Aktualisiert am: 01.03.2022

CAM Software

Thema

CAM-Software | CAM-System

CAM-Software 2022 – Der komplette Überblick

Komplexe Fertigungsaufgaben mit anspruchsvollen Bauteilgeometrien erfordern eine detaillierte Planung der Bearbeitungsschritte und Werkzeugführung. Moderne CAM Software Systeme helfen bei der qualitäts- und kostenoptimalen Ausgestaltung der Fertigungsprozesse.

CAM-Software – Anwendung

Um vom CAD-Modell zum fertigen Bauteil zu gelangen, müssen auf Basis der Geometrieinformation geeignete Bearbeitungsstrategien festgelegt sowie eine entsprechende NC-Bahn generiert werden. Das bedeutet, dass alle notwendigen Abläufe und Operationen auf der Bearbeitungsmaschine sowie Werkzeugverfahrwege und Bearbeitungs­parameter zu bestimmen sind. Für komplexe Bearbeitungsaufgaben bietet es sich an, mit Hilfe eines CAM-Systems zu arbeiten, da die notwendigen Arbeitsschritte hierdurch stark vereinfacht werden.

CAM-Software und CAM-Systeme Eigenschaften

Welche Produkteigenschaften und Funktionen von CAM-Software / CAM-Systemen sind wichtig?
Funktionen zur Optimierung des Fertigungsprozesses
41%
Unterstützt additive Fertigungsverfahren
12%
Benutzeroberfläche und UX-Design
29%
Simulation der Werkzeugwege und Kollisionskontrolle
59%
5-Achs Bearbeitung (simultan)
41%
Systemintegration und Schnittstellen
35%
Support und kundenindividuelle Anpassungen
35%
Wissensmanagement und Wissenstransfer
24%

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Welche Produkteigenschaften und Funktionen von CAM-Software / CAM-Systemen sind wichtig?
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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

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.

  • Viele Sonderfunktionen erfordern hochspezialisiertes Anwenderwissen, das nicht immer gegeben ist, weshalb oftmals mit Workarounds auf Basis bekannter Bedienelemente gearbeitet wird
  • UX-Elemente, die den Bedienkomfort steigern (z.B. intelligente Wiedervorlage und Vorschlagsprozesse) können Durchlaufzeiten senken und die Umsetzungsgeschwindigkeit erhöhen
  • Die Nutzerakzeptanz ist gerade an CAD und CAM Arbeitsplätzen wichtig und kann einen großen Einfluss auf die Mitarbeiterzufriedenheit und Motivation haben
  • Kommunikation und Wissensaustausch ist umso erfolgreicher, je geringer der Dokumentationsaufwand ist. Mitarbeiter, die Ihr Wissen teilen und gegenseitig voneinander lernen, sind mit die größten Innnovationstreiber

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:

  • Integrationsniveau und Funktionsumfang sollten resultierende Größen aus den eigenen Anforderungen sein
  • UX-Design mindestens gleichwertig zum Funktionsumfang betrachten
  • Skalierbare Preis- und Lizenzmodelle bevorzugen, die zum eigenen Nutzungsverhalten passen
  • Kostenbetrachtungen nicht primär auf Basis der Spitzenlast durchführen
  • Zukunftsfähigkeit der Lösung und des Anbieters auch anhand der Vergangenheit bewerten
  • Datenintegrität und Systemarchitektur beachten
  • Systemverbund aus CAM Software und Fertigungstechnologie ebenfalls betrachten

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.

  • CAD-Integration und Schnittstellen
  • Unterstützung von Maschinenachsen
  • Bearbeitungsfunktionen
  • Kollisionsprüfung und Simulation

Neutrale CAD-Dateiformate

Für den Datenaustausch über Systemgrenzen hinweg oder in der Kommunikation mit Kunden und Lieferanten, sollte die CAM-Software in Lage sein mit gängigen neutralen Austauschformaten umgehen zu können. Die bekannten Formate IGES, STEP, STL und VDA-FS sollten im Stadardpaket enthalten sein.

Proprietäre CAD-Formate

Aus ähnlichen Gründen wie bei bei der Unterstützung von neutralen CAD-Dateiformaten, sollte die CAM-Software auch die wesentlichen proprietären CAD-Systeme unterstützen. Hiermit erhält man sich eine größere Flexibilität und begibt sich nicht in eine zu große Abhängigkeit. CAD-Systeme, die auf dem Parasolid Modellierkern beruhen, sollten mindestens abgedeckt sein.

2-1/2-Achsen Bearbeitung

Unter 2-1/2D-Bearbeitung ist eine Flächenbearbeitung mit punktueller Zustellung zu verstehen. Diese Funktion wird eigentlich von jedem System abgedeckt.

3-Achsen Bearbeitung

Bei der Bearbeitung von Freiformflächen, die eine kontinuierliche Positionierbewegung des Werkzeugs in allen 3 Raumachsen erfordern, wird von 3D-Bearbeitung gesprochen. Sollte ebenfalls bei den meisten Systemen im Standardumfang abgedeckt sein. Unterschiedliche Prozeduren für Schlichten und Schruppen sollten der Software ebenfalls abgedeckt sein.

3 + 2-Achsen Bearbeitung

Bei einer Werkzeugbewegung in 3-Achsen und zusätzlicher punktueller Zustellung mit Hilfe von 2 Rotationsachsen. Je nach Maschinentyp können sich Vorteile im Hinblick auf die Steifigkeit geben.

5-Achs-Bearbeitung

Eine der anspruchsvollsten Programmieraufgaben stellt sicherlich die simultane 5-Achs-Bearbeitung dar, die aber natürlich mehr konstruktive Freiheitsgrade bietet. Sollten Sie derartige Bearbeitungsaufgaben planen, ist es natürlich auch eine mandatorische Voraussetzung für CAM-Software. Die entsprechenden Funktionen sind eher im Premiumsegment zu finden.

Feinplanung des Werkzeugwegs

Eine manuelle Überarbeitung des berechneten Werkzeugweges. Gerade in Experimentierphase mit neuen Bauteilstrukturen, eine sehr hilfreiche Funktion.

Spezielle Bearbeitungsprogramme

Spezielle Bauteile können auch die CNC-Programmierung sehr aufwendig machen. CAM-Systeme stellen deshalb z.B. folgende Bearbeitungsfunktionen bereit:

  • Elektrodenbearbeitung
  • Rippenbearbeitung
  • Fräsen von Turbinenblättern
  • Fräsen von Blisks oder Impellern
  • Fertigung von Anschlüssen und Verteiler

Simulation der Werkzeugwege

Eine Simulation und detailgetreue Visualisierung der Werkzeugwege hilft dabei, Schwachstellen im generierten NC-Code zu erkennen.

Bearbeitungssimulation

Eine Bearbeitungssimulation, angepasst auf den eingesetzten Maschinentyp.

Kollisionsüberprüfung

Kollisionen im Bearbeitungsraum können große Schäden verursachen und sollten durch die CAM-Software ausgeschlossen werden. Anpassungen an der Werkzeugmaschine sind demzufolge auch unbedingt in der CAM-Software zu aktualisieren.

Simulation des Rohteilabtrags

Bei der Optimierung von Bearbeitungszeiten kann es hilfreich sein, sukzessive den Volumenabtrag zu erhöhen. Schön ist natürlich, wenn sich dieser Sachverhalt im Vorfeld virtuell darstellen lässt.

Prognose der Oberflächenbeschaffenheit

Bei neuen Werkzeug-/Werkstückkombinationen wird sich in der Regel behutsam an die optimalen Bearbeitungsparameter herangetastet. Nicht selten geschieht das mit Hilfe einer statistischen Versuchsplanung. Moderne CAM-Systeme bieten bieten hier zwischenzeitlich im Hinblick auf eine Prognose der Oberflächenbeschaffenheit Unterstützung.

Simulationsanalyse

Zusätzlich zu einer Visualisierung ist es darüber hinaus hilfreich, wenn auch Analysefunktionen im Hinblick auf die Simulationsergebnisse bereitgestellt werden.

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.

CAMWorks

CAMWorks ist eine sehr umfangreiche CAM-Anwendung, die sich ebenfalls durch eine sehr gelungene Integration in Solidworks auszeichnet. Für einfache Bearbeitungsaufgaben sind die Standardvarianten ausreichend. Für professionelle 4- und 5-Achs-Beabeitung ist aber die Premium Version notwendig. 

Seit 2016 gehört CAMWorks zum Portfolio von HCL Technologies, einem globalen IT-Dienstleister mit Hauptsitz in Noida, Indien. Mit diesem Partner im Rücken ist davon auszugehen, dass das PLM-Ökosystem rung um CAMWorks in den nächsten Jahren noch weiter anwachsen wird.


Solidworks CAM

Das Add On zum bekannten Solidworks 3D CAD System zeichnet sich natürlich durch seine nahtlose Anbindung an genau dieses System aus. 

Im Unterschied zu den vielen anderen hier vorgestellten Lösungen ist es somit keine Stand-Alone-Lösung, sondern eine Erweiterung. Für Solidworks Nutzer kann es aber natürlich eine Option sein, vor allem wenn 3D Kostrunktion CAM Programmierung an ein und demselben Arbeitsplatz stattfinden.

Dessault Systemes ist neben Autodesk einer der marktbestimmenden Technologieführer, insbesondere wenn man CAD/CAM im Systemverbund betrachtet. 

Trotz der Ausrichtung des Konzerns als Systemlieferant für global agierende Unternehmen, sind die Solidworks Produkte auch bei Unternehmen mit nur wenigen Einzellizenzen nach wie vor beliebt.


Mastercam

Gerade international ist Mastercam weitverbreitet. Nach Anzahl der Installationen gilt Mastercam als die meisteingesetzte CAD/CAM-Lösung. Demzufolge verfügt Mastercam auch über eine gut ausgebaute Vertriebs-und Servicestruktur, weshalb auch hierzulande viele Kunden auf diese CAM-Lösung vertrauen. In der neuen 2022 Version nicht nur die für den Bearbeitungsprozess relevanten Funktionen verbessert, sondern auch die Funktionen der Ausbildungseditionen erweitert.

Darüber hinaus wurden neue Netzfunktionen eingeführt und das direkte Ändern von Drahtmodellelementen ist nun möglich.

Mastercam bzw. die CNC Software, Inc aus Connecticut kann sicherlich ebenfalls zu den Pionieren CAM-Bereich gezählt werden. Im letzten Jahr wurde das ehemalige Familienunternehmen vom Global Player Sandvik übernommen. Von daher ist davon auszugehen, dass die Erfolgsgeschichte Mastercam auch in den nächsten Jahren fortgeschrieben wird. 


Hypermill

Die bekannte Lösung hyperMill wartet in in der aktuellen 2022.1 Version gleich mit einer ganzen Reihe an neuen Features und Produktverbesserungen auf. Wie auch SolidCAM hat sich hyperMILL dem Thema Kantenbearbeitung gewidmet und insbesondere die 2D-Funktionalitäten verbessert.

So wurde beim 2D-Taschenfräsen eine neue Funktion zur Korrektur der Schlichtbahn eingeführt. Hierdurch soll sich auch der Einsatz nachgeschliffener Fräser vereinfachen. Ein weiteres Highlight ist die 3D-Planflächenbearbeitung die automatisch nach passenden und leistungsoptimierten Bahnlayouts sucht.

Mit seiner Produktpalette gehört OPEN MIND aus Wesseling bei München zu einem der bekannteren Anbietern für CAM Software. Die OPEN MIND Technologies AG zeichnet sich durch eine hohe Entwicklungskompetenz entlang des gesamten CAD-CAM-Prozesses aus.


SolidCAM

SolidCAM zeichnet sich vor allem durch die Integration in das beliebte CAD-System Solidworks aus, dass aufgrund des universellen Einsatzgebietes gerne im Maschinenbau verwendet wird.

SolidCAM ist schon länger am Markt, was davon zeugt, dass die Lösung kontinuierlich mit neuen technologischen Trends mithält. Im letzten Jahr wurde vor allem die Werkzeugverwaltung mit neuen Funktionen ausgestattet. Darüber hinaus wurden neue Jobtypen in Bezug auf die Kantenbearbeitung eingeführt. 

SolidCAM bezeichnet sich selbst, als einer der führenden Anbieter für integrierte CAM Lösungen. In den letzten 30 Jahren wartet die Firma aus dem Schwarzwald aber regelmäßig mit neuen Innovationen die modularen Lösungsbaukasten beständig erweitern. Die auf der Website genannten Referenzen zeugen jedoch davon, dass Kunden aus den unterschiedlichsten Branchen auf die angebotenen CAM-Module vertrauen.

 


NX CAM

NX CAM ist Teil einer ganzen Produktfamilie für Konstruktion, Simulation und Fertigung. Natürlich harmoniert NX CAM auch mit allen anderen CAD Systemen. Insbesondere bei Lösungen, die ebenfalls auf dem Parasolid Kern aufsetzen.

Je nach Anforderungen sind die einzelnen NX CAM Module in vordefinierten Paketen mit unterschiedlichen Ausbaustufen erhältlich. 

Auch aus dem Ökosystem der Siemens Digital Industries Software stehen Ihnen zahlreiche Lösungen für die Realisierung einer durchgehenden CAD-CAM-Prozesskette zur Verfügung.

Skalierbare und modular aufgebaute Lösungsbausteine und die Nutzung bewährter Modelliertechnologien ergeben Lösungen, die universell einsetzbar sind. Aber auch die Anpassung an spezielle Bedürfnisse ist möglich.


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 in Abhängigkeit vom Schneidkantenradius unter Berücksichtigung weiterer Prozessparameter wie zum Beispiel der Schnittgeschwindigkeit
  • Gratbildung
  • Inhomogenes Werkstückgefüge
  • Temperaturverhältnisse während der Bearbeitung
  • Maschinen- und Prozessdynamik

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.

Abweichung der geplanten Bauteilgeometrie im CAM-System
Geringfügige Abweichung von der Bauteilgeometrie

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.

Häufige Fragen – CAM-Software / CAM-System

Wie helfen CAD / CAM-Systeme die Produktivität zu steigern?

Durch schnelle und unkomplizierte NC-Programmierung ergeben sich kürzere Stillstand- und Rüstzeiten. Intelligente und werkzeugschonende Werkzeugwege senken darüber hinaus die Bearbeitungszeiten, gerade beim HSC-Fräsen.

Was ist ein Postprozessor bei einem CAM-System?

Es muss sichergestellt sein, dass der vom CAM-System generierte CNC-Code auch zu der eingesetzten Bearbeitungsmaschine passt. Deshalb ist für jeden Maschinentyp ein angepasster Postprozessor notwendig.