CNC: Fräsen und Lasercutter

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1 CNC: Fräsen und Lasercutter "Der Hammer ist zwar ein primitives Werkzeug der Computer würde aber unterliegen." (Georg Skrypzak (*1946): Diesseits und jenseits von Kalau, o.j., entnommen von aphorismen.de)

2 CNC-Fräsen und -Lasercutter Übersicht 1. CNC Entwicklung Schnittstellen 2. Fräsen Grundlagen CNC-Kombinationen Anwendungsgebiete 3. Lasercutting Funktionsweise Abb.1: KOSY3 Lowcost-Fräse für (emc GmbH, 2009, S.1) Anwendung CNC: Fräsen und Lasercutter Ralf Jäger 2

3 CNC Entwicklung Ursprünge in der Holzverarbeitung (Heine, 2005, S. 14) Werkstoffeigenschaften von Holz: Leichte Verarbeitung Hohe Stabilität Hohe Flexibilität Natürliche Ästhetik Oft leichter als Wasser Brennbar Nützlich für Alltagsgegenstände und kulturelle/künstlerische Objekte Primitive Holzerzeugnisse (Köthe, 2003, S. 27) Für damalige Verhältnisse schier unerschöpflich Begehrtes Handels- und Handwerksgut in Antike CNC: Fräsen und Lasercutter Ralf Jäger 3

4 CNC Entwicklung Entwicklung von Verarbeitungswerkzeugen (Heine, 2005, S ) Bereits vor Jahren Bäumefällen, Holzspaltung und gezielte Spanung durch Feuersteinwerkzeuge Äxte, Beile, Messer usw. Fortschritt zur Metallverarbeitung (Kupfer, Zinn, Bronze, Eisen) Verfeinerung in der Fertigung, Stahlerzeugung Aufkommen des Schreinereihandwerks (Heine, 2005, S. 22) Zentralisierte Werkstattarbeit Zahlreiche, z.t. ortsgebundene Hilfswerkzeuge Ganzjährige, mehrschrittige Produktionslinie Beginnende Mechanisierung CNC: Fräsen und Lasercutter Ralf Jäger 4

5 CNC Entwicklung Mechanisierung (Zäpfel, 2000, S. 107): Unter Mechanisierung wollen wir das Ersetzen der Arbeit des Menschen in ihrer hauptsächlich energetischen und ausführenden Funktion durch technische Mittel verstehen. Die lenkenden (steuernden, regelnden, messenden, kontrollierenden sowie den Prozeß vorbereitenden und abschließenden) Verrichtungen verbleiben beim Menschen. Fortschritt zur Industrialisierung (Butschek, 2006, S. 115f) Moderne Antriebstechnologie (Dampfmaschine) Optimierung des Produktionsablaufs (Fabriken) Großräumige logistische Verbesserung (Eisenbahnnetz) Innovatorischer Drang von "technisch interessierten Amateuren" Abb.2: Eisenwalzwerk von Menzel CNC: Fräsen und Lasercutter Ralf Jäger 5

6 CNC Entwicklung Automatisierung (Zäpfel, 2000, S. 107): Automatisieren heißt Ersetzen der Arbeit des Menschen sowohl bei energetischen und ausführenden als auch mehr oder weniger vollständig bei den lenkenden Verrichtungen durch technische Mittel. Wegfallender "Kontrollzwang" des Ablaufs durch Menschen Unterschiedliche Deutungen der Relation zur Mechanisierung Entwicklungsprozess zur CNC (Kief et al., 2007, S. 31) Modell von Automaten mit verschiedenen Steuerungstechnologien: Kurvenscheiben / Nockenleisten Nachformsteuerungen Strichkantensteuerung Repetiersteuerung CNC CNC: Fräsen und Lasercutter Ralf Jäger 6

7 CNC Schnittstelle Mensch Handgeschriebene Programmierung (Smid, 2003, S. 32) Lange Zeit Standard Berechnungen "per Hand" Vorteile: Steile Lernkurve Keine "Magie" Sehr gute Basis für CAD/CAM Nachteile: Zeitraubend Fehleranfällig Unflexibel Abb.3: CNC Programm CNC: Fräsen und Lasercutter Ralf Jäger 7

8 CNC Schnittstelle Mensch Steuerkonsole (Smid, 2003, S ) Bildschirm Aktive Programme Werkzeugposition Statusanzeigen Bahnvisualisierung Tastatur Eingabe Kontrolle Hilfe Fanuc Steuerkonsole (Smid, 2003, S. 19) CNC: Fräsen und Lasercutter Ralf Jäger 8

9 CNC Schnittstelle Mensch Steuerpult (Smid, 2003, S. 20f) Maschinenstatus Allgemeiner Status Fehlerstatus Notsteuerungen Komplettabschaltung Spindelabschaltung Editierkontrolle Manuelle Ansteuerung Drehzahljustierung Achsenansteuerung Achsengeschwindigkeit Typisches Steuerpult einer CNC-Maschine (Smid, 2003, S. 20) CNC: Fräsen und Lasercutter Ralf Jäger 9

10 CNC Schnittstelle vom Menschen CAD Computer Aided Design (Strietzel, 2007, S. 12) Planung am Bildschirm eines PC Spezialisierte 3D-Software Vortrag CAM Computer Aided Manufacturing (Elanchezhian et al., 2008, S. 3-8) Automatisierte Herstellung "CAD-Compiler" Schnittstelle zur CNC-Maschine Zusammenspiel CAD/CAM (Elanchezhian et al., 2008, S. 9) CNC: Fräsen und Lasercutter Ralf Jäger 10

11 CNC Schnittstelle zur Hardware Verwaltungselektronik Arbeitsunterteilung Man Machine Control Numerical Control Kernel Programmable Logic Control Verschmelzung Software und Mechanik Schrittmotorsteuerung (Smid, 2003, S. 3) Mechanik Servomotoren (Suh, 2008, S. 8-10) Ansteuerung durch geschl. Regelkreis Schnelle Reaktion, Hohes Drehmoment Sehr gute Skalierbarkeit Robustheit Servomotor Schema (Suh, 2008, S. 8) CNC: Fräsen und Lasercutter Ralf Jäger 11

12 CNC Schnittstelle Maschine CNC-Maschine Übersicht Verwaltung durch PLC Modell aus CAD Übersetzung aus CAM Auswertung in NCK Steuersignale von NCK Fertigung durch Werkzeug Feedbackmechanismen CNC Übersicht (Suh, 2008, S. 21) CNC: Fräsen und Lasercutter Ralf Jäger 12

13 Fräsen Grundlagen Definition Zerspanprozess (Schönherr, 2002, S. 9): Auf Grund der Relativbewegung des Werkzeugs im Werkstück wird der Stoffzusammenhalt örtlich aufgehoben, wodurch Werkstückpartikel abgetrennt werden, die als sogenannter Span über die Spanfläche gleiten. Dieser Vorgang wird als Zerspanprozess bezeichnet. Beanspruchung auf Spanstellen (Schönherr, 2002, S ): Mechanisch (Kräfte, Widerstände) Thermisch (durch Druck, Reibung) Chemisch (Oxidation, Diffusion,...) Verschiedenste Schneidstoffe (Schönherr, 2002, S ) Metalle Keramiken Kristalline CNC: Fräsen und Lasercutter Ralf Jäger 13

14 Fräsen Grundlagen Spanende Tätigkeiten nach Häufigkeit: 1. Bohren 2. Drehen 3. Fräsen Grundlegende Eigenschaften des Fräsens: Spanendes Fertigungsverfahren Durch Rotation Meist mehrere Klingen Mit Schubeinwirkung (Schönherr, 2002, S. 225) Zerspanungsprozess (Schönherr, 2002, S. 9) CNC: Fräsen und Lasercutter Ralf Jäger 14

15 Fräsen Grundlagen Rotationsmöglichkeiten: Gleichlauf (vgl. Freistilschwimmen) Gegenlauf (umgekehrte Rotationsbewegung) Fräsverfahren: Planfräsen (Ebenen) Abb.4: Gleichlauffräsen Rundfräsen (Drehung des Werkstücks) Schraubfräsen (Gewinde) Wälzfräsen / Profilfräsen (Verzahnungen) Formfräsen (durch "Schablone") (Schönherr, 2002, S. 226ff) Abb.5: Gegenlauffräsen CNC: Fräsen und Lasercutter Ralf Jäger 15

16 Fräsen CNC-Kombinationen 2D / 2,5D Fräse (Kief et al., 2007, S. 112f) Limitierte Formgebung (schräge Konturen aufwendig) Horizontale Spindel (Ständerbauweise) Vertikale Spindel (Gantry- / PortalMaschinen) Abb.6: Werkstücke nach 2D-Fräsung 3-5-achsige Bahnsteuerung Räumliche Interpolation in allen Achsen Programmierung massiv Rechnergestützt Abb.7: Werkstück nach 2,5D-Fräsung CNC: Fräsen und Lasercutter Ralf Jäger 16

17 Fräsen CNC-Kombinationen 3D Fräse (Kief et al., 2007, S. 113) Werkzeugspitze an beliebiger Stelle in beliebiger Bahn in beliebigen Winkeln Verschiedene Techniken zur Positionierung: Zweifache Schwenkung des Werkstücks Zweifache Schwenkung des Werkzeugs Jeweils eine Schwenkung Komplexere Strukturen Bessere Ausnutzung der Fräskopfleistung Abb.8: 3D Fräse mit Drehtisch CNC: Fräsen und Lasercutter Ralf Jäger 17

18 Fräsen Anwendungsgebiete Industrie Verschleißarme Ersatzteile "aus einem Stück" Kurbelwelle Automobil-Industrie Impeller Flugzeugtechnik Wiederverwendbare Schablonen und Musterdrucke (Master) Reifenprofile Automobil-Industrie Gussformen / Stempel / Gravuren Medizin Zahnmedizin Orthopädie (ab 1:30min) Kunst / Kultur / Wohnen Abb.9: Werkstück nach 3D Fräsung Büste CNC: Fräsen und Lasercutter Ralf Jäger 18

19 Lasercutting Funktionsweise Begriffsklärung (Kneubühl et al., 2008, S. 11f) "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" Ozsillator und Verstärker monochromatischen Lichts (infrarot bzw. ultraviolett) Vergleichsweise hohe Leistung mit geringen Verlusten Grundprinzip Laser (Graf, 2009, S. 1) Meist enge Bündelung, hohe Genauigkeit Prinzip (Kneubühl et al., 2008, S. 41f) Strahlenquelle und Rückkopplungsmechanismus Abb.10: Ausnutzung der Lasergenauigkeit Feedback durch optische Resonatoren CNC: Fräsen und Lasercutter Ralf Jäger (Spiegel) 19

20 Lasercutting Funktionsweise Cutting (Caristan, 2003, S. 19) Nur Bruchteil der Laserenergie für Schnitte Reflektion auf Werkstück Wärmeabsorption im Werkstück Energieabsorption um den Strahlungspunkt Verdampfung Schmelzung Ablauf des flüssigen Metalls Laser Schwenkarm (Masuda, 1991, S. 3) Aufbau Resonator (Lasererzeugung) CNC (Maschinensteuerung) Leitsystem Lasercutter Aufbau (Caristan, 2003, S. 50) CNC: Fräsen und Lasercutter Ralf Jäger 20

21 Lasercutting Anwendung Vorteile Wenig Wartungsaufwand Sehr präzise Materialsparend Umweltschonend Flexibel Vergleich Schnittqualität Laser (rechts) mit Stanzern (Caristan, 2003, S. 6) Nachteile Relativ hohe Energieverluste beim Schneiden Keine Chance bei zu dicken Materialien Für "wirkliche" 3D Produkte (noch) keine Option (Caristan, 2003, S. 5-7) CNC: Fräsen und Lasercutter Ralf Jäger 21

22 CNC: Fräsen und Lasercutter Ausblick Mögliche Fragestellungen: "Könnte sich subtraktives Rapid Prototyping zum lohnenswerten Ersatzteile-on-demand Service entwickeln?" "Stellt der Laser eine zukünftige Alternative zu allen 'traditionellen' Fertigungsverfahren dar und wie müsste man ihn modifizieren?" "Sind additive Verfahren überhaupt eine konkurrenzfähige Alternative zu den subtraktiven 3D-Herstellungsmethoden?" "Wie könnten zukünftige subtraktive Verfahren aussehen?" "Gibt es einen Retro-Trend zur Fertigung in einem Stück und wo könnten die Gründe liegen?" "[..] a sharp tongue is the only edged tool that grows keener with constant use." (Irving, 2009, S. 17) CNC: Fräsen und Lasercutter Ralf Jäger 22

23 CNC: Fräsen und Lasercutter Literatur Butschek, F. (2006). Industrialisierung. Ursachen Verlauf Konsequenzen, UTB (Band 8338), Wien, Köln, Weimar: Böhlau. Caristan, C. (2003). Laser Cutting Guide for Manufacturing: Society of Manufacturing Engineers. Elanchezhian, C.; Selwyn, S. T. und Sundar, S. (2008). Computer Aided Manufacturing: Laxmi Publications. (2009). Price List KOSY3. URL: [Zuletzt geprüft am ]. Graf, T. (2009). Laser. Grundlagen der Laserstrahlquellen;mit 20 Übungen, 1. Aufl., Wiesbaden: Vieweg + Teubner. Heine, G. (2005). Das Werkzeug des Schreiners und Drechslers, Hannover: Vincentz Network. Hood-Daniel, P. und Kelly, J. (2009). Build Your Own CNC Machine: APress. Irving, W. (2009). Rip Van Winkle: Digital Scanning,US. Kief, H. B. und Roschiwal, H. A. (2007). NC / CNC Handbuch 2007 / CNC, DNC, CAD, CAM, CIM, FFS, SPS, RPD, LAN, NCMachinen, NC-Roboter, Antriebe, Simulation, Fach- und Stichwortverzeichnis: Hanser Verlag. Kneubühl, F. K. und Sigrist, M. W. (2008). Laser, Studium, Wiesbaden: Vieweg + Teubner. Köthe, R. und Hennig, J. (Hrsg.) (2003). Der Urmensch, Was ist was (Band 9), Nürnberg: Tessloff. Masuda, T. ( ). Attitude control system for CNC laser beam machining apparatus, An attitude control system for controlling the attitude of a nozzle of a CNC laser beam machining apparatus with respect to a workpiece surface being three-dimensionally machined thereby. Mattson, M. (2009). CNC Programming: Principles and Applications. Principles and Applications: Cengage Learning, Inc. Mayer, J. ( ). Laser beam position control apparatus for a CNC laser equipped machine tool, A laser beam position control apparatus for a laser equipped machine tool. Misawa, H. (Hrsg.) (2006). 3D laser microfabrication. Principles and applications, Weinheim: Wiley-VCH. Schönherr, H. (2002). Spanende Fertigung, München, Wien: Oldenbourg. Simon, C. (2002). PC gesteuerte 3D-CNC Fräsmaschine im Eigenbau. URL: [Zuletzt geprüft am ]. Smid, P. (2003). CNC programming handbook. a comprehensive guide to practical CNC programming, New York: Industrial Press Inc. Strietzel, R. (2007). CAD-, CAM-Systeme in Labor und Praxis, München: Verl. Neuer Merkur. Suh, S.-h. (2008, 2008). Theory and design of CNC systems, Springer series in advanced manufacturing, London: Springer. Tschanz, H. P. (2003). CAD-Sitzschalenmodellierung und CNC-Frästechnik. URL: [Zuletzt geprüft am ]. Zäpfel, G. (2000). Taktisches Produktions-Management, Internationale Standardlehrbücher der Wirtschafts- und Sozialwissenschaften, München u.a.: Oldenbourg. CNC: Fräsen und Lasercutter Ralf Jäger 23

24 CNC: Fräsen und Lasercutter Abbildungen 0. Titelbild 1. KOSY3 Lowcost-Fräse für Eisenwalzwerk von Menzel 3. CNC Programm 4. Gleichlauffräsen 5. Gegenlauffräsen 6. Werkstücke nach 2D-Fräsung 7. Werkstück nach 2,5D-Fräsung 8. 3D Fräse mit Drehtisch 9. Werkstück nach 3D Fräsung Büste 10. Ausnutzung der Lasergenauigkeit Alle Links zuletzt geprüft am CNC: Fräsen und Lasercutter Ralf Jäger 24

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