CAM – Computer-aided Manufacturing


Inhaltsverzeichnis

  1. Wofür steht der Begriff CAM?
  2. CAM – Anwendungsgebiete & Anwendungsfälle
  3. Was ist der Unterschied zwischen CAD und CAM?
  4. Wie arbeiten CAD und CAM zusammen?
  5. FAQ zum Thema CAM

Wofür steht der Begriff CAM?

CAM (Computer-Aided Manufacturing) steht für die rechnergestützte Erstellung und Planung von Fertigungsprozessen. Wenn man sich dazu den Fräsprozess als Beispiel denkt, zählt zum CAM-Prozess die Definition von Werkzeugen, Spannmitteln und Nullpunkten. Außerdem werden hier Bearbeitungsstrategien und Arbeitsabläufe vorgegeben, die zu einem NC-Programm führen (NC = numerical control / numerisch gesteuert; unter einem NC-Programm versteht man ein Programm zur Steuerung einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine). Weiterhin können Fertigungsprozesse im CAM simuliert werden, um das generierte NC-Programm auf Fehler oder Kollisionen zu überprüfen. Dazu kann das Programm etwa ein 3D-Modell erstellen.

Definition und Erläuterungen

Computer-Aided Manufacturing (CAM) bezeichnet den Einsatz einer von der CNC-Maschine (Computerized Numerical Control) unabhängigen Software zur Generierung von NC-Code und ist Bestandteil der Fertigungs- oder Vorbereitungstechnik (in Unternehmen). Über den NC-Code können Sie unter anderem Schneidemaschinen oder 3D-Drucker steuern. Im Gegensatz zur Erstellung des NC-Codes in der Werkstatt (WOP) wird im CAM-System das NC-Programm bereits während der Arbeitsvorbereitung erstellt. CAM ist ein integraler Bestandteil der Computer Integrated Manufacturing (CIM).

Statt herkömmlicher Zeichnungen muss das NC-Programm für das zu erstellende Teil direkt aus den am Computer generierten CAD-Daten erstellt werden. Die notwendigen Anweisungen für die CNC-Maschine und die Instruktionen für den Bediener müssen nicht mehr ausgedruckt, sondern lediglich in elektronischer Form an die Produktion übermittelt werden. Neben der Bedienung der Maschine richtet sich die vorbereitende Unterstützung beispielsweise auf die Verwaltung und Bereitstellung von Roh- und Hilfsstoffen sowie Einzelteilen. Produktionsmitarbeiter erhalten Produktionspläne und Anweisungen direkt am System oder auf dem Bildschirm.

In CAM werden die Rohdaten für die Fertigung von Einzelteilen und die Montage von Baugruppen gesammelt, nach Arbeitsschritten sortiert und nach Abhängigkeiten verwaltet. Dazu gehören Schnittstellen, die beispielsweise Maß- und Material- und Stücklisten aus CAD-Systemen auslesen und zur Bearbeitung bereitstellen. Zusätzlich zu den bereits in Computern verfügbaren Funktionen werden zusätzliche Informationen eingegeben. Dies kann z. B. ein Abgleich von CAD-Zeichnungen und Stücklisten aus der Fertigungsplanung und -steuerung sein, sowie für die Fertigung notwendigen Daten wie Aufspannpläne, Werkzeugbedarf und Bearbeitungsreihenfolge.

Codes oder direkt von den Maschinen zu bearbeitende Materialanforderungen werden dann speziell in das System eingegeben und vom Bediener abgerufen. In diesem Bereich sind die Schnittstellen auch für die Maschinensteuerung oder das Lagersystem erforderlich. Nach Bearbeitung oder Abschluss von Produktionsschritten kann es notwendig sein, die verifizierten Ergebnisse weiterzuverarbeiten und durch zusätzliche Schnittstellen auf andere Prozesse in der computerintegrierten Fertigung zu übertragen. Zu den Aufgaben von CAM gehört neben der ordnungsgemäßen auftragsbezogenen Datenverarbeitung auch die Archivierung und Standardisierung.

CAM – Anwendungsgebiete & Anwendungsfälle

Zu den Vorteilen von CAM gehört ein klar definierter Fertigungsplan, der verwendet werden kann, um die erwarteten Produktionsergebnisse zu erzielen. CAM-Systeme können die Nutzung einer Vielzahl von Fertigungseinrichtungen optimieren, darunter Fünf-Achsen-, Hochgeschwindigkeits-, Multifunktions- und Drehmaschinen, Erodiermaschinen und KMG-Maschinen. CAM-Systeme helfen bei der Erstellung, Validierung und Optimierung von CNC-Programmen für höchstmögliche Bearbeitungsleistung und automatisieren die Generierung von Produktionsdokumentationen. Modernste CAM-Systeme mit integriertem Product Lifecycle Management (PLM) ermöglichen es dem Produktionsplanungs- und Fertigungspersonal, Daten und Prozesse zu verwalten, um sicherzustellen, dass die richtigen Daten und Standardressourcen verwendet werden. Zur Übertragung und Verwaltung von Dateien auf CNC-Maschinen können in der Werkstatt CAM- und PLM-Systeme in DNC-Systeme (engl.: Distributed Numerical Control; Einbettung von CNC-Maschinen in LAN oder WLAN) integriert werden.

Anwendungsfälle von CAM-Systemen

Beispiel 1

Ein führendes Unternehmen für Kolben und Kolbenstangen für Kraftsport und Motorsport nutzt Application Programming Interfaces (APIs) und eine integrierte CAD- und CAM-Lösung zur vollständigen Automatisierung des Designs und der Programmierung von Produktdetails. Wenn eine Bestellung eingeht, geben Vertriebstechniker die Spezifikationen in eine Benutzeroberfläche ein, die mit den APIs erstellt wurde. Nach Eingabe der Modellspezifikationen generiert die Software automatisch das Analysemodell und die Werkzeugwege für das Teil und nach einer kurzen Vorschau kann die Produktion beginnen. Dieser integrierte, automatisierte Ansatz reduziert die Gesamtdurchlaufzeiten um 85 Prozent. Dies wird erreicht, indem die Konstruktionszeit um 95 Prozent, die CNC-Programmierzeit um 75 Prozent und der Ausschuss und die Nacharbeit um 20 Prozent reduziert werden.

Beispiel 2

Anstatt herkömmlicher Abformmaterialien zu verwenden, erstellt ein Zahnarzt ein digitales Modell Ihrer Zähne. Eine spezielle kleine Kamera scannt Ihren Kiefer, die Zähne und vor allem die betroffenen Zähne und erstellt ein dreidimensionales Bild am Computer. Benötigen Sie etwa eine gefräste Krone oder Brücke, kann der präparierte Zahn mit der Kamera detailliert dargestellt werden, was mit dem Abformmaterial nicht immer möglich ist. Die Software kann auch verwendet werden, um Ungenauigkeiten zu korrigieren. Dies ist notwendig für den passgenauen Sitz Ihres computergeplanten Zahnersatzes. Anschließend wird die gewünschte Krone oder Brücke konstruiert, bearbeitet und mit einer speziellen Software exakt an das Mundmilieu angepasst.

Im Fall der Krone oder Brücke als Zahnersatz ist der CAD-Prozess dem CAM vorgelagert (CAD/CAM). CAD hat sich stark verbreitet, weil es die Planungsprozesse stark vereinfacht und Sie für verschiedene Modifikationen nur wenige Klicks benötigen. In der Zahnheilkunde ist der Prozess so, dass der für die Planung zuständige Zahntechniker mit einem 3D-Scanner und einer Software ein 3D-Modell des Gipsmodells des Patienten fertigstellt. Anschließend erstellt eine Computer-Planungssoftware eine digitale Version der gewünschten Prothese.

Basierend auf den eingegebenen Parametern wird der gesamte Planungsprozess von der Software unterstützt und die Software stellt auch sicher, dass die geplante Prothese die passenden Eigenschaften hat. Der erstellte 3D-Plan wird von einem Zahntechniker mit einer CNC-Fräsmaschine bearbeitet. Die computergesteuerte programmierbare Fräsmaschine ermöglicht digitales Design mit einzigartiger Präzision. Der Patient kann sich auf das Endergebnis verlassen, das mit einer Genauigkeit von mehreren Mikrometern erzielt wird (im Gegensatz zu herkömmlichen Prothesen, deren Genauigkeit nur 70–80 Mikrometer beträgt).

Was ist der Unterschied zwischen CAD und CAM?

CAD konzentriert sich auf die Konstruktion eines Produkts oder Fertigungsteils, CAM organisiert die Arbeitsabläufe. Der Start eines jeden Konstruktionsprozesses fängt in der CAD-Welt an. Ingenieure fertigen entweder eine 2D- oder 3D-Zeichnung an, sei es die Kurbelwelle eines Autos oder der Innenrahmen einer Küchenarmatur. Im CAD wird jede Konstruktion als Modell angesehen und enthält gewisse physikalische Eigenschaften, die vom CAM-System verwendet werden.

Ein weiterer Vorteil ist die allgemeine Benutzererfahrung. CAD eignet sich besonders für Teile mittlerer bis hoher Komplexität, wie zum Beispiel 3D-Freiformflächen. Das Einsatzgebiet ist hauptsächlich die Herstellung von Einzel- und Kleinserienprodukten, wie z. B. bei der Produktion von Modellen, Formen und Werkzeugen. CAD-Technologie hat sich in der Bau- und Zeichnungsbranche bewährt. Viele Produktmodelle (Zeichnungen) werden per CAD erstellt. Nur bei einigen wenigen werden die erzeugten Daten allerdings direkt in ein NC-Programm integriert. Für die unterschiedlichsten Anwendungen wie Maschinenbau, Architektur, Elektronik- und Leiterplattendesign und mehr stehen verschiedenste CAD-Systeme zur Verfügung.

Beim Computer-Aided Design (CAD) wird eine rudimentäre Produktidee mithilfe von Computern in ein detailliertes Bauprojekt umgesetzt. Dies beinhaltet die Erstellung von geometrischen Produktmodellen, die manipuliert, analysiert und verfeinert werden können. Auf der anderen Seite beinhaltet die computergestützte Fertigung (CAM) den Einsatz von Computern, um Managern, Verfahrensingenieuren und Produktionsmitarbeitern dabei zu helfen, Produktionsaufgaben zu automatisieren und Maschinen und Systeme zu verwalten.

CAD umfasst Prozesse wie geometrische Modelldefinition, Übersetzung der Schnittstelle, Definition, Design- und Analysealgorithmus, Detaillierung, Design und Enddokumentation. Im Gegensatz dazu umfasst CAM Prozesse wie numerische Steuerungsprogramme, geometrische Modellierung, Schnittstellenalgorithmen, Prozessplanung, Steuerung, Montage und Verpackung.

Ein CAM-System erfordert die Kontrolle und Koordination eines physischen Prozesses, Ausrüstung, Materialien und Arbeit, während CAD ein Konzept und eine Analyse des Produktdesigns erfordert.

CAD-Vorteile:

  • Skalierung und Skalierungsänderungen in Zeichnungen und Modellen sind einfacher, automatischer und genauer
  • Minimiert die Notwendigkeit einer großen Anzahl teurer Zeichner für die Produktentwicklung
  • Damit können direkt Schnittdaten für CNC-Werkzeugmaschinen generiert werden
  • Konstruktionsdaten können an computergestützte Produktionssteuerungssysteme übertragen werden
  • Es ist einfacher, Modelle zu speichern und abzurufen
  • Mehrere Kopien können gespeichert, gedruckt und elektronisch übertragen werden, sodass keine großen Papierzeichnungen gespeichert werden müssen
  • Präzise 3D-Modelle können untersucht werden, bevor teure Materialien hergestellt werden
  • Dies erhöht die Produktionsgeschwindigkeit und erfordert weniger Arbeit

Vorteile von CAM:

  • Die Maschinen sind präzise und die Produktion kann in großen Chargen immer wieder wiederholt werden
  • Die Herstellung erfordert eine minimale Aufsicht, ist daher weniger arbeitsintensiv und arbeitssparend
  • Das Auftreten von Fehlern ist vernachlässigbar und die Maschinen können kontinuierlich laufen
  • Mithilfe der virtuellen Bearbeitung können Abläufe und Bearbeitungsergebnisse am Bildschirm ausgewertet werden
  • Prototypen können zügig für umfassende Kontrollen vorbereitet werden, bevor das Design endgültig serienreif ist

Wie arbeiten CAD und CAM zusammen?

Wenn die Struktur im CAD fertiggestellt ist, kann sie in das CAM-Programm importiert werden. Traditionell geschieht dies durch den Export einer CAD-Datei und den anschließenden Import in eine CAM-Software. Mit gewissen Tools koexistieren sowohl CAM als auch CAD in derselben Welt, sodass kein Export/Import erforderlich ist. 

Vorbereitung für die Verarbeitung

Nachdem das CAD-Modell in die CAM-Software importiert wurde, beginnt das Programm mit der Modellvorbereitung für die Verarbeitung. CNC-Verarbeitung ist der kontrollierte Arbeitsprozess der Umwandlung von Rohmaterialien in eine bestimmte Form durch Aktionen wie Bohren, Schneiden oder Fräsen. Die CAM-Software bereitet das Modell für die Verarbeitung vor, indem sie mehrere Schritte durchführt, darunter:

  • Überprüfung des Vorhandenseins von geometrischen Fehlern im Modell, die sich auf den Produktionsprozess auswirken
  • Erstellung eines Werkzeugwegs für das Modell, eines Koordinatensatzes, dem die Anlage während der Verarbeitung folgt
  • Einstellung aller erforderlichen Maschinenparameter wie Spannung, Schnittgeschwindigkeit, Schnitt-/ Stechhöhe usw.
  • Das CAM-System konfiguriert die beste Teilausrichtung, um die Effizienz der Bearbeitung zu maximieren

Transport der Daten an die verarbeitende Maschine

Wenn das Modell für die Verarbeitung bereit ist, werden alle Informationen an die Maschine gesendet, die das Teil physisch fertigt. Es können jedoch nicht einfach eine Reihe von Anweisungen an die CNC-Maschine übergeben werden. Um die Geräte in „Maschinensprache“ ansprechen zu können, werden die Verarbeitungsinformationen in eine Sprache namens G-Code konvertiert. Es handelt sich um eine Reihe von Anweisungen, die die Aktionen der Maschine steuern, einschließlich Vorschubgeschwindigkeit, Geschwindigkeit, Kühlmittel. G-Code ist leicht zu lesen, wenn man das Format versteht.

Ein wichtiger Bestandteil des CAM-Moduls ist der eingebaute Postprozessor (PP), der je nach verwendeter Maschine an Geometrie und Steuerungstechnik angepasst werden muss. Damit kann ein in CAM erstelltes NC-Programm identisch zu einer G-Code-Steuerung simuliert und mit entsprechender steuerungsspezifischer Syntax ausgegeben werden.

Die Vorteile der automatisierten Fertigung gegenüber WOP-Systemen dürften deutlich geworden sein. Doch CAM-Software leistet noch mehr: Durch eine hohe Vernetzung mit anderen Anwendungen werden Prozesse weiter optimiert. Die Anwendung kann direkt mit einem Werkzeugverwaltungssystem oder einem PPS-System kommunizieren, um insbesondere Sollwerte unmittelbar an ein Voreinstellgerät zur Messung zu übertragen. Diese Fähigkeiten führen zu einem verbesserten Daten- und Prozessmanagement und erleichtern die Erstellung von Produktionsdokumentationen.

Nachteile bei sequenziellen, nicht integrierten Konstruktionsansätzen

Um die potenziellen Vorteile einer integrierten CAD- / CAM-Plattform besser zu verstehen, ist es hilfreich, die Arbeitsabläufe eines traditionellen, sequenziellen, nicht integrierten Konstruktionsansatzes mit dem parallelen kollaborativen Arbeitsablauf einer integrierten CAD- / CAM-Plattform zu vergleichen. Jeder Ansatz wird sowohl für spritzgegossene als auch für maschinell bearbeitete Teile überprüft und detailliert beschrieben.

Bei der Verwendung von unvollständig integrierten CAD- und CAM-Systemen ist der Arbeitsablauf zwischen Konstruktion und Entwicklung eine linear sequenzielle Übertragung von Konstruktionsdaten mit den potenziellen Kosten und Verzögerungen, die durch spätere Änderungen im Entwicklungsprozess verursacht werden. Sobald eine Konstruktion für die Produktion freigegeben ist, müssen die Mitarbeiter die Daten importieren, umwandeln oder in eine Datei übertragen, mit der sie Werkzeugwege für die Bearbeitung von Teilen oder Formen programmieren können. Erschwernisse durch Strukturgeometrie, Materialkosten oder Herstellbarkeit müssen zur Lösung an den Konstrukteur zurückgesendet werden und der Prozess beginnt von vorne.

Probleme dieser Art bleiben bis zur Erstellung der Werkzeuge und Produktionsbeginn oft unbemerkt, was zu kostspieligem Ausschuss und Nacharbeit führt. Zudem erfordert die Lösung eines solchen Problems normalerweise zusätzliche lineare Variationen zwischen Design und Herstellung. Die hergestellten Lösungen werden manchmal eher aus Bequemlichkeit als aus Qualität gewählt, um weitere Änderungen und noch mehr Arbeitskosten zu vermeiden.

Für Formteile sind additionale lineare Schritte erforderlich, um einen Formprototyp, eine Formbasis und Formeinsätze zu erstellen. Auch hier erfordern nachfolgende Formverbesserungsoptionen wie Neigung, Füllung und Trennlinienprobleme viel zusätzliche Arbeit und mehrere Übertragungen zwischen Konstruktion und Fertigung. Noch disruptiver sind Design Changes oder Design Change Orders (ECOs), die sich aus dem Design eines Produkts ergeben, für das die Produktion neu gestartet werden muss. Ein nicht-integrierter Ansatz vom Design bis zur Produktion hat mehrere Nachteile, von denen der wichtigste das erhöhte Risiko von Ungenauigkeiten ist. Fehler können auftreten, wenn eine Datei konvertiert, übersetzt oder von einem Datenformat in ein anderes importiert werden muss.


FAQ zum Thema CAM

Was ist CAM?

Mit computergestützte Fertigung (CAM) ist der Einsatz von Computern zur Automatisierung von Produktionsaufgaben und  der Verwaltung von Maschinen und Systeme gemeint. CAM Prozesse umfassen numerische Steuerungsprogramme, geometrische Modellierung, Schnittstellenalgorithmen, Prozessplanung, Steuerung, Montage und Verpackung von Produkten. Durch CAM werden Arbeitsabläufe organisiert.

Wie hängen CAM und CAD zusammen?

Die Technologie hinter den Abkürzungen CAD und CAM gibt es seit 1965. Dies bedeutet Computer Aided Design und Computer Aided Manufacturing. Die Zusammenführung und Vernetzung dieser Bereiche und ihrer CAx-Techniken sind in letzter Zeit in den Vordergrund gerückt. In der Fertigungstechnik wurde die Entwicklung von CAx-Methoden gezielt für Aufgabenstellungen vorangetrieben, die heute in CAD und CAM eingeordnet werden können. Die erste Studie wurde Anfang der 1950er-Jahre am Massachusetts Institute of Technology (MIT) an numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen durchgeführt.

Welche technischen Bereiche sind für CAM von Bedeutung?

Drei technische Bereiche sind für die Entstehung eines neuen Produkts von grundlegender Bedeutung: Konstruktion, Berechnung und Fertigung. CAx-Methoden, wozu CAM gehört, werden in allen drei Bereichen eingesetzt. Das CAx-Konzept verfolgt zwei Ziele: Zum einen sollen die einzelnen Funktionsbereiche des Unternehmens stärker integriert werden. Zum anderen soll ein ständiger Datenfluss zwischen verschiedenen Unternehmensbereichen erfolgen.

Welche Probleme können bei CAM auftreten?

Die Probleme bei der Umsetzung des CAx-Konzepts beziehen sich auf folgende Bereiche: Kalkulation, Konstruktion und Produktion (CAM). Sie können sowohl auf Organisationsebene (wer hat Zugriff auf welche Daten?) als auch auf informationstechnischer Ebene auftreten (Datenbanken, Schnittstellen, HW, SW) und Erschwernisse verursachen.

Was ist der Ausgangspunkt für die CAM-Prozesskette

Ausgangspunkt für die CAD/CAM-Anbindung ist das interne computergestützte (3D) CAD-Modell. Dessen Fähigkeiten werden simuliert oder in einem Computer gespeichert. Für den Geometrieaustausch zwischen verschiedenen CAx-Tools stehen eine Vielzahl von Schnittstellen zur Verfügung. Die Computerprogrammierung CAD/CAM liegt direkt im Bereich der Erstellung von 3D-CAD-Geometrie. Oftmals können durch die Integration eines CNC-Programmiermoduls in ein CAD-System, die erzeugten CAD-Daten im gleichen Datenformat ohne Schnittstelle für die CNC-Programmierung verwendet werden.

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