Computer-ondersteunde fabricatie (CAM): Hoe het moderne productie drijft

Computer Aided Manufacturing (CAM): De complete inleiding voor de beginner

In een wereld vol fysieke spullen – of dat nu producten, onderdelen of plekken is – maakt Computer Aided Manufacturing (CAM) het allemaal mogelijk. Wij zijn degene die de kracht van vlucht aan vliegtuigen geven of de rumoer van pk's aan auto's. Wanneer je iets gemaakt moet hebben, niet alleen ontworpen, is CAM je antwoord. Wat er achter de schermen gebeurt? Blijf lezen, en je zult het ontdekken.

Wat is CAM? Computer Aided Manufacturing (CAM) is het gebruik van software en computer-gecontroleerde machines om een productieproces te automatiseren.

Op basis van die definitie heb je drie componenten nodig voor een CAM-systeem om te functioneren:

• Software die een machine vertelt hoe een product gemaakt moet worden door toolpaden te genereren.
• Machines die rauwmateriaal om kunnen zetten in een afgerond product.
• Post Processing zet toolpaden om in een taal die machines begrijpen.

Deze drie componenten worden samengeplakt met ontelbaar veel menselijke arbeid en vaardigheid. Als industrie hebben we jaren besteed aan het bouwen en verfijnen van de beste productiemachines. Vandaag is er geen ontwerp te lastig voor een bekwame machinewerkplaats om aan te pakken.

CAD naar CAM Proces

Zonder CAM is er geen CAD. CAD richt zich op het ontwerp van een product of onderdeel. Hoe het eruitziet, hoe het functioneert. CAM richt zich op hoe het te maken. Je kunt het meest elegante onderdeel in je CAD-tool ontwerpen, maar als je het niet efficiënt kunt maken met een CAM-systeem, dan ben je beter af met klotten schoppen.

Het begin van elk engineeringproces begint in de wereld van CAD. Ingenieurs zullen ofwel een 2D- of 3D-tekening maken, of dat nu een krukas voor een auto is, het binnenste skelet van een keukenkraan, of de verborgen elektronica in een printplaat. In CAD heet elk ontwerp een model en bevat een set fysieke eigenschappen die door een CAM-systeem gebruikt zullen worden.

Wanneer een ontwerp compleet is in CAD, kan het dan in CAM geladen worden. Dit wordt traditioneel gedaan door een CAD-bestand te exporteren en het vervolgens in CAM-software te importeren. Als je een tool zoals Fusion 360 gebruikt, bestaan zowel CAD als CAM in dezelfde wereld, dus is geen import/export vereist.

Eenmaal je CAD-model in CAM geïmporteerd is, begint de software met het voorbereiden van het model voor bewerking. Bewerking is het gecontroleerde proces van het transformeren van rauwmateriaal in een gedefinieerde vorm door acties zoals snijden, boren of uithollen.

Computer Aided Manufacturing-software bereidt een model voor op bewerking door door verschillende acties te werken, inclusief:

• Controleren of het model geometriefouten heeft die het productieproces zullen beïnvloeden.
• Een toolpad voor het model aanmaken, een set coördinaten die de machine zal volgen tijdens het bewerkingsproces.
• Eventueel benodigde machineparameters instellen, inclusief snijsnelheid, spanning, snij/steekhoogte, etc.
• Nesting configureren waar het CAM-systeem de beste oriëntatie voor een onderdeel zal beslissen om bewerkingsefficiëntie te maximaliseren.

Eenmaal het model voorbereid is voor bewerking, wordt alle informatie naar een machine gestuurd om het onderdeel fysiek te produceren. Echter, we kunnen een machine niet zomaar een boel instructies in het Engels geven. We moeten de taal van de machine spreken. Om dit te doen, converteren we al onze bewerkingsinformatie naar een taal genaamd G-code. Dit is de set instructies die de acties van een machine besturen, inclusief snelheid, voeding, koelmiddelen, etc.

G-code is makkelijk te lezen zodra je de indeling begrijpt. Een voorbeeld ziet er zo uit:

G01 X1 Y1 F20 T01 S500

Dit breekt van links naar rechts af als:

• G01 geeft een lineaire beweging aan gebaseerd op coördinaten X1 en Y1.
• F20 stelt een voedsnelheid in, wat de afstand is die de machine in één spindelomwenteling aflegt.
• T01 vertelt de machine Tool 1 te gebruiken, en S500 stelt de spindelsnelheid in.

Een meer visuele manier om G-code coördinaten te begrijpen. Afbeelding met dank aan Make:.

Eenmaal de G-code in de machine geladen is, en een operator op start drukt, is ons werk gedaan. Nu is het tijd om de machine het werk te laten doen van het uitvoeren van G-code om een rauwmateriaalblok te transformeren in een afgerond product.

CNC-machines in een oogopslag

Tot nu toe hebben we over de machines in een CAM-systeem gesproken als simpelweg machines, maar dat doet hun geen recht. Een Haas-freesmachine zien glijden door een blok metaal alsof het boter is, zet een glimlach op mijn gezicht elke keer. Zonder deze machines zou mijn werk onmogelijk zijn.

Afbeelding met dank aan Haas Automation.

Alle moderne productiecentra zullen diverse Computer Numerical Control (CNC) machines runnen om ge-engineerde onderdelen te produceren. Het proces van het programmeren van een CNC-machine om specifieke acties uit te voeren heet CNC-bewerking.

Voordat CNC-machines er waren, werden productiecentra handmatig bediend door ervaren frezen. Natuurlijk, als alle dingen die computers aanraken, volgde automatisering snel. De enige menselijke interventie die nu nog vereist is voor het runnen van een CNC-machine is een programma laden, rauwmateriaal invoeren, en dan een afgerond product uitladen.

Op de Autodesk Pier 9-werkplaats hebben we een fatsoenlijke steekproef van CNC-machines, inclusief:

CNC Routers

Deze machines snijden onderdelen en snijden een verscheidenheid aan vormen uit met hoog-snelheidsspinende componenten. Bijvoorbeeld, een CNC-router gebruikt voor houtbewerking kan makkelijk multiplex in kastonderdelen snijden. Het kan ook moeiteloos complexe decoratieve gravering op een deuropanel aan. CNC-routers hebben 3-as snijmogelijkheden, wat hen in staat stelt om langs de X-, Y- en Z-assen te bewegen.

Water, Plasma & Laser Snijders

Deze machines gebruiken precieze lasers, hoogdrukwater, of een plasma-bakken om een gecontroleerde snede of gegraveerde afwerking uit te voeren. Handmatige gravertechnieken kunnen maanden duren om met de hand te voltooien, maar één van deze machines kan hetzelfde werk in uren of dagen voltooien. Plasmasnijders zijn handig voor het doorsnijden van elektrisch geleidende materialen zoals metalen.

Freesmachines

Deze machines knabbelen aan een verscheidenheid aan materialen zoals metaal, hout, composieten, etc. Freesmachines hebben enorme veelzijdigheid met een verscheidenheid aan tools die specifieke materiaal- en vormvereisten kunnen vervullen. Het algehele doel van een freesmachine is om massa van een rauwmateriaalblok zo efficiënt mogelijk te verwijderen.

Draaibanken (Lathes)

Deze machines knabbelen ook aan rauwmaterialen zoals een freesmachine. Ze doen het anders. Een freesmachine heeft een spinnerend tool en stationair materiaal, waar een draaibank het materiaal laat draaien en snijdt met een stationair tool.

Afbeelding met dank aan Halsey Manufacturing.

Elektrische Ontladingsmachines (EDM)

Deze machines snijden de gewenste vorm uit rauwmateriaal door een elektrische ontlading. Een elektrische vonk wordt gecreëerd tussen een elektrode en rauwmateriaal, met de temperatuur van de vonk die 8.000 tot 12.000 graden Celsius bereikt. Dit stelt een EDM in staat om door bijna alles te smelten in een gecontroleerd en ultra-precies proces.

Afbeelding met dank aan Absolute Wire EDM.

Het menselijke element van Computer Aided Manufacturing (CAM)

Het menselijke element is altijd een gevoelig onderwerp geweest sinds CAM in de jaren '90 op de toneelverschijning trad. In de jaren '50, toen John T. Parsons CNC-bewerking voor het eerst introduceerde, vereiste het vaardig bedienen van machines een enorme hoeveelheid training en oefening. De video hieronder van NYC CNC toont een geweldig voorbeeld van hoe anders handmatige machines zijn van de huidige CNC-machines:

In de handmatige bewerkingsdagen was het zijn frees een eereteken dat jaren training kostte om te perfectioneren. Een frees moest het allemaal doen – blauwdrukken lezen, weten welke tools te gebruiken, voedingen en snelheden definiëren voor specifieke materialen, en zorgvuldig een onderdeel met de hand frezen. Het ging niet alleen om precieze handmatige dexteriteit. Een frees was, en is nog steeds, zowel een kunst als een wetenschap.

Afbeelding met dank aan ITABC.CA

Deze dagen is de Moderne Frees levend en gezond als mens, machine en software samenwerken om onze industrie vooruit te helpen. Vaardigheden die 40 jaar kostten om te meesteren, kunnen nu in een fractie van de tijd overwonnen worden. Nieuwe machines en CAM-software hebben ons meer controle gegeven dan ooit om betere en innovatieve producten te ontwerpen en te maken dan onze voorouders, wat ze toegeven… tegenzin.

Wat betekent dit allemaal voor het menselijke element van productie? De rol van de Traditionele Frees verschuift. Vandaag zien we een omgeving van Moderne Frees uitgewerkt in drie typische rollen:

• De Operator. Deze persoon laadt rauwmaterialen in een CNC-machine en runt afgeronde onderdelen door het finale verpakkingsproces.
• De Opstellingsoperator (Setup Operator). Deze persoon voert de initiële configuratie uit voor een CNC-machine, inclusief het laden van een G-code-programma en het instellen van tools.
• De Programmeur. Deze persoon neemt de tekening voor een CAD-model en besluit hoe het te maken met hun beschikbare CNC-machines. Hun taak is om de toolpaden, tools, snelheden en voedingen in de G-code te definiëren om het werk gedaan te krijgen.

In een typische workflow zal de Programmeur zijn programma doorgeven aan de Opstellingsoperator, die dan de G-code in de machine laadt. Eenmaal de machine klaar is om te rollen, zal de Operator dan het onderdeel maken. In sommige shops kunnen deze rollen samengevoegd en overlappend zijn in de verantwoordelijkheden van één of twee personen.

Buiten de dagelijkse machineoperaties is er ook de Productieingenieur (Manufacturing Engineer) op de payroll. In een nieuwe shop-opstelling stelt deze persoon typisch systemen vast en bepaalt een ideaal productieproces. Voor bestaande opstellingen zal een Productieingenieur toezien op apparatuur en productkwaliteit terwijl hij andere managementstaken aanpakt.

De impact van CAM

We hebben John T. Parsons te danken voor het introduceren van een punchkaartmethode om machines te programmeren en te automatiseren. In 1949 financierde de United States Air Force Parsons om een geautomatiseerde machine te bouwen die handmatige NC-machines kon overtreffen. Met wat hulp van MIT was Parsons in staat om de eerste NC-prototype te ontwikkelen.

Vanaf daar nam de wereld van CNC-bewerking de vlucht. In de jaren '50 kocht het United States Army NC-machines en leende ze uit aan fabrikanten. Het idee was om bedrijven te incentiveren om de nieuwe technologie in hun productieproces te adopteren. Tijdens deze tijd zagen we ook MIT de eerste universele programmeertaal voor CNC-machines ontwikkelen: G-code.

De jaren '90 brachten de introductie van CAD en CAM op de PC en hebben volledig gerevolutioneerd hoe we productie benaderen vandaag. De vroegste CAD- en CAM-jobs waren gereserveerd voor dure auto- en luchtvaarttoepassingen, maar vandaag is software zoals Fusion 360 beschikbaar voor productieshops van elke vorm en maat.

Sinds zijn ontstaan heeft CAM een tonel verbeteringen aan het productieproces geleverd, inclusief:

• Verbeterde machinecapaciteiten. CAM-systemen kunnen gebruikmaken van geavanceerde 5-asmachines om meer geavanceerde en hogere kwaliteit onderdelen te leveren.
• Verbeterde machine-efficiëntie. Vandaag's CAM-software biedt high-speed machine toolpaden die ons helpen onderdelen sneller dan ooit te fabriceren.
• Verbeterd materiaalgebruik. Met additieve machines en CAM-systemen kunnen we complexe geometrieën produceren met minimaal afval, wat lagere kosten betekent.

Natuurlijk hebben deze voordelen enkele afwegingen. Computer Aided Manufacturing-systemen en machines vereisen een massive voorafgaande kosten. Bijvoorbeeld, een Haas VF-1 kost ongeveer $45k uit de doos; nu een hele shopvloer van die machines voorstellen. Er is ook het probleem van personeelsturnover. Met machinebediening minder een vakwordt, is het moeilijk om goed talent aan te trekken en te behouden.

CAM is de Man

CAM gaat niet alleen over het controleren van machines op een shopvloer. Het gaat over het samenbrengen van software, machines, processen en mensen om echt geweldige onderdelen te bouwen. Als dit je eerste keer is dat je in de wereld van CAM duikt, moedig ik je ten zeerste aan om contact op te nemen met een lokale shop voor een binnenkijkje. Voel de zoem van de CNC-machines in je voeten, of glijd met je hand over een onderdeel vers uit de machine. Het is een ongelooflijke ervaring die ik hoop dat toekomstige generaties mogen genieten. CAM gaat allemaal over de menselijke aanraking.

Blijf je nog dingen doen met een losse CAD- en CAM-tool? Fusion 360 heeft beide. Probeer Fusion 360 vandaag nog.