstechnologie den Verarbeitungsfehler von 60 % auf 80 % reduzieren kann.
  •  Vorhersage der Bearbeitungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen mithilfe von Simulationen, um Positioniergenauigkeit und Wiederholbarkeit zu gewährleisten. Das Raster wird zur Überprüfung und Verbesserung der Genauigkeit der Bewegungsbahn des Bearbeitungszentrums verwendet. Sie ist über einen langen Zeitraum hinweg leistungsfähig und kann verschiedene Bearbeitungsaufgaben unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen ausführen, um die Qualität der bearbeiteten Teile zu gewährleisten.

Bearbeitung von Verbundwerkstoffen in der CNC

Unter Verbundwerkstoffbearbeitung versteht man die Realisierung oder Herstellung verschiedener Komponenten, die Halbfertigteile bis hin zum Endprodukt weitestgehend verarbeiten. Aus den Strukturmerkmalen lassen sich Prozessbeziehungen ableiten. Es handelt sich um die Bearbeitung komplexer Werkzeugmaschinen, wie z. B. komplexe Bohr-, Fräs-, Bohr- und Bearbeitungszentren, Drehzentren, Dreh- und Fräszentren, Fräs-, Bohr- und Bohrzentren, Hybrid-Autobearbeitungszentren usw.; komplexe Werkzeugmaschinen, wie z. B. Mehrflächen- und Mehrachsen-Gemeinschaftsbearbeitung, komplexe Werkzeugmaschinen und Doppelspindel-Drehzentren. Die Bearbeitung auf Hybridmaschinen reduziert den Zeitaufwand für das Be- und Entladen von Werkstücken, den Werkzeugwechsel und die Einstellung zusätzlicher Werkzeuge.

Angemessene Überwachung 

Um dem Entwicklungsbedarf an Flexibilität und Produktionsautomatisierung gerecht zu werden, wird die Qualität der CNC-Werkzeugmaschinen ständig verbessert. Dies lässt sich an folgenden Aspekten ablesen:

  • Adaptive Prozessleittechnik: Durch die Überwachung von Informationen wie Zerspankraft, Spindel- und Vorschubmotorleistung, Strom und Spannung während der Bearbeitung werden herkömmliche oder moderne Erkennungsalgorithmen eingesetzt, um den Spannungs-, Verschleiß- und Bruchzustand des Werkzeugs sowie den Zustand der Werkzeugmaschine im Hinblick auf ihre Stabilität während der Bearbeitung zu ermitteln. Entsprechend dieser Zustände werden die Bearbeitungsparameter (Spindeldrehzahl, Vorschubgeschwindigkeit) und die Bearbeitungsanweisungen in Echtzeit angepasst, so dass die Anlage die Bearbeitungsgenauigkeit verbessern, die Oberflächenrauheit verringern und die Bearbeitungsgenauigkeit erhöhen kann. Außerdem sind die Geräte sicherer in der Handhabung.
  • Intelligente Selbstdiagnose und Selbstreparaturtechnologie: Auf der Grundlage vorhandener Fehlerinformationen werden moderne intelligente Mittel eingesetzt, um Fehler schnell und genau zu lokalisieren.
  • Intelligente Fehlerreproduktion und Fehlersimulationstechnik: Es kann verschiedene Systeminformationen vollständig aufzeichnen, verschiedene Fehler und Unfälle bei CNC-Werkzeugmaschinen reproduzieren und simulieren, die Fehlerursache ermitteln, Problemlösungen finden und Produktionserfahrungen sammeln.
  • Intelligenter AC-Servoantrieb: Es kann die Last automatisch erkennen und die Parameter des intelligenten Systems, einschließlich des intelligenten AC-Spindelantriebs und des intelligenten Servoantriebs, anpassen. Diese Art von Antriebsvorrichtung kann das Trägheitsmoment des Motors und der Last automatisch erkennen und die Parameter des Steuerungssystems automatisch optimieren und anpassen, so dass das Antriebssystem den besten Betrieb erreichen kann.
  • 4M CNC intelligentes System: Es integriert sich in den Produktions-, Verarbeitungs- und Prüfprozess auf praktische Weise, um eine schnelle Produktion, Prüfung, Reaktion, Messung, Modellierung und Verarbeitung zu realisieren. Die vier Arbeitsgänge sind in das 4M-System integriert, um Informationen auszutauschen und die Integration von Messung, Modellierung, Bearbeitung, Aufspannung und Betrieb zu erleichtern.

Hybridisierung der CNC-Fertigung mit additiven Technologien

Die subtraktive CNC-Bearbeitung und der additive 3D-Druck sind zwei unterschiedliche Verfahren. Die CNC-Maschine trägt Material vom Werkstück ab. Beim 3D-Druck werden dreidimensionale Objekte Schicht für Schicht aufgebaut. Auch mit umgekehrten Funktionsprinzipien lassen sich die beiden Verfahren effektiv kombinieren. Viele Maschinenbauer haben die „hybride Fertigung” eingeführt, bei der CNC-Fräsen und -Drehen mit inkrementellen Fertigungsverfahren kombiniert werden. Immer mehr Unternehmen überlegen, wie sie CNC-Maschinen und 3D-Drucker kombinieren können, um Projekte zu beschleunigen. Mit CNC-Maschinen können Toleranzen von weniger als 0,01 mm erreicht werden, was sie ideal für Anwendungen macht, bei denen es auf Präzision ankommt. 3D-Drucker sind jedoch bis auf 0,1 mm genau, was einer der Gründe ist, warum die inkrementelle Fertigung beim Prototyping weit verbreitet ist. Prototypen können mit einem 3D-Drucker gedruckt werden. Anschließend kann eine CNC-Maschine das Produkt fertigstellen. 

Produktion auf Abruf und sofortige Preisgestaltung

Es haben sich Fertigungsstrategien entwickelt, die als „On-Demand-Fertigung” oder „Cloud-Fertigung” bekannt sind. Das Coronavirus, der Krieg in der Ukraine und die Lieferprobleme mit China haben diese Entwicklung noch beschleunigt. Der Begriff „On-Demand-Fertigung” beschreibt eine Produktionsmethode, bei der Produkte genau dann hergestellt werden, wenn sie benötigt werden, und zwar in der gewünschten Menge. Im Gegensatz dazu erfordert die traditionelle Fertigung teure eigene Produktionsmaschinen, die Massenproduktion von Waren oder die Abhängigkeit von lokalen Produktionspartnern. Die bedarfsorientierte Fertigung verringert die Kapitalinvestitionen, erhöht die Liefergeschwindigkeit und verbessert die Ausfallsicherheit.

Mehrere andere Faktoren, wie z. B. die geringeren Kosten für CNC-gefräste Teile und die schnelle Bestellung über eine Software für Sofortangebote, haben zur breiten Akzeptanz der Fertigung auf Abruf beigetragen. Maßgeschneiderte Gehäuse sind für Unternehmen jeder Größe zuverlässig. Verbraucher, Unternehmen und die Umwelt können alle von dem Programm profitieren. Hier sind drei wichtige Vorteile, die Unternehmen aus der bedarfsgesteuerten Fertigung ziehen können:

  • geringere Produktionskosten
  • flexible Arbeitsabläufe dank schnellerer Beschaffung und größerer Verfügbarkeit verschiedener Produktionstechnologien
  • einfacher Zugang zu globalen Produktionsressourcen

Verbesserung der CNC-Bearbeitung mit digitalen Zwillingen

Digitale Zwillinge werden eingesetzt, um ein tieferes Verständnis für die Funktionsweise von Geräten und Prozessen zu gewinnen. In den meisten Fällen ist ein digitaler Zwilling eine exakte Kopie seines physischen Gegenstücks. Außerdem zeigen Simulationen oft nur ein Merkmal, während digitale Zwillinge umfassender sind. Sie können gleichzeitig Informationen über viele verschiedene Prozesse liefern. Digitale Zwillinge in der CNC-Fertigung können in der Prozessplanung, der Bearbeitung, dem Modellbau und in Feedback-Schleifen eingesetzt werden. Basierend auf verschiedenen Eingabeparametern wie Vorschub, Werkzeugmaterial und Spannkraft können Sie ein Modell zur Vorhersage der Oberflächenrauheit mit Hilfe von Support-Vektor-Maschinen implementieren, Werkzeugwege erzeugen, Experimente durchführen und die Ergebnisse in Ihr Modell einspeisen (SVM), Gauß-Verfahren (GPR) und vollständig verbundene tiefe neuronale Netze (FCDNN). Digitale Zwillingstechnologien verbessern die Entscheidungsfähigkeit von Prozessplanern und Maschinenbedienern bei der Steuerung von Bearbeitungsparametern während der Prozessplanung und der Bearbeitung.

Höhere Investitionen in die Automatisierung

Die Automatisierung beeinflusst auch den CNC-Bearbeitungsprozess in vielerlei Hinsicht. Ihre Bedeutung hat in den letzten Jahren zugenommen, und dieser Trend wird sich auch in Zukunft fortsetzen. Die Automatisierung hingegen konzentriert sich auf die individuelle Bearbeitung. Ein Beispiel: Die Zusammenarbeit zwischen Mitsubishi und AIST hat zur Entwicklung von CNC-Maschinenlösungen geführt, die künstliche Intelligenz und automatisierte Prozesse integrieren. Dabei handelt es sich um eine Fehlerkorrekturmethode, bei der künstliche Intelligenz eingesetzt wird, um die Differenz zwischen der aktuellen Position einer CNC-Werkzeugmaschine und ihrem Sollwert zu schätzen. Die Testergebnisse zeigen, dass die Strategie im Vergleich zu einer Lösung ohne künstliche Intelligenz eine um 51 % höhere Genauigkeit erzielt. Die Technologie kann auch während der dynamischen Bearbeitung verbessert werden, was Zeit spart und gleichzeitig eine hohe Qualität gewährleistet. Der Trend geht dahin, die gesamte Fabrik zu automatisieren. Die Vorteile liegen auf der Hand: Einsparung von Arbeitskosten, höhere Produktivität und Konsistenz. Angefangen mit kameragesteuerten Robotern zum automatischen Be- und Entladen von CNC-Maschinen, werden die Fabriken zusätzliche Arbeitsstationen zum Markieren, Messen und Verpacken einrichten, um die Vorteile der autonomen Fabriken zu nutzen. Bei der Entwicklung einer automatisierten Fabrik müssen mehrere Fragen gestellt werden: 

  • Ist der derzeitige Teilemix für eine automatisierte Produktion geeignet?
  • Gibt es geeignete Maschinenfunktionen, Werkzeuge und Steuerungssysteme, die es den Betrieben ermöglichen, ohne Beleuchtung zu arbeiten?
  • Wie werden automatisierungsfreundliche, flexible Werkzeuge und Werkstückträger erreicht?
  • Wie wird die Fernüberwachung, -wartung und -fehlerbehebung gewährleistet?
  • Wie lassen sich Fehler wie Maschinenstillstand, Werkzeugausfall oder Softwarefehler automatisch erkennen?

Eine gut umgesetzte Bearbeitungswerkstatt hat ein großes Potenzial, die Art und Weise der Bearbeitung zu revolutionieren, aber die Werkstätten müssen bereit sein, zu investieren und ihre Prozesse zu verbessern. Natürlich eignet sich dieser hohe Automatisierungsgrad nur für die Produktion großer, sich wiederholender Teile, nicht aber für das Prototyping und die Kleinserienfertigung, die menschliche Optimierung, Kreativität und Praxisnähe erfordern.

Entwicklung von ökologisch nachhaltigen Lösungen

CNC-Hersteller müssen damit beginnen, den Kohlenstoff-Fußabdruck ihrer Fertigungsprozesse und Lieferketten zu verfolgen und zu reduzieren, um die wachsende Kundennachfrage nach umweltfreundlicheren Produkten zu erfüllen. Neue oder verstärkte Anstrengungen zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen durch CNC-Bearbeitungsdienstleistungen werden weiterhin die Nachfrage der Verbraucher, die Unterstützung der Unternehmensverantwortung und die Vorschriften der Regierungsbehörden erfüllen. Fertigungsunternehmen müssen besser verfügbare Produktions- und Lieferdatenketten nutzen, um den CO2-Fußabdruck ihrer Produkte genauer zu bewerten und neue Wege zu finden, ihre Produkte umweltfreundlicher zu produzieren und zu versenden.
 

Entwicklung der Fertigung als Dienstleistung

MaaS (Manufacturing as a Service) hat erst kürzlich Einzug in die CNC-Bearbeitungsindustrie gehalten. Es ist jedoch davon auszugehen, dass sie mit der Zeit an Popularität gewinnen wird. Kurz gesagt: MaaS nutzt Netzressourcen für die Fertigung und stellt sie über digitale Schnittstellen zur Verfügung. MaaS kann Unternehmen mehr Flexibilität, höhere Produktivität, größere Agilität und Kosteneinsparungen mit weniger Aufwand bieten. Angesichts der anhaltenden Auswirkungen der Pandemie ist es sicher, dass Unternehmen mit knappen Budgets, die ihre Ausgaben senken wollen, zumindest die Idee des Outsourcings von CNC-basierten MaaS-Dienstleistungen in Betracht ziehen werden, da dies dazu beiträgt, Material zu sparen und die Leistung jeder Fräsmaschine zu verbessern.