CAM-Software 2022 – Der komplette Überblick

CAM-Software und CAM-Systeme Eigenschaften

CAD – CAM- Prozess

In einem ersten Schritt werden die Geometriedaten von CAD-Modell und Rohmaterial in der CAM Software zu einem Bearbeitungsmodell zusammengeführt. Hierdurch kann das durch die Bearbeitung abzunehmende Volumen bestimmt werden. Weiterhin ist eine geeignete Bearbeitungsstrategie sowie die dazugehörigen Parameter festzulegen. Je nach CAM-System sind verschiedene Routinen für Bearbeitungsstrategien hinterlegt. Das CAM-System berechnet daraufhin ein ent­sprechen­des NC-Programm. Der Nutzer hat die Möglichkeit die NC-Bahn manuell zu verändern und gewünschte Anpassungen vorzunehmen. Ein großer Vorteil ist die Visualisierung des Programms sowie Bereitstellung einer Simulation, wodurch Fehler einfach identifiziert werden können, bevor das Programm an den Postprozessor übergeben wird.

CAD – CAM – Prozesskette

1. Aufbereitung der Geometrie und Definition des Fertigungsmodells

   Zusammenführung von CAD-Modell und Materialdaten zu einem Bearbeitungsmodell. Darauf aufbauend kann das abzunehmende Volumen bestimmt werden.

2. Festlegung der Bearbeitungsschritte

   Entsprechend der Qualitätsvorgaben für das fertige Bauteil sind Arbeitsgänge, Abfolge und Werkzeugstrategie zu bestimmen.

3. Generierung des NC-Programms

   Berechnung eines NC-Programms durch das CAM-System.

4. Übersetzung des NC-Programms

   Die erzeugte Werkzeugbahn wird durch den Postprozessor in Steuerungsbefehle für die Maschinensteuerung übersetzt.

5. Überprüfung und Optimierung der Verfahrwege

   Durch Simulation der Verfahrwege in der CAM-Software können bereits Optimierungspotenziale aufgedeckt werden.

6. Fertigung und Dokumentation

   Sind alle Bearbeitungsparameter festgelegt, kann das Bauteil gefertigt werden.

Der Postprozessor übersetzt die generierte Fräsbahn in Steuerungsbefehle, die von der Maschinensteuerung verarbeitet werden können. Hierbei handelt es sich zum Teil um einfache Punktsteuerungsbefehle, was einen sehr umfangreichen NC-Code zur Folge haben kann. Im Ergebnis sollten die generierten NC-Daten sowohl wirtschaftliche als auch technologische Aspekte berücksichtigen.

Das bedeutet, eine kurze Bearbeitungszeit mit wenigen Arbeitsfolgen und ein geringer Werkzeugverschleiß ist anzustreben. Vielfach wird deshalb eine Kombination aus einem Schrupp- und einem Schlichtprozess angestrebt. Das bedeutet eine Vorbearbeitung mit Hilfe eines größeren Werkzeugs und Herausarbeitung der End­kontur mit einem kleineren Werkzeug, das in der Lage ist, die geforderten Radien am Werkstück zu erreichen.

Auswahlkriterien für CAM-Software

Integrationsniveau

In der Vergangenheit wurden CAM Software Pakete oftmals dahingehend eingeteilt, ob sie die gesamte CAD-CAM-Prozesskette oder nur Teilbereiche abdecken. In diesem Zusammenhang spielten die Begriffe vollintegrierte und teilintegrierte CAM Software eine Rolle. Nach wie vor gibt es in diesem Punkt Unterschiede und sowohl die Systemkompatibilität als auch der Funktionsumfang sollten im Hinblick auf die eigenen Bedürfnisse geprüft werden, um am Ende die Lösung mit dem besten Kosten-Nutzenverhältnis auswählen zu können.

Zwischenzeitlich sind aber die meisten Hersteller in der Lage entweder komplett aus dem eigenen Baukasten oder im Verbund mit zertifizierten Partnern ein umfängliches Lösungskonzept anbieten zu können.  

UX-Design und Usability

Wie auch in anderen Softwaremärkten unterscheiden sich die Lösungen nicht mehr nur primär durch den Funktionsumfang, sondern die Gestaltung der Bedienoberfläche (User Interface) und der Aufbau der einzelnen Workflows (Usability) ist mindestens ebenso wichtig. Werden alle relevanten Kriterien zusammen betrachtet spricht man auch vom UX-Design.

Aus folgenden Gründen sollte das UX-Design der CAM Software im Kauf- und Entscheidungsprozess unbedingt genauso gewichtet werden, wie der Funktionsumfang. Sollten eh nur gängige Standard-Features benötigt werden, ist sogar das Hauptaugenmerk auf diesen Bereich zu legen.

Bei Probetests im Vorfeld sollte also nicht nur auf den Fertigungsprozess und dessen Genauigkeit geachtet, sondern Nutzerakzeptanz und UX-Design ebenfalls bewertet werden.

Werkstück

Wie auch bei der Auswahl einer Werkzeugmaschine ist natürlich das zu bearbeitende Werkstück eine determinierende Größe, die einigen Fällen die Auswahl möglicher Lösungen extrem einschränken kann. Gerade bei Fertigungsoperationen im Randbereich im Hinblick auf Bauteilkomplexität, Bearbeitungsparameter oder Ausgangswerkstoff muss sichergestellt sein, dass diese Anforderungen im CAM System adäquat abgebildet werden.

Dies gilt insbesondere für Simulations- und Prognoseverfahren und die Kompensation des Werkzeugverschleißes.

Fertigungstechnologie

Das besten Bearbeitungsfunktionen im CAM System nutzen selbstverständlich nichts, wenn die eingesetzte Fertigungstechnologie, diese nicht abbilden kann. Die Auswahl einer CAM Software kann aber auch eine relevante Investitionsentscheidung darstellen. Darüber hinaus können sich durch die Einführung Effizienzpotenziale und sogar Wettbewerbsvorteile ergeben. Letzteres insbesondere wenn Bauteildesign und Qualitätsmerkmale im Sinne der Kunden optimiert werden können.

Deshalb sollten anspruchsvolle Lösungen nicht vorschnell von der Shortlist gestrichen werden, weil sie scheinbar nicht zur eingesetzten Maschinentechnologie passen. Durch neue Bereitstellungs- und Finanzierungsmodelle können in diesem Punkt mittlerweile flexibel Änderungen vorgenommen werden. Deshalb sollte unbedingt der gesamte Systemverbund mit einbezogen werden.

Schnittstellen und Integration in die bestehende Systemarchitektur

Neben der Hardwarekompatibilität ist die Einbindung in die Systemarchitektur in Bezug auf Datenaustausch und Synchronisierung zu beachten. Nichts ist schlimmer als eine redundante Datenspeicherung in unterschiedlichen Systemen, in die sich im Zeitverlauf sogar noch Abweichungen einschleichen. Nicht nur unter dem Gesichtspunkt der Datenintegrität ist dieses Szenario zu vermeiden, denn Prozesse können enorm ausgebremst werden, wenn Mitarbeiter den Systemdaten nicht vertrauen und beginnen diese manuell zu prüfen.

Nutzungsintensität

Wie oft und in welcher Intensität die angedachte CAM-Software genutzt wird, ist insbesondere für die Auswahl geeigneter Preis- und Lizenzmodelle relevant. Bei der Kosten-Nutzen-Betrachtung geht es, wie der Name schon sagt, nicht nur um den Nutzen.

Kosten sollten auch nicht überbewertet, denn in kaum einem Bereich kann man derart am falschen Ende sparen, wie bei der Auswahl von Unternehmenssoftware. Vor allem, wenn ein Systemwechsel aufwendig ist. Deshalb sollte die Kostenbetrachtung prinzipiell zu Schluss erfolgen. Dann kann es aber schon einen signifikanten Unterschied machen, ob das Preismodell des Anbieters entsprechend der eigenen Erfordernisse skaliert werden kann und sich nicht nur an Vielnutzer richtet.

Lizenzmodell und Supportprozesse

Das Preis- und Lizenzmodell des Anbieters sollte nicht nur an die eigene Nutzungsintensität angepasst werden, sondern auch Support-, Schulungs- und Installationspakete sollten flexibel anpassbar sein.

Gerade bei neuen Subskriptionsmodellen sollte nicht blind der Leistungsumfang verglichen werden. Denn wer kennt es nicht, dass Datenvolumen und beworbene Inklusivleistungen weit über dem eigenen Bedarf liegen und im besten Fall nur bei Leistungsspitzen benötigt werden.

Der Spitzenbedarf ist demzufolge nicht das primäre Auswahlkriterium, sondern es sind Lösungen gefragt, die eine temporäre Leistungsanpassung ermöglichen.

Funktionsumfang

Wie aus den vorangegangenen Punkten deutlich wurde, sollte die Auswahl von CAM Software nicht aus einem reinen Feature-Vergleich bestehen. Der Funktionsumfang ist so zu wählen, dass er den aktuellen und absehbaren zukünftigen Leistungsanforderungen entspricht. Während Erstere leicht in einer Anforderungsliste zusammengetragen werden können, sind Letztere nicht ganz so einfach zu erfassen.

Hier ist ein wesentliches Auswahlkriterium, wie schnell und agil der Softwarehersteller in der Vergangenheit mit sich verändernden Leistungsanforderungen umgegangen ist. Zu prüfen ist nicht nur, ob der Hersteller immer dicht am Puls der Zeit agiert hat, sondern auch wie die Themen Abwärtskompatibilität und Systemumstellungen gehandhabt wurden.

Regeln im Überblick

Hier die Regeln für die Auswahl von CAM Software noch einmal kompakt zusammengefasst:

Funktionen von CAM-Software

So anspruchsvoll wie die Bearbeitungsaufgabe, so umfangreich kann auch der Funktionsumfang der eingesetzten CAM-Software sein. Um einen Überblick zu bekommen lassen sich die Einzelfunktionen in die folgenden Gruppen einteilen.

Übersicht CAM-Software Anbieter

Im folgenden finden Sie eine wachsende Übersicht der gängigsten CAM-Pakete und eine Kurzbeschreibung der Verbesserungen in 2022 sowie Informationen zum jeweiligen Hersteller.

Herausforderungen bei hohen Genauigkeitsanforderungen

Im Werkzeug- und Formenbau, aber auch in anderen Bereichen, werden Oberflächen filigraner und Radien kleiner. Durch die Verwendung kleinerer Werkzeuge und geringerer Eingriffstiefen steigen die Anforderungen an den CAM-Prozess. Erschwerend kommt hinzu, dass zur Realisierung kurzer Prozessketten, viele Werkstücke im gehärteten Zustand bearbeitet werden sollen.

Werkzeugverschleiß und Werkzeugabdrängung verändern sich dadurch signifikant, was CAM-Systeme vor eine ambitionierte Aufgabe stellt. Vor allem gehärtete Schnellarbeitsstähle mit Karbideinlagerungen sind nicht nur in Bezug auf die Auswahl der Schneidstoffe, sondern auch für die CAM Software eine Herausforderung. Dies liegt daran, dass der Einfluss der folgenden Faktoren überproportional ansteigt:

Mindestspanungsdicke

Insbesondere das Größenverhältnis von Schneidkantenradius zur Spanungsdicke (engl. size effect) ist in diesem Zusammenhang hervorzuheben. Fertigungsbedingt kann der Schneidkantenradius bei Hartmetallwerkzeugen nicht in gleichem Maße abgesenkt werden wie der Werkzeugdurchmesser. In der Folge kann das dazu führen, dass die Mindestspanungsdicke, die für eine Werkstofftrennung erforderlich ist, nicht mehr erreicht wird und somit keine Spanbildung stattfindet. Daher können schon sehr kleine Änderungen in der Schnitttiefe den Schnittprozess sehr stark beeinflussen.

Ist der Schneidkantenradius in Relation zur beabsichtigten Spanungsdicke zu groß, kommt es zu keinem Schnitt, sondern es findet nur eine elastische Verformung an der Werkstückoberfläche statt, was auf einen zu großen negativen Spanwinkel zurückzuführen ist. Dieser kann in Abhängigkeit von der Spanungsdicke t und dem Schneidkantenradius r berechnet werden.

Sind Mindestspanungsdicke und tatsächliche Spanungsdicke in etwa gleich groß, wird teilweise Material abgeschert, aber nicht in genügendem Maße, um die gewünschte Spanungsdicke zu erreichen. Die Folge sind Quetsch- und Pflügevorgänge (Ploughing), bei denen das Material unter der Schneide hindurchgedrückt wird.

Erst wenn die Mindestspanungsdicke überschritten wird, ist mit einer sauberen Spanbildung zu rechnen, da der elastische Anteil dann signifikant abnimmt.

Verschärft wird dieses Problem durch eine verschleißbedingte Zunahme des Schneid­kantenradius, was dazu führt, dass ein anfänglich gut funktionierender Zerspanprozess nach kurzer Zeit keine guten Ergebnisse mehr hervorbringt. Betrachtet man den Verschleißverlauf von Hartmetallmikrofräswerkzeugen, wird die Problematik deutlich. Die Höhe der Mindestspanungsdicke hängt neben dem Schneidkantenradius auch vom Werkstückmaterial ab, sodass kein allgemeingültiger Wert angegeben werden kann. Darüber hinaus haben auch Prozessgrößen, wie die Schnittgeschwindigkeit oder der Zahn-vorschub, Einfluss auf die minimale Spanungsdicke.

Gratbildung

Eine weitere Thematik, die in Verbindung mit der Bestimmung geeigneter Schnittparameter steht, ist eine mögliche Gratbildung. Diese gilt es so gering wie möglich zu halten, da eine Nachbearbeitung meist sehr aufwendig und vielfach gar nicht zu realisieren ist. In Relation zu den Eingriffsbedingungen fällt die Gratbildung höher aus als bei konventionellen Fräsprozessen, da auch hier ein enger Zusammenhang zu dem Schneidkantenradius und der Schnittgeschwindigkeit besteht. Zwar kann auch hier im begrenzten Rahmen Einfluss auf die Gratbildung durch eine optimale Prozessgestaltung genommen werden, doch das beste Hilfsmittel ist eine scharfe Schneide. Dennoch sollte dieser Faktor bei der Simulation in der CAM-Software berücksichtigt werden.

Werkstückgefüge

Mit zunehmender Herabskalierung des Fräsprozesses kann ab einer gewissen Grenze auch das Werkstoffgefüge nicht mehr als homogen betrachtet werden. Dies ist natürlich stark werkstoffabhängig, wird aber im Allgemeinen problematisch, wenn im Schnittprozess Dimensionen in der Region der Korngrößen erreicht werden. Eine Homogenisierung des Werkstoffs beispielsweise durch Tempern kommt aber für viele Bearbeitungsaufgaben, nicht in Frage, da oftmals die Bearbeitung im gehärteten Zustand das Ziel bildet. In diesem Zusammenhang könnten sich gerade die Karbideinlagerungen störend auf das Schnittverhalten auswirken und beispielsweise zu Vibrationen im Prozess führen.

Weitere Faktoren

Unabhängig von den veränderten Bedingungen in der Schnittzone ergeben sich weitere Problemstellungen bei geringen Eingriffstiefen. Beispielsweise lassen sich aus der konventionellen Zerspanung bekannten Schmierungskonzepte nicht so einfach in den Mikrobereich übertragen. So ist eine klassische Überflutungsschmierung nicht möglich, weil alleine schon der Fließdruck des Schmiermittels das Werkzeugverhalten negativ beeinflussen könnte.

Generell stellt die thermische Prozessführung eine große Herausforderung dar, da schon geringe Maßänderungen durch Temperatureinflüsse schwer zu kompensieren sind und sich signifikant auf das Bearbeitungsergebnis auswirken können.

Darüber hinaus kommt der Maschinendynamik eine große Bedeutung zu. Die Maschinenachsen werden z.B.beim Strukturfräsen stark belastet, was im Hinblick auf die Strukturentwicklung eine Beschränkung auf eine dreiachsige Bearbeitung sinnvoll erscheinen lässt. Zwar ist eine fünfachsige Bearbeitung mit Hilfe moderner Bearbeitungszentren grundsätzlich möglich, würde aber eine zusätzliche Unsicherheit mit sich bringen. Es gilt demzufolge mögliche Störfaktoren so gering wie möglich zu halten und dies bei der Prozessauslegung im CAM-System zu berücksichtigen.

Systemanforderungen bei geringen Eingriffstiefen

Es ist darauf zu achten, dass die gewählte CAM-Software über einen entsprechenden Mikrobearbeitungsmodus verfügt. Denn gerade bei filigranen Strukturelementen sollte sich die Bearbeitungsstrategie an der Kontur der Strukturgeometrie und nicht am Volumen des abzutragenden Materials orientieren. Zum Teil müssen Konturkanten manuell ausgewählt werden, da die automatischen Erkennung des CAM-Systems schlapp machen könnte. Es bietet sich dann an vom 3D-CAD-Modell auf ein Punktmodell zu wechseln. Bei einer solchen Bearbeitungsaufgabe sollte die CAM-Software also unbedingt einen geeigneten CAD-Modus und gute Kopierfunktionen für die Mustererstellung mitbringen.

Abweichungen, wie im Bild dargestellt, können entstehen, wenn Bahnabweichungen der CAM-Software, durch eine manuelle Korrektur des Nullpunkts an der Maschinensteuerung ausgeglichen werden. Dies ist dann zum Teil auf unterschiedlichen Interpolationsabstände zurückzuführen.

Zusammenfassung

Für anspruchsvolle Bearbeitungsaufgaben sollten CAD- und CAM-Software nahtlos ineinander greifen um eine gleichbleibend hohe Auflösung über den gesamten Prozess zu gewährleisten. Die Strukturierung von Oberflächen stellt auch heute noch eine “Extremaufgabe” für CAM-Systeme dar.

Benötigte Funktionen sollten vor Kauf unbedingt getestet werden, da sich Abweichungen auf Detailebene ergeben können. Nicht immer ist das gewünschte CAM-System in der Lage, die zugrunde liegende Konstruktionslogik “zu erkennen”, was dann zu einem erheblichen manuellen Aufwand führen kann, der bei einem anderen System vielleicht ausgeblieben wäre.

Um die CAM-Programme auf ihre Eignung hin zu überprüfen, sollten die geplanten Bauteile im Rahmen einer Testfertigung untersucht und die Bearbeitungsqualität bewertet werden. Da die Anschaffung mit erheblichen Kosten verbunden sein kann, sollte man hierbei auch keine Mühen scheuen und lieber einen größeren Probenumfang anfertigen, um auch die Auswirkungen der Bearbeitungsstrategie auf den Werkzeugverschleiß untersuchen zu können.