CNC-Bearbeitung basiert auf computergesteuerten Werkzeugmaschinen, die ein Teil aus festem Material gemäß vorab definierten Eingaben herstellen. CNC-Maschinen fertigen weltweit Teile für fast jede Branche. Sie schaffen Werkstücke aus Kunststoffen, Metallen, Aluminium, Holz und vielen anderen harten Materialien. Das Wort „CNC“ steht für „Computer Numerical Control“. Alle automatisierten CNC-Maschinen verfügen über drei Hauptkomponenten: Eine Befehlsfunktion, ein Antriebs-/Bewegungssystem und ein Feedback-System. Die CNC-Bearbeitung ist die am weitesten verbreitete subtraktive Fertigungstechnologie. CNC eignet sich aufgrund seiner hohen Genauigkeit sowohl für Einzelanfertigungen als auch für kleine bis mittlere Serien. Im Vergleich zum 3D-Druck hat CNC jedoch aufgrund der subtraktiven Natur der Technologie mehr Designbeschränkungen. „Subtraktiv“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass mehr Abfälle/pro Werkstück anfallen und dass eine Skalierung auf Masse recht schnell kostspielig werden kann.

Wie sieht eine typische CNC-Konfiguration aus?

Eine CNC-Konfiguration umfasst sowohl den Computer (Controller) als auch ein physisches Setup. Ein typischer Werkstattprozess mittels einer CNC-Maschine sieht typischerweise folgendermaßen aus: Ein Planer erstellt die Konstruktion im CAD-Programm und sendet sie an einen CNC-Programmierer. Der Programmierer öffnet die Datei im CAM-Programm, um über die benötigten Werkzeuge zu entscheiden und das NC-Programm zu erstellen. Er sendet das NC-Programm an die CNC-Maschine und stellt einem Bediener eine Liste der richtigen Werkzeugeinrichtung zur Verfügung. Der Bediener belädt die Werkzeuge wie angewiesen und bereitet das Rohmaterial (oder Werkstück) vor. Er führt dann einen Probelauf aus und misst das erste Musterstück mit Qualitätssicherungswerkzeugen, um zu überprüfen, ob die CNC-Maschine Teile gemäß der Spezifikation herstellt. Sollte dem so sein, liegt eine programmatische Blaupause mit den entsprechenden Arbeitsanweisungen vor, um den Prozess beliebig oft zu wiederholen.

Kann man selbst eine CNC-Maschine bauen?

Hersteller von heute können fast jeden Prozess automatisieren, wenn sie genügend Zeit, Ressourcen und Vorstellungskraft haben. Rohmaterial kann in eine Maschine gehen und fertige Teile können fertig verpackt herauskommen. Hersteller sind auf eine breite Palette von CNC-Maschinen angewiesen, um Dinge schnell, genau und möglichst kostengünstig herzustellen. Programmatisch lassen sich CNC-Maschinen vielseitig konfigurieren. Limitierende Faktoren sind dabei im Wesentlichen nur das Bewegungsspektrum der Maschine sowie die Frage danach, welche Werkzeug-Module montiert werden können. Je „beweglicher“ eine CNC-Maschine ist und je vielfältiger die denkbaren Möglichkeiten zur Werkzeugaufnahme sind, um so flexibler fallen die programmatischen Realisierungsmöglichkeiten – und mit ihnen die denkbaren Verwendungszwecke – aus.

Woraus bestehen CNC-Maschinen im Wesentlichen?

Im Folgenden soll nun adressiert werden, aus welchen wesentlichen Komponenten sich eine CNC-Maschine zusammenstellt.

• Maschinenbett bzw. -gestell: Ein Maschinenbett trägt die gesamte Maschinenlast. Alle anderen Komponenten (und somit die komplette CNC-Maschine) sind darauf montiert. Typischerweise besteht das Maschinenbett aus hartem und schwerem Material wie Gusseisen. Dadurch soll die Steifigkeit, Standfestigkeit und Schwingungsarmut der gesamten Konstruktion durch einen ausgeprägt niedrigen Schwerpunkt gewährleistet werden.
• Führungen, Antriebsachsen, Drehteller etc.: Je umfassender ein Werkstück auf der Arbeitsfläche einer CNC-Maschine positioniert und bewegt werden kann, ohne dass dazu händisch eingegriffen werden muss, umso besser ist dies im Sinne der Automatisierung. Die drei Raumrichtungen (X, Y und Z) können bereits durch eine entsprechende Achsenkonfiguration sichergestellt werden. Ein Drehteller/Drehtisch kann dann noch die Rotation des Werkstücks gestatten und ein möglichst mobiler Kopf kann dabei das Werkstück von denkbar vielen Winkeln erreichen und bearbeiten.
• Servomotoren: Servomotoren sorgen für die benötigten Antriebsmomente, um das Werkstück sowie die beweglichen Komponenten der Maschine zu bewegen.
• Schalttafel: Das Bedienfeld wird verwendet, um das Programm für die am Werkstück durchzuführende Operation einzustellen und mit Daten zu füttern.
• Werkzeugrevolver: Eine Werkzeugaufnahme. Werkzeugrevolver variieren in ihren Formen und darin, welche Werkzeuge auf ihnen angebracht werden können.
• Speichermedium: Es braucht natürlich ein Speichermedium, auf dem das Programm für einen bestimmten Bearbeitungsvorgang gespeichert und ggf. bearbeitet werden kann.
• Mini-Computer: Dies ist die Hauptsteuereinheit von CNC-Maschinen.

Limitierende Faktoren für CNC-Maschinen

CNC bietet große Designfreiheit, aber nicht jede Geometrie bietet sich dafür an. Im Gegensatz zum 3D-Druck erhöht die Komplexität der Teile die Kosten, da mehr Fertigungsschritte erforderlich sind. Außerdem liegen Einschränkungen hinsichtlich der Geometrie des Schneidwerkzeugs vor. Zum Beispiel können die Innenkanten eines Schlitzes immer abgerundet sein, wenn sie mit einem Werkzeug mit einem zylindrischen Profil bearbeitet werden.

Der Werkzeug-Zugriff ist eine weitere Einschränkung bei CNC: Material kann nur in dem Maße entfernt werden, wie das Werkzeug die entsprechenden Bereiche erreichen kann. Die meisten CNC-Maschinen sind 3-Achs-Systeme. Daher muss jedes Merkmal so konzipiert sein, dass es direkt von oben zugänglich ist. 5-Achsen-CNC-Systeme bieten eine größere Flexibilität und ermöglichen die Erstellung komplizierterer Teile, da der Winkel zwischen dem Teil und dem Werkzeug angepasst werden kann, um Zugang zu schwer zugänglichen Bereichen zu erhalten. Dafür entfällt die Programmierung dann etwas aufwändiger, wenn man diese räumlichen Möglichkeiten voll nutzen möchte.

Teile mit dünnen Wandstärken oder anderen filigranen Merkmalen sind schwer CNC-maschinell zu bearbeiten. Dünne Wände sind anfällig für Vibrationen und laufen aufgrund der Schnittkräfte eher Gefahr, zu brechen. Kunststoffe sind im Allgemeinen schwieriger zu bearbeiten, da sie eine geringere Steifigkeit und Schmelztemperatur aufweisen. Ein häufiger Anwendungsfall von CNC-gefrästen Kunststoffteilen ist daher die Erstellung funktionaler Prototypen vor der Großserienproduktion und somit „lediglich“ experimentell. Die eigentliche Massenproduktion wird nach einem gelungenen Erstentwurf stattdessen typischerweise mit Spritzgießverfahren realisiert, bei denen ein CNC-gefertigter Rohling als Vorlage für die Schablone gilt.