BM-Serie, Teil 2: CAD/CAM im Tischler- und Schreinerhandwerk

Dreh- und Angelpunkt ist die Software

Dieser Beitrag wendet sich vor allem an Tischler und Schreiner, die sich mit dem Gedanken tragen, auf die digitale Fertigung umzustellen. Aber auch Kollegen, die bereits ein Bearbeitungszentrum (BAZ) haben, jedoch noch nicht die erhofften Vorteile realisieren konnten, erhalten interessante Impulse und Praxistipps.

Michael Ludolph

Der zweite Teil der BM-Serie rund um CAD/CAM im Tischler-/Schreinerhandwerk gibt Impulse zu den wesentlichen Grundprinzipien der CAD/CAM-Prozesskette – und soll darauf aufbauend die Entscheidungsfindung bei der Umstellung von analog auf eine weitgehend durchgängige digitale Fertigung unterstützen. Dabei erhebt er keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

Die Maschine ist nicht alles

Die Auswahl eines geeigneten CNC-Bearbeitungszentrums (BAZ) ist wichtig und stellt eine wesentliche Voraussetzung für die Fertigungsmöglichkeiten eines Betriebs dar. Im Prinzip geht es hier um vier alternative Wahlmöglichkeiten: ein liegendes oder ein stehendes 3-achsiges Bearbeitungszentrum sowie ein 4-achsiges oder ein 5-achsiges Bearbeitungszentrum. An dieser Stelle kann nicht auf die Unterschiede beim Leistungsvermögen der einzelnen Varianten eingegangen werden, deswegen hier nur so viel:

In der Regel erweisen sich heute die Fertigungspotenziale eines 4-achsigen BAZs als eine Art Minimum – mit der Ausnahme, dass aus Platzgründen vielleicht nur ein stehendes 3-achsiges BAZ möglich ist.

Solange die Leistungen einer 5-Achs-CNC nicht tatsächlich später abgerufen werden, kann sich die Wahl eventuell sogar nachteilig auf die Geschwindigkeit von Fräsbearbeitungen und eventuell auch der Bohrbearbeitungen auswirken.

In der Praxis ist zu beobachten, dass sich etliche Tischlereien zwar aufgrund der höheren Leistungspotenziale – und dem im Vergleich zum 4-Achs-BAZ geringfügig höheren Preis – für die 5-Achs-Technologie entschieden haben. Im Alltag wird dieses Potential aber nicht genutzt, da das notwendige Wissen, die Anforderungen oder gar die notwendige Software nicht präsent ist. Hier ist also genau zu prüfen, welche Maschine am Ende wirklich notwendig und auch sinnvoll ist.

CNC und Software als Einheit sehen

Soweit zur Maschine. Digitale Fertigungsverfahren haben aber in ihrem Kern immer drei Komponenten: die Maschine, die Softwareumgebung und die Mitarbeiter, die die erforderlichen Bearbeitungsprogramme erstellen sollen.

In meiner langjährigen Beratungstätigkeit rund um die Einführung von CAD/CAM-Systemen in Tischlereibetrieben ist mir aufgefallen, dass nicht gerade wenige Betriebe ein BAZ kaufen, bevor sie sich mit dem Thema auseinandersetzen, wie sie denn die Programme für eben diese Maschine erstellen wollen. Aus vielerlei Gründen scheint das Bewusstsein darum, was bei der Anschaffung dieser digitalen Technologie eigentlich alles berücksichtigt werden muss, noch nicht verbreitet genug zu sein. Vielleicht liegt es daran, dass bis zum heutigen Tag in den (Weiter-)Bildungseinrichtungen die fortschreitende Digitalisierung der Entwurfs-, Konstruktions- und Fertigungsprozesse noch zu wenig thematisiert wird. Vielleicht liegt es daran, dass es noch zu wenig Anlaufstellen für eine detaillierte und weitgehend objektive Beratung gibt – oder vielleicht daran, dass einfach noch der Kauf einer CNC gleichgesetzt wird mit dem Kauf einer herkömmlichen Maschine.

Software entscheidet über Produktivität

Der Stellenwert der Softwareumgebung wird leider oftmals unterschätzt – dabei entscheidet sie und die damit notwendig einhergehende Qualifizierung der Mitarbeiter über die Produktivität der gesamten Technologie. Wir werden an dieser Stelle keine Ursachenforschung bieten können, warum nicht gerade wenige Tischlereien erst nach der Anschaffung einer CNC feststellen, dass die Maschine für sich gestellt mit ihrer rudimentären Softwareumgebung nicht die Produktivität bietet, wie sie eigentlich erhofft wurde.

Was ist CAD/CAM?

Die Effektivität des digitalen Fertigungsprozesses ist also zu einem sehr großen Teil von der Ausgestaltung der Softwareumgebung abhängig. Hier entscheidet sich, ob ein Betrieb produktiv die anstehenden Aufgaben bewältigen kann. Egal mit welchen Programmen und Programmkomponenten dabei gearbeitet wird, gilt es eine Regel unbedingt im Auge zu behalten: Daten sollten nur einmal eingegeben werden. Sie werden dann im Laufe des digitalen Entwurfs-, Konstruktions- und Fertigungsprozesses mittels der Programm-Arbeit detailliert und modifiziert, bis das gewünschte Ergebnis erzielt wird. Jede Abweichung von dieser Prozesskette birgt enorme „Zeitfresser“ und Fehlerquellen in sich.

Das Wesen des Prinzips „Daten nur einmal eingegeben“ ist dabei relativ schnell schlüssig erklärbar. Auf dem Weg vom Entwurf zur Maschine sind sehr viele Entscheidungen zu treffen, die in dem Auftrag zu hinterlegen und zu dokumentieren sind. Mithilfe eines 3D-CAD-Programms als zentrales System lassen sich alle Bauteile mit ihren wesentlichen geometrischen Daten modellieren, in Bezug zueinander setzen und direkt kontrollieren. Auf diese Weise wird eine transparente Basis für alle folgenden Maßermittlungen für den Zuschnitt und Fertigung der Bauteile auf dem Bearbeitungszentrum erstellt. Dies wird u. a. durch die Definition der verwendeten Materialien weiter präzisiert – eine weitere wichtige Bezugsgröße für die Fertigung sowie auch für fotorealistische Visualisierungen.


CAD/CAM: Das sagen Kollegen

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CAM steuert Fertigung

Im CAM-Programmbaustein werden die Geometriedaten um die genaueren Definitionen der Bearbeitungsschritte Bohren, Sägen, Fräsen etc. ergänzt, die dann entsprechend der Steuerung des Bearbeitungszentrums in ein jeweils spezifisches Format (als NC-Programm oder als WOP-Programm) übersetzt werden müssen. Computer-aided manufacturing (rechnergestützte Fertigung) beinhaltet dabei im Idealfall das Erstellen komplett abgestimmter Fertigungsprogramme, ohne dass diese am BAZ kontrolliert und/oder modifiziert werden müssen. Der zuständige CAM-Mitarbeiter steuert also über seine Programmarbeit wesentliche Abläufe der Fertigung.

Die Qualität von CAM-Programmen (bzw. CAM-Modulen) entscheidet sich letztendlich daran, welche Steuerungsfunktionen dem Anwender hinsichtlich firmenspezifischer Fertigungsprinzipien geboten werden und wie flexibel er auf die auftragsspezifischen Anforderungen reagieren kann. Diese Steuerungsfunktionen sind bei einer Tischlerei im Übrigen auf Grundlage der hier vorherrschenden individuellen Aufträge (Losgröße 1) deutlich höher anzusiedeln als im Metallbereich. Die Arbeitsvorbereitung einer Tischlerei/Schreinerei muss regelmäßig die besondere Fertigungssituation analysieren und die entsprechenden softwarespezifischen Maßnahmen einleiten.

Beispiel: individueller Küchenwagen

Nehmen wir zwei Bauteile aus dem dargestellten exemplarischen Auftrag des Küchenwagens (TSM3-Projekt des Berufskollegs Bergisch Gladbach). Der Korpus beinhaltet fertigungstechnisch eine eher standardmäßige Gehrungskonstruktion. Für die Korpusseite benötigen wir dabei eine möglichst automatisierte Erzeugung der Fertigungsprogramme für die Innen- und die Außenbearbeitung – also zwei Stück. In dem hier vorliegenden Fall müssten wir zuerst die Innenbearbeitung der Platte mit den Bohrungen, dem Sägen der Schmiegen sowie dem Sägen der Nut vornehmen. Dann müsste die Platte gewendet werden, um die Frästasche zur Aufnahme der Yin-Yang-Applikation erzeugen zu können. Für das erste Programm ist das automatische Setzen eines Aufmaßes in x-Richtung der Platte inklusive Nullpunktverschiebung erforderlich, damit ein sauberer Schmiegenschnitt erfolgen kann – beim zweiten Programm nicht.

Wäre die Frästasche nicht so groß, dass sie das Spannen des Werkstückes auf dem Maschinentisch verhindern würde, könnte die Abfolge sogar umgekehrt werden, damit die anfällige Schmiege des Bauteils geschont werden kann: zuerst also die Außenbearbeitung mit Aufmaß in x und Nullpunktverschiebung – dann die Innenbearbeitung, ebenfalls mit Aufmaß in x und Nullpunktverschiebung.

Bei dem Fertigungsprogramm des Rings müsste (soweit bei Losgröße 1 keine Spann-
schablone verwendet wird) berücksichtigt werden, dass bei der Ausfräsung der inneren Ringkontur unten ca. 0,5 mm stehen bleiben, damit nicht in den Maschinentisch bzw. in die Sauger gefräst wird. Zudem müsste hier ein Werkstückaufmaß in x- und y-Richtung sowie eine Nullpunktverschiebung eingeplant werden.

Da eine solche Fertigungsregel sehr auf das jeweilige Bauteil bezogen ist, muss eine gute Softwareumgebung immer auch den individuellen Eingriff des Anwenders in den Erzeugungsprozess der Maschinenprogramme ermöglichen. An den Umsetzungsmöglichkeiten solch flexibler Anforderungen entscheidet sich letztendlich die Qualität einer CAM-Lösung.

Da die einzelnen Bauteile entsprechend der gewählten Fertigungsprinzipien unterschiedliche Aufmaße benötigen, bedarf es einer Abstimmung der Programmerzeugung mit dem Verfahren der Stücklistenerstellung. Dieser Prozess sollte wiederum möglichst automatisch ablaufen, da jedes händische Nacharbeiten extrem fehleranfällig ist.

Das Ableiten von Fertigungsprogrammen für nicht standardisierten Möbelbau etc. ist also ein äußerst diffiziles Vorhaben und bedarf einer dafür geeigneten CAD/CAM-Software (-kombination). Eine entsprechende Qualifikation der Mitarbeiter ist die zweite Voraussetzung dafür, dass mit einem Bearbeitungszentrum der gewünschte Erfolg erzielt werden kann.


Datenfluss im CAD/CAM-Prozess

Gut zu wissen!

Die wesentlichen Datenströme des in diesem Beitrag beschriebenen CAD/CAM-Prozesses sind in der oben abgebildeten Grafik ohne Anspruch auf Vollständigkeit dargestellt. Hinzugefügt wurde zudem die Generierung von Fertigungsdaten aus einem ERP-System sowie der Hinweis, dass die Basis der Maschinensteuerung auch heutzutage immer noch ein NC-Programm ist. Dieses kann – je nach Notwendigkeit einer Steuerung – aus einem CAM-System direkt erzeugt werden oder es wird automatisch aus dem jeweiligen WOP-System auf dem BAZ generiert, ohne dass der Nutzer Einblick in diesen Prozess bekommt.


BM-Serie „CAD/CAM im Holzhandwerk“

So geht’s weiter

Im Rahmen dieser BM-Serie (Start: BM 3/2019) werden – insbesondere als Hilfestellung für Betriebe, die sich der CAD/CAM-Technologie zuwenden wollen – wesentliche und grundsätzliche Fragestellungen aufgefriffen. Wichtig: Hierbei können ein oder auch mehrere Beiträge natürlich niemals eine notwendige professionelle Beratung oder auch den direkten Austausch mit Kollegen zu den anstehenden CAD/CAM-Prozessen ersetzen.

In der Maiausgabe geht es um wichtige Hinweise zu Entscheidungen im Rahmen der Einführung von CAD/CAM-Systemen:

  • Arbeitsorganisation überdenken und neu strukturieren,
  • Qualifizierungsmaßnahmen planen
  • stufenweise Einführung von Softwarebausteinen
  • Ermittlung der Kosten im Vorfeld: Ist weniger tatsächlich mehr?
  • Informationsbeschaffung: Wer ermöglicht objektive Einblicke in die Technologie?


Der Beitrag zum Download

Klick aufs Bild: Beitrag als PDF anschauen und herunterladen.


Der Autor

Michael Ludolph ist pensionierter Oberingenieur des Instituts für Angewandte Bautechnik der TU Hamburg. Sein Schwerpunkt bei Lehre, Forschung und Beratung war das Thema CAD/CAM für Betriebe des Innenausbaus (Holztechnik). Hierzu hat er mehrere Modellversuche und Pilotprojekte durchgeführt. Mit seiner Hilfe wurde beispielsweise ein Beratungsmodell für die Einführung von CAD/CAM-Systemen mit Lösungsansätzen für die betriebliche Qualifizierung der Mitarbeiter vor Ort entwickelt. In einem weiteren Projekt wurden CAD/CAM-Kooperationsformen herausgearbeitet, damit Betriebe effektiv CNC-Bearbeitungszentren anderer Tischlereien auf Basis gleicher Software nutzen können.


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