3D-Druck vs. CNC-Fräsen für Ihr Prototypenlabor: Ein praktischer Leitfaden

Um genau zu beurteilen, was Sie beim Einrichten eines Prototypenlabors brauchen, ist die erste Aufgabe, sich zwischen 3D-Druck und CNC-Fräsen zu entscheiden.

Beide Optionen haben sich als kritisch für moderne Fertigungsprozesse erwiesen, jede mit einer Reihe von Vorteilen gegenüber traditionellen Fertigungsmethoden. Letztlich kommt es bei „3D-Druck vs. CNC-Fräsen“ darauf an: „Die Entscheidung, einen Prototyp mit einer CNC-Maschine oder einem 3D-Drucker zu fertigen, hängt von einigen Faktoren ab: Preisspanne, Größe des Teils/Prototyps und Art der verwendeten Materialien.“

Deshalb haben wir beschlossen, die Dinge klarzustellen und einige Missverständnisse auszuräumen. Obwohl 3D-Druck zweifellos seinen Platz hat, ist es wichtig, nicht kurzsichtig zu sein, wenn man die Vorzüge von CNC-Fräsmaschinen für industrielles Prototyping bewertet.

Was folgt, ist eine Aufschlüsselung der Definitionen, Geschichten, Anwendungen und Projektionen für beide Prozesse, während die moderne Fertigung sich weiterentwickelt. Letztlich hoffen wir, dass diese Informationen Ihre Entscheidung leiten, was Ihr Unternehmen speziell braucht, wenn es ein Prototypenlabor einrichtet.

3D-Druck vs. CNC-Fräsen definieren

Eine einfache Erklärung von 3D-Druck: „Ein Fertigungsprozess, durch den dreidimensionale (3D) feste Objekte erstellt werden. Er ermöglicht die Erstellung physischer 3D-Modelle von Objekten mittels einer Reihe additiver oder geschichteter Entwicklungsframeworks, wo Schichten nacheinander abgelegt werden, um ein vollständiges 3D-Objekt zu schaffen.“ Deshalb wird 3D-Druck auch als additive Fertigung bezeichnet.

Laut Investopedia: „3D-Drucktechnologie steigert bereits die Fertigungsproduktivität und hat solches Potenzial, dass sie die Fertigungslogistik und Bestandsmanagement-Industrien massiv disrupten könnte – wenn sie erfolgreich in der Massenproduktion eingesetzt werden kann und Fertigung lokaler wird.“

Auf der anderen Seite: „Computer Numerical Control (CNC) Maschinen automatisieren die Steuerung von Werkzeugmaschinen durch Software, eingebettet in einen Mikrocomputer, der am Werkzeug angebracht ist. Sie werden in der Fertigung häufig für die Bearbeitung von Metall- und Kunststoffteilen verwendet.“

Ein häufiges Missverständnis über CNC ist, dass diese automatisierte Steuerung einen Preis hat – buchstäblich. CNC wird oft fälschlicherweise als teurer angenommen, teils wegen des Glaubens, dass hochqualifizierte Arbeitskräfte erforderlich sind. In Wirklichkeit hat CNC-Bearbeitung erhebliche Fortschritte weg von diesen ursprünglichen Wahrheiten gemacht.

3D-Druck – Eine kurze Geschichte

Die modernen Anwendungen des 3D-Drucks wurzeln in den frühen 1980ern. Die Geschichte des 3D-Drucks ist eine Studie in rapider Evolution. Nach der 1981er Entstehung des 3D-Drucks kam die 1984er Erfindung der Stereolithografie, die „eine Form der 3D-Drucktechnologie ist, die für die Erstellung von Modellen, Prototypen, Mustern und Produktionsteilen in Schicht-für-Schicht-Manier mittels photochemischer Prozesse verwendet wird, bei denen Licht chemische Monomere verknüpft, um Polymere zu bilden.“

Die Medizindindustrie nutzte die Fortschritte des 3D-Drucks bald; zuerst 1999, als das Wake Forest Institute for Regenerative Medicine unter Leitung von Anthony Atala, MD, den erfolgreichen Druck und die Generierung menschlichen Blasen-Gewebes verkündete, das dann in Individuen transplantiert wurde mit geringem Risiko der Immunabstoßung, da es aus ihrer eigenen Zellstruktur oder Gerüsten gebaut war.

Schnellvorlauf zu 2016, als „das Institut Erfolg beim Druck lebender Gewebestrukturen mit einem spezialisierten 3D-Drucker verkündete, den seine Forscher über ein Jahrzehnt entwickelt hatten. Die Wissenschaftler druckten Ohr-, Knochen- und Muskelstrukturen, die, in Tiere implantiert, zu funktionalem Gewebe reiften und ein Blutgefäßsystem entwickelten.“

Aktuell: „Die fortschrittlichste erwartete 3D-Druckanwendung ist der Bioprint komplexer Organe. Es wird geschätzt, dass wir weniger als 20 Jahre von einem voll funktionsfähigen druckbaren Herzen entfernt sind.“

Bezüglich der industriellen Nutzung von Rapid Prototyping via 3D-Druck: „Hersteller erhöhen ihre Abhängigkeit von 3D-Druck als Teil ihrer breiteren Fertigungsstrategien, mit Produktionsnutzung bei 51 % aller Befragten von 38,7 % 2018.“

Das sollte nicht überraschen, besonders wenn man einige Highlights von Forbes' The State of 3D Printing, 2019 betrachtet:

Laut diesem Bericht waren acht Branchen in der Forschungsdesignstudie vertreten: Industrial Goods (13,6 %), High Tech (10,6 %), Services (9,9 %), Consumer Goods (8,6 %), Health & Medical (6,2 %), Automotive (5,7 %), Aerospace & Defense (5,5 %) und Education (4,9 %) – was das diverse Potenzial von 3D-Druck zur Unterstützung verschiedener Vertikaler illustriert.

Doch in The Battle of Manufacturing: Additive vs. Subtractive herrschen CNC-Maschinen vor: „Obwohl additive Fertigung beeindruckende Fortschritte in Luftfahrt und Autoindustrie gemacht hat, bleibt CNC-Bearbeitung die erste Wahl für die große Mehrheit der Hersteller.“

Wie CNC-Fräsmaschinen entstanden

Wie in History and Definition of CNC 100 skizziert, waren CNC-Maschinen, ursprünglich als NC-Maschinen bekannt, „durch komplexe elektrische Schaltkreise gesteuert. NC-Maschinen lasen und führten eine Codezeile nach der anderen aus einem Teilprogramm aus, das in ein Papierband oder Mylarband gestanzt war.“

Mit der Entwicklung kleiner Computer begannen Computer, Werkzeugmaschinen zu steuern – hence die Geburt von CNC als Fertigungsprozess. Von jener ersten Codezeile haben CNC-Maschinen die Kapazität entwickelt, hunderte Programme zu speichern.

Für eine tiefgehende Geschichte der CNC-Werkzeugmaschinen deckt Encyclopedia.com alle Basen ab. Interessant zu beachten:

Doch wir können mehrere kritische Highlights auf folgender Timeline festhalten:

• Werkzeugmaschinen wie Holzdrehbänke sind biblisch, aber erst 1800 erfand Henry Maudslay eine Metall-Drehbank.
• Kurz darauf, 1818, führte Eli Whitney (bekannt für die Erfindung der Baumwollentkörnungsmaschine) die erste Fräsmaschine ein.
• Beide erforderten menschliche Bediener, was zu menschlichem Fehler am Fertigprodukt führte.
• Nach WWII führte John T. Parsons die erste moderne Fräsmaschine ein, die einen frühen IBM-Computer in diese Pläne integrierte.
• Die 1960er brachten niedrigere Preispunkte und leichter zugängliche Maschinen, was sie integraler für zusätzliche Anwendungen und Industrien machte.
• Mit fortschreitender integrierter Elektronik wurde das Papier- oder Mylarband (oben referenziert) eliminiert, moderne Maschinen lesen Daten nun aus dem Programmspeicher des Computers.

Aktuell: „Gängige Fertigungsprozesse, die CNC-Maschinen nutzen, umfassen Biegen, Bohren, Lochen, Kleben, Schleifen, Laserschneiden, Flammen- und Plasmaschneiden, Fräsen, Pick-and-Place, Ultraschallschweißen und mehr. Fräsmaschinen, Drehbänke, Erodieren und Wasserstrahlschneiden arbeiten oft mit CNC.“

Ein kurzer Blick auf die Geschichten sowohl von 3D-Druck als auch CNC-Maschinen belegt das Potenzial beider, Ihre Fertigungsprozesse beim Einrichten eines Prototypenlabors zu optimieren.

Additive vs. Subtractive Fertigungsprozesse bewerten

Um zu bestimmen, ob Ihr Prototypenlabor 3D-Druck oder CNC-Fräsmaschinen benötigt, müssen Sie zuerst überlegen, ob Ihre Produkte so designed sind, dass sie am effektivsten und effizientesten nach additiven vs. subtraktiven Fertigungsprozessen geliefert werden.

Ein Schlüsselvorteil von subtraktiv gegenüber additiv: „Neben der Eliminierung der Schichtung additiver Prozesse haben subtraktive Prozesse andere Vorteile. Sie bieten eine Vielfalt an Oberflächenbeschaffenheiten, beseitigen die ‚gestuften‘ Oberflächen, die oft in vielen additiven Prozessen gefunden werden. Die Oberfläche kann funktional wichtig sein, wenn Teile gleiten müssen, und kosmetisch wichtig, wenn Prototypen für Markttests verwendet werden.“

Es hilft, die Arten von Anwendungen zu betrachten, die diese Prozesse unterstützen.

Additive vs. Subtractive Anwendungen verstehen

Obwohl der Neuling zwischen den beiden: „Additive Fertigung wird bereits verwendet, um ein beeindruckendes Array von Produkten herzustellen.“ Diese Produkte finden sich primär in: Luftfahrt, Autoindustrie, Healthcare und Produktentwicklung.

Trotz der trendigen Natur von 3D-Druck in verschiedenen Branchen bleibt die Tatsache: „Subtraktive Fertigung gibt Ihnen die Möglichkeit, in Endverwendungsmaterialien zu designen, prototypen und zu fertigen. Es ist eine 적절한 Wahl für Teile, die für kleine und große Serienläufe genutzt werden, um spezifische Oberflächen oder spezifische mechanische Eigenschaften zu erhalten.“

Aus diesem Grund: „Subtraktive Prozesse werden in der Fertigung sehr breit genutzt… Drehen, Fräsen, Bohren, Sägen, Gewindeschneiden und Verzahnungsschneiden sind einige Beispiele subtraktiver Prozesse mit Metallbearbeitung, die traditionell in spezialisierten Maschinen durchgeführt werden.“

Lärm und Vibration im Blick behalten

Wenn man an einige der grundlegenden Werkzeuge denkt, die in der CNC-Bearbeitung verwendet werden: Fräse, Drehbank, Plasmaschneider, Erodieren, Mehrspindelmaschine, Wasserstrahlschneider – es ist nicht schwer sich vorzustellen, dass subtraktive Fertigungsprozesse mehr Lärm und Vibration vor Ort erzeugen als additive Fertigung wie 3D-Druck. Je nach Standort wird dies wahrscheinlich beeinflussen, was Sie für Ihr optimales Prototypenlabor brauchen.

Was ist einfacher zu bedienen? 3D-Drucker oder CNC-Maschinen

Im Allgemeinen wird 3D-Druck als einfachere Bedienung im Vergleich zu CNC's angepriesen. Der Hauptgrund: „Weil einmal die Datei vorbereitet ist, müssen Sie nur die Teilorientierung, Füllung und Stützen wählen, falls nötig. Dann, sobald der Druck begonnen hat, ist kein Supervisor erforderlich und der Drucker kann laufen gelassen werden, bis das Teil fertig ist.“

Weil CNC's involvierter sind, was Arbeitskraft betrifft, gibt es den weitverbreiteten Glauben, dass CNC-Bearbeitung einen ausgebildeten Zerspaner erfordert. Zwar mag das früher der Fall gewesen sein, aber Zeiten haben sich geändert.

Unsere DATRON-Maschine integriert mehrere Features, die einfaches Setup ermöglichen. Tatsächlich kann die Maschine einen novice User durch den gesamten 8-Schritte-Prozess der Ersteinrichtung einer CNC-Maschine führen. Letztlich dauert es durchschnittlich nur ein bis zwei Tage Training, um sich wohl und sicher mit der Technologie zu fühlen.

Die Oberfläche ist so gestaltet, dass sie ähnlich wie ein Smartphone aussieht und funktioniert, komplett mit Kamera und mechanischem Tastsystem, das das Teil automatisch registriert und die Notwendigkeit eines qualifizierten Technikers zur Eingabe dieser Informationen eliminiert. Integrierte Spanntechnologie und Schneidwerkzeugtechnologie sind inklusiv, halten den gesamten Prozess im Haus, indem sie die Notwendigkeit beseitigen, ähnliche Komponenten anderswo zu spezifizieren und zu kaufen.

Ihre Limits kennen: Genauigkeit, Größe & geometrische Komplexität

Beim Vergleich 3D-Druck vs. CNC-Bearbeitung – Was ist die beste Option für Ihren Prototyp? sagt Josh Biggs: „Einerseits ist CNC-Bearbeitung eine großartige Option, wenn Sie nach großer dimensionsgenauer Genauigkeit suchen. Zusätzlich kann CNC-Bearbeitung mit Materialien arbeiten, die noch nicht gedruckt werden können, wie Holz zum Beispiel. CNC-Bearbeitung schlägt 3D-Druck auch bei Metallen und funktioniert genauso gut mit Kunststoffen.“

Er fährt fort: „Zusätzlich bieten CNC-Maschinen meist präzisere Ergebnisse. CNC-Maschinen sind die bessere Wahl, wenn Sie sehr schmale Teile oder unglaublich enge Toleranzen brauchen. Nichts sonst matcht die 0,01 mm Toleranzen.“

Sogar das Team bei 3Dnatives, das sich auf additive Fertigungsdetails und alles rund um 3D-Druck spezialisiert hat, berichtet einen erheblichen Vorteil subtraktiver Fertigung: „In puncto Toleranz ist CNC-Bearbeitung allen 3D-Druckprozessen überlegen.“

Bei der Fertigung von Teilen mit hoher geometrischer Komplexität hat 3D-Druck jedoch den Vorteil.

Kosten abwägen: 3D-Druck vs. CNC

Wie Sie sehen, ist Fertigung keine Single-Solution-Proposition. Der Geldbetrag, der für Ihr Prototypenlabor nötig ist, hängt nicht nur davon ab, was Sie produzieren, sondern auch von Größe und Stückzahl.

Beispielsweise laut Biggs' einfacher Kosten-Nutzen-Analyse:

Interesting Engineering veröffentlichte Common Misconceptions about CNC Machining Production, die den Mythos über kostspielige CNC-Prozesse entkräftet:

Offensichtlich ist der kosteneffektivste Weg für Ihr Unternehmen am besten durch Ihre spezifischen Produktdesigns und -pläne bestimmt.

Bei 3D-Druckern laufen Optionen, Größen und Preisspannen die ganze Bandbreite ab – und ebenso, was jeder tatsächlich aus verschiedenen Materialien drucken kann. Zusätzlich zu unbekannten oder undefinierten Materialkosten benötigen Bediener meist Training von einem ansässigen Experten, was eine Investition in Personalbildung darstellt.

Mit DATRON-Geräten verarbeiten unsere Schneidmaschinen Kunststoff, Holz, Aluminium und Stahl von jedem Lieferanten, sodass Sie Ihre Materialkosten im Voraus kalkulieren und festlegen können. Wie erklärt, ist kein fortgeschrittenes Training für die Bedienung unserer Maschinen nötig – was Personalkosten spart und DATRON-CNC-Maschinen zu einer kosteneffektiveren Alternative macht.

Verschwendung vermeiden

Angesichts der Natur subtraktiver Fertigung – Materialschichten abtragen, um ein Produkt zu schaffen – ganz zu schweigen von den Arten von CNC-Bearbeitungswerkzeugen, die nötig sind, sollte es keine Überraschung sein, dass CNC-Maschinen etwas Unordnung hinterlassen können.

Wie viel Unordnung und was dieser Abfall bedeuten könnte, bewertete Energy.gov im 2015er Review „Innovating Clean Energy Technologies in Advanced Manufacturing“. Der Bericht hebt einen Vorteil additiver Fertigung hervor: sein Potenzial, „Energie zu sparen, indem Produktionsschritte eliminiert werden, wesentlich weniger Material verwendet wird, Nebenprodukte wiederverwendet werden und leichtere Produkte entstehen.“

Der Bericht fährt fort:

Einen saubereren Akt einführen

Bei DATRON haben wir unsere High-Speed-Machining-Geräte feinjustiert, um die Unordnung zu eliminieren, was es ermöglicht, fertigte Teile ohne Entgraten oder Entfetten zu entnehmen.

Was mehr ist: DATRONs CNC-Werkzeuge und Zubehör bieten die höchste RPM in der kleinsten Footprint-Maschine am Markt – betrachten Sie es als unsere eigene Green Initiative.

Typischerweise verfügen CNC-Fräsmaschinen mit industriellen Fähigkeiten über große Motoren, die viel Wärme erzeugen, was Öl zum Kühlen und Schmieren der Maschinenkomponenten erfordert. Ölentsorgung ist nötig, aber der Prozess birgt Umweltrisiken, wie wir bei großen Ölpest-Unfällen gesehen haben.

Da wir nicht die gleiche Menge an Wärme, Öl oder Flutkühlmittel benötigen, um die Maschinen zu erhalten, bieten wir bessere Energieeinsparungen bei viel kleinerem Footprint.

Das Urteil: 3D-Druck vs. CNC-Bearbeitung

Was Sie in Ihrem professionellen Prototypenlabor brauchen – ob 3D-Druck oder CNC-Bearbeitung – wird am besten durch Ihr spezifisches Produkt bestimmt. Während wir hoffen, dass die geteilten Informationen etwas Klarheit brachten, ist die Wahrheit: Beide, 3D-Druck und CNC-Bearbeitung, können funktionieren – oder sich sogar ergänzen, basierend auf Ihren Fertigungsbedürfnissen.

Tatsächlich gibt es mehrere Fälle für „When You Should Combine 3D Printing and CNC Machining“, primär aufgrund von Toleranzen, Zeit und/oder signifikant großem Werkstück; zudem: „Die Kombination dieser beiden Prozesse erfordert nicht den komplexen Workflow, den Sie sich vielleicht vorstellen. Genauso wichtig: Sie kann mehrere bedeutende Vorteile für Ihr Fertigungsunternehmen liefern.“

Für eine tiefere Diskussion über den Fertigungsprozess oder die Kombination von Prozessen, die ideal für Ihr Prototypenlabor ist, kontaktieren Sie uns. Wir reagieren schnell und teilen gerne unsere Expertise.