Prototypenbearbeitung:Vor- und Nachteile von CNC für Prototypen

Was ist CNC-Bearbeitung?

Computer Numerical Control (CNC)-Bearbeitung ist ein Herstellungsprozess, bei dem Computereingaben verwendet werden, um Bearbeitungswerkzeuge wie Bohrer und Drehmaschinen zu steuern. Es wird in vielen Branchen für eine Vielzahl von Prototypen und Endverbrauchsteilen verwendet.

Der Prozess beginnt mit einem digitalen 3D-Design, das mit einer CAD-Software erstellt wird und das ein Computer in eine Reihe von Anweisungen für die Schneidwerkzeuge der Maschine übersetzen kann. Diese Anweisungen werden als G-Code bezeichnet. Sobald der G-Code an die Maschine gesendet wurde, ist nur sehr wenig manuelle Überwachung erforderlich, da die Maschine weiß, wann und wo sie schneiden muss, und die Bearbeitung autonom durchführt. Dies führt zu erheblichen Zeit- und Kosteneinsparungen im Vergleich zur herkömmlichen Bearbeitung, bei der ein erfahrener Maschinist das Werkstück mit manuell betriebenen Schneidwerkzeugen schneidet.

Die Bearbeitung ist ein subtraktiver Prozess, was bedeutet, dass die Ausrüstung vorhandenes Material entfernt, anstatt neues Material einzuführen. Im Gegensatz zur additiven Fertigung, bei der ein 3D-Drucker Material in Schichten aufträgt, um ein Objekt zu bilden, werden bei der CNC-Bearbeitung Abschnitte von einem formlosen Block, dem sogenannten „Werkstück“, abgeschnitten. Überschüssiges Material wird entsorgt oder recycelt und hinterlässt schließlich ein fertiges Teil. Komplexere CNC-Maschinen mit einer größeren Anzahl von Achsen sind in der Lage, das Werkstück auf komplexere Weise zu schneiden und Teile mit komplizierteren Geometrien herzustellen.

Die CNC-Bearbeitung ist dank ihrer Vielseitigkeit, Genauigkeit, Konsistenz und einer großen Auswahl an kompatiblen Materialien ein weit verbreitetes Herstellungsverfahren:Obwohl Aluminiumlegierungen das am häufigsten verwendete Material für die Bearbeitung sind, können auch zahlreiche andere Metalle und Kunststoffe verwendet werden.

Ist die CNC-Bearbeitung gut für das Prototyping?

Obwohl viele den 3D-Druck heute als die dominierende Form des Rapid Prototyping betrachten, ist die CNC-Bearbeitung auch ein wichtiger Prozess zur Herstellung von Prototypenteilen. Um zu verstehen, warum, ist es hilfreich, die verschiedenen Formen zu betrachten, die ein Prototyp annehmen kann, und zu überlegen, warum diese Prototypen existieren.

Prototypen können viele verschiedene Funktionen haben. Im einfachsten Fall fungieren sie als Platzhalter oder Requisiten – lose Darstellungen eines endgültigen Teils, die verwendet werden, um visuelle Informationen darüber zu vermitteln, wie der endgültige Teil aussehen oder sich verhalten wird. Diese sehen aus wie Prototypen kann verwendet werden, um den F&E-Prozess zu leiten oder den Konzeptnachweis zu erbringen. Wenn sie nach einem hohen ästhetischen Standard hergestellt werden, können sie auch verwendet werden, um potenziellen Investoren ein neues Produkt vorzustellen. Solche Prototypen können sehr wichtig sein, müssen aber nicht unbedingt mit professionellen High-End-Geräten hergestellt werden:Sie können von Hand gefertigt oder mit einem Low-End-Desktop-3D-Drucker gedruckt werden.

Einige Prototypen dienen jedoch mehr als nur der visuellen Darstellung. Je nach Phase der Produktentwicklung müssen Unternehmen möglicherweise technische Prototypen erstellen oder Produktionsprototypen :Prototypen, die nicht nur aussehen wie der letzte Teil, funktionieren aber auch so und fungieren als Ersatz so nah wie möglich an der Realität. Während der 3D-Druck eine großartige Option für das Aussehen von Prototypen sein kann, ist die CNC-Bearbeitung oft für diese funktionalen Prototypen vorzuziehen, die Festigkeit, mechanische Stabilität oder andere Eigenschaften erfordern, die von additiven Verfahren nicht erbracht werden. Schließlich werden nicht viele Teile für den Endverbrauch mit einem 3D-Drucker hergestellt.

Die CNC-Bearbeitung kann eine ausgezeichnete Wahl für das Prototyping sein, aber ihre Eignung hängt von der Art des Prototyps ab. Zu welchem ​​Zweck wird der Prototyp verwendet? Aus welchem ​​Material wird es gefertigt? Und aus welchem ​​Material wird das Finale Teil gemacht werden? Diese und andere Fragen führen den Benutzer schließlich zur am besten geeigneten Prototyping-Methode.

CNC-gefräster Aluminium-Prototyp

Vorteile des Prototyping mit CNC-Bearbeitung

Es gibt zahlreiche Gründe, warum ein Unternehmen die CNC-Bearbeitung zur Herstellung eines Prototyps verwenden kann, darunter Produktionsgeschwindigkeit, Teilequalität, Materialoptionen und Ähnlichkeit mit dem endgültigen Teil.

Von der Datei zum Prototyp

Einer der größten Vorteile der CNC-Bearbeitung ist das „CNC“-Element. Da die CNC-Bearbeitung ein digitaler Prozess ist, bei dem ein Teil aus einer Computerdatei erstellt wird, wissen Ingenieure, dass ein bearbeiteter Prototyp dem digitalen 3D-Design genau entspricht und dass dasselbe digitale Design später verwendet werden kann, um ein endgültiges Teil mit identischen Abmessungen zu erstellen. Der Grad der Wiederholbarkeit ist besonders hoch.

Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung digitaler 3D-Designs schnelle und präzise Änderungen. Wenn ein bearbeiteter Prototyp einen physikalischen Fehler aufweist, der auf ein schlechtes Design zurückzuführen ist, kann der Ingenieur zur CAD-Software zurückkehren, um geeignete Änderungen für den nächsten Prototyp vorzunehmen. Verschiedene Versionen können nebeneinander verglichen werden, und Simulationssoftware kann sogar verwendet werden, um präventiv zu testen, wie sich ein Teil in der realen Welt verhalten wird.

3D-CAD-Datei

Prototyp durch 5-Achsen-CNC-Bearbeitung

Qualität und Konsistenz

Computer sind nicht perfekt, aber computergesteuerte Maschinen neigen dazu, genau so zu funktionieren, wie sie es sollen – es sei denn, sie fallen aus. Während viele Prototyping-Prozesse auf menschliche Fähigkeiten angewiesen sind (und daher anfällig für menschliche Fehler sind), befolgen CNC-Maschinen ihre Anweisungen bis auf den Bruchteil eines Millimeters.

Wichtig ist, dass sie es auch immer und immer wieder tun können. Obwohl ein Unternehmen möglicherweise nur einen einzigen Prototyp herstellt, kann eine CNC-Maschine bei Bedarf denselben Auftrag ein zweites Mal mit minimaler Abweichung vom ersten ausführen. Dies ist unglaublich nützlich für die Entwicklung neuer Iterationen eines Prototyps und für den Übergang zur Produktion mit denselben Maschinen. (Manuelle Prozesse sind unglaublich wichtig, aber es ist einfacher, Konsistenz mit einer automatisierten Maschine zu gewährleisten.)

Sortiment an starken Materialien

Wenn ein Prototyp keinen mechanischen Zweck hat, eignet er sich möglicherweise für den 3D-Druck, der – obwohl nicht für die Herstellung hochfester Teile bekannt – sehr wenig kostet und in kurzer Zeit durchgeführt werden kann. Bei den meisten 3D-Druckverfahren sind die Materialoptionen jedoch enger als bei der maschinellen Bearbeitung.

Die CNC-Bearbeitung bietet nicht nur eine große Auswahl an kompatiblen Materialien, sondern auch einige extrem starke und langlebige Materialien, darunter eine große Auswahl an Metallen. Es ist auch möglich, mit Metallen in 3D zu drucken, aber nicht mit einem kostengünstigen FDM-Drucker.

Gängige CNC-Bearbeitungsmaterialien umfassen:

Metalle	Kunststoffe
Aluminium	ABS
Stahl	PC
Edelstahl	PP
Magnesium	PS
Titan	POM
Zink	PMMA
Messing	PAGF30
Bronze	PCGF30
Kupfer	Teflon
	LDPE
	HDPE

Ähnlichkeit zum letzten Teil

Ein weiterer großer Vorteil der CNC-Bearbeitung für Prototypen ist die Möglichkeit, Prototypen zu erstellen, die dem endgültigen Teil ähneln. Da Bearbeitungszentren sowohl Endverbraucherteile als auch Prototypen herstellen können, ist es möglich, Prototypen zu erstellen, die dem Endprodukt nahe kommen – eine Leistung, die mit 3D-Druck oder anderen Methoden selten möglich ist.

Ein Teil davon ist auf Materialien zurückzuführen. Viele Konstruktionsmetalle sind gut bearbeitbar, was es Ingenieuren ermöglicht, Prototypen aus den gleichen (oder ähnlichen) Materialien herzustellen, die sie für das endgültige Teil verwenden werden. Aber auch die Qualität des Prozesses selbst spielt eine Rolle:Bearbeitete Teile sind stark und weisen entlang bestimmter Achsen keine Schwächen auf wie gedruckte Teile, während der Bearbeitungsprozess selbst dazu verwendet werden kann, andere Prozesse wie die Blechumformung zu replizieren.

Darüber hinaus erleichtert die Erstellung eines Prototyps, der in Aussehen und Verhalten dem endgültigen Teil ähnelt, den Übergang zur Brückenproduktion, da weniger wesentliche Änderungen vorgenommen werden müssen.

Nachteile des Prototyping mit CNC-Bearbeitung

Trotz ihrer Vorteile weist die CNC-Bearbeitung als Prototyping-Methode gewisse Einschränkungen auf, was Unternehmen dazu veranlassen kann, einen alternativen Ansatz zu bevorzugen.

Teurer als 3D-Druck

Einer der offensichtlichen Nachteile der CNC-Bearbeitung von Prototypen sind die Kosten des Prozesses. Bearbeitungszentren sind große Maschinenteile, die eine erhebliche Leistung und eine größere menschliche Überwachung erfordern als 3D-Drucker. Bearbeitbare Metalle haben auch einen höheren Preis als herkömmliche Druckmaterialien wie PLA.

Dies ist einer der Hauptgründe, warum Ingenieure alternative Prototyping-Prozesse wählen, selbst wenn sie beabsichtigen, ihre endgültigen Teile maschinell zu bearbeiten. Die Entwicklung kann Ressourcen belasten, und es ist verständlich, wenn Unternehmen während der (frühen) Prototyping-Phase alle Ausgaben kürzen müssen.

Einige geometrische Einschränkungen

4-Achs- und 5-Achs-Bearbeitungszentren bieten ein hohes Maß an geometrischer Flexibilität, aber auch diese Maschinen haben ihre Grenzen. Für aufwändige Strukturen mit komplexen Innengeometrien können additive Fertigungsverfahren besser geeignet sein, da sie nicht durch die Winkel von Schneidwerkzeugen eingeschränkt sind.

Denken Sie jedoch daran, dass 3D-gedruckte Prototypen irreführend sein können:Ein digitales 3D-Design, das perfekt aus einem 3D-Drucker herauskommt, kann möglicherweise nicht mit der gewählten Produktionsausrüstung hergestellt werden, seien es Bearbeitungszentren, Spritzgießmaschinen oder etwas anderes. Geometrische Flexibilität für Prototypen ist nur hilfreich, wenn diese Flexibilität auf das endgültige Teil repliziert werden kann.

Abfallmaterial

Da die CNC-Bearbeitung ein subtraktiver Prozess ist, wird mehr Material benötigt, als tatsächlich in das Teil einfließt. Ein Teil des Materials wird weggeschnitten und endet als Metall- oder Kunststoffspäne, die dann entsorgt werden müssen. Dies unterscheidet sich von additiven Prototyping-Prozessen, bei denen kein Abfallmaterial entsteht, es sei denn, der Druck schlägt fehl und muss wiederholt werden.

Die Verwendung der maschinellen Bearbeitung als Prototyping-Prozess kann aufgrund des erhöhten Materialverbrauchs und der Verschwendung zu höheren Materialkosten führen. Späne können jedoch häufig recycelt werden, sodass die Umweltauswirkungen des Prozesses nicht schwerwiegend sein müssen. (Der Verkauf von recycelbarem Abfallmaterial kann auch dazu beitragen, einige Materialkosten wieder hereinzuholen.)

Meterial aus massivem Block entfernt

Rapid Tooling:Spritzgegossene Prototypen durch CNC-Bearbeitung

Wir haben gesehen, wie die CNC-Bearbeitung ein ausgezeichneter Prototyping-Prozess sein kann. Die maschinelle Bearbeitung kann aber auch indirekt zur Herstellung von Spritzguss-Prototypen verwendet werden.

Durch die CNC-Bearbeitung von Werkzeugen oder Formen erhalten Unternehmen eine kostengünstigere Möglichkeit, die für das Spritzgießen erforderliche Vorrichtung herzustellen. Dieses CNC-bearbeitete Werkzeug kann schneller erstellt werden als herkömmliche Werkzeuge und ist daher eine Abkürzung zu geformten Prototypen. (Für die endgültigen Formteile nach der Prototyping-Phase können traditionelle Werkzeugmethoden eingesetzt werden.)

Die Verwendung des Rapid-Tooling-Verfahrens ist viel kostengünstiger, wenn größere Mengen an Formteilen bestellt werden, da die maschinell bearbeiteten Werkzeuge in der Herstellung viel mehr kosten als die Harzformteile selbst. Und obwohl große Mengen während der Prototyping-Phase möglicherweise nicht besonders wünschenswert sind, sind die authentischen geformten Prototypen repräsentativer für ein geformtes Teil als beispielsweise eine 3D-gedruckte Alternative.

Wenden Sie sich an 3ERP um herauszufinden, ob die CNC-Bearbeitung der beste Prototyping-Prozess für Ihr Projekt ist.