3D-Druck vs. CNC-Fräsen:Was brauchen Sie beim Einrichten eines Prototyping-Labors?

Um genau einschätzen zu können, was Sie beim Einrichten eines Prototyping-Labors benötigen, müssen Sie sich zunächst zwischen 3D-Druck und CNC-Fräsen entscheiden.

Beide Optionen haben sich für moderne Herstellungsprozesse als entscheidend erwiesen, wobei jede eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Herstellungsmethoden bietet. Letztendlich, wenn es um 3D-Druck vs. CNC-Fräsen geht:„Die Entscheidung, einen Prototyp mit einer CNC-Maschine oder einem 3D-Drucker herzustellen, hängt von einigen Dingen ab; die Preisspanne, die Größe des Teils/Prototyps und die Art der verwendeten Materialien.“

Aus diesem Grund haben wir uns entschieden, den Sachverhalt klarzustellen und ein paar Missverständnisse auszuräumen. Obwohl der 3D-Druck zweifellos seinen Platz hat, ist es wichtig, bei der Bewertung der Vorzüge von CNC-Fräsen in Bezug auf das industrielle Prototyping nicht kurzsichtig zu sein.

Was folgt, ist eine Aufschlüsselung der Definitionen, Geschichten, Anwendungen und Prognosen für beide Prozesse im Zuge der Weiterentwicklung der modernen Fertigung. Letztendlich hoffen wir, dass diese Informationen Ihre Entscheidung leiten, wenn es darum geht, was Ihr Unternehmen speziell beim Einrichten eines Prototyping-Labors benötigt.

Definition von 3D-Druck vs. CNC-Fräsen

Eine einfache Erklärung des 3D-Drucks „ist ein Herstellungsprozess, durch den dreidimensionale (3D) feste Objekte erstellt werden. Es ermöglicht die Erstellung physischer 3D-Modelle von Objekten mithilfe einer Reihe von additiven oder geschichteten Entwicklungsrahmen, bei denen Schichten nacheinander abgelegt werden, um ein vollständiges 3D-Objekt zu erstellen.“ Aus diesem Grund wird der 3D-Druck auch als additive Fertigung bezeichnet.

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

Andererseits automatisieren CNC-Maschinen (Computer Numerical Control) die Steuerung von Werkzeugmaschinen durch die Verwendung von Software, die in einen an das Werkzeug angeschlossenen Mikrocomputer eingebettet ist. Es wird häufig in der Fertigung zur Bearbeitung von Metall- und Kunststoffteilen verwendet.“

Ein weit verbreitetes Missverständnis über CNC ist, dass diese automatisierte Steuerung mit Kosten verbunden ist – im wahrsten Sinne des Wortes. CNC wird oft fälschlicherweise als teurer angesehen, teilweise aufgrund der Annahme, dass hochqualifizierte Arbeitskräfte erforderlich sind. Tatsächlich hat sich die CNC-Bearbeitung erheblich von diesen anfänglichen Wahrheiten entfernt.

3D-Druck – eine kurze Geschichte

Die modernen Anwendungen des 3D-Drucks haben ihre Wurzeln in den frühen 1980er Jahren. Die Geschichte des 3D-Drucks ist eine Studie in rasanter Entwicklung. Nach der Einführung des 3D-Drucks im Jahr 1981 folgte 1984 die Einführung der Stereolithographie, die „eine Form der 3D-Drucktechnologie ist, die zum schichtweisen Erstellen von Modellen, Prototypen, Mustern und Produktionsteilen unter Verwendung photochemischer Prozesse verwendet wird, bei denen Licht chemische Monomere verursacht miteinander zu verbinden, um Polymere zu bilden.“

Die medizinische Industrie profitierte bald von den Fortschritten des 3D-Drucks; Zuerst im Jahr 1999, als das Wake Forest Institute for Regenerative Medicine unter der Leitung von Anthony Atala, MD, den erfolgreichen Druck und die Generierung von menschlichem Blasengewebe ankündigte, das dann auf Personen übertragen wurde, bei denen nur ein geringes Risiko bestand, dass ihr Immunsystem das Implantat abstoßen würde, da dies der Fall war aus ihrer eigenen Zellstruktur oder ihren Gerüsten aufgebaut.

Spulen wir vor bis 2016, als „das Institut den Erfolg beim Drucken lebender Gewebestrukturen mit einem spezialisierten 3D-Drucker bekannt gab, den seine Forscher über ein Jahrzehnt entwickelt hatten. Die Wissenschaftler druckten Ohr-, Knochen- und Muskelstrukturen, die, wenn sie in Tiere implantiert wurden, zu funktionellem Gewebe reiften und ein System von Blutgefäßen entwickelten.“

Derzeit ist „die fortschrittlichste 3D-Druckanwendung, die erwartet wird, das Bioprinting komplexer Organe. Es wurde geschätzt, dass wir weniger als 20 Jahre von einem voll funktionsfähigen druckbaren Herzen entfernt sind.“

In Bezug auf die industrielle Nutzung von Rapid Prototyping über 3D-Druck „vermehren sich Hersteller auf 3D-Druck als Teil ihrer umfassenderen Fertigungsstrategien, wobei die Produktionsnutzung von 38,7 % im Jahr 2018 auf 51 % aller Befragten angestiegen ist.“

Dies sollte nicht überraschen, insbesondere wenn Sie einige Highlights berücksichtigen, die von Forbes’ The State of 3D Printing, 2019, veröffentlicht wurden:

Laut diesem Bericht waren acht Branchen in der Forschungsdesignstudie enthalten:Industriegüter (13,6 %), Hightech (10,6 %), Dienstleistungen (9,9 %), Konsumgüter (8,6 %), Gesundheit und Medizin (6,2 %), Automobilindustrie (5,7 %), Luft- und Raumfahrt &Verteidigung (5,5 %) und Bildung (4,9 %), was das vielfältige Potenzial des 3D-Drucks zur Unterstützung und zum Nutzen verschiedener Branchen veranschaulicht.

In The Battle of Manufacturing:Additive vs. Subtractive dominieren jedoch CNC-Maschinen:„Obwohl die additive Fertigung in der Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie einige beeindruckende Fortschritte gemacht hat, bleibt die CNC-Bearbeitung für die überwiegende Mehrheit der Hersteller die erste Wahl.“

Wie CNC-Fräsen entstanden sind

Wie in der Geschichte und Definition von CNC 100 beschrieben, wurden CNC-Maschinen, ursprünglich als NC-Maschinen bekannt, „durch komplexe elektrische Schaltungen gesteuert. NC-Maschinen lesen und führen eine Codezeile nach der anderen aus einem Teileprogramm aus, das in ein Papierband oder Mylar-Band gestanzt ist.“

Als sich die Technologie kleiner Computer weiterentwickelte, begannen Computer, Werkzeugmaschinen zu steuern; daher die Geburt von CNC als Fertigungsverfahren. Ausgehend von dieser ersten Codezeile haben CNC-Maschinen die Fähigkeit entwickelt, Hunderte von Programmen zu speichern.

Für eine ausführliche Geschichte der CNC-Werkzeugmaschinen deckt Encyclopedia.com alle Grundlagen ab. Es ist interessant festzustellen, dass:

Wir können jedoch einige kritische Highlights auf der folgenden Zeitachse feststellen:

• Werkzeugmaschinen wie Drehbänke für die Holzbearbeitung sind biblisch, aber erst 1800 erfand Henry Maudslay eine Drehbank für die Metallbearbeitung.
• Kurz darauf, im Jahr 1818, stellte Eli Whitney (bekannt für seine Erfindung des Baumwollentkörners) die erste Mühle vor.
• Beide dieser Maschinen erforderten menschliche Bediener, um sie zu bedienen, was zu menschlichen Fehlern beim fertigen Produkt führte.
• Nach dem 2. Weltkrieg stellte John T. Parsons die erste moderne Fräsmaschine vor und integrierte einen frühen IBM-Computer in diese Pläne.
• Die 1960er brachten niedrigere Preise und leichter zugängliche Maschinen, wodurch sie zu einem integralen Bestandteil weiterer Anwendungen und Branchen wurden.
• Mit fortschreitender integrierter Elektronik wurde das Papier oder Mylar-Band (siehe oben) eliminiert, wobei moderne Maschinen nun in der Lage sind, Daten aus dem Programmspeicher des Computers zu lesen.

Derzeit „umfassen gängige Fertigungsprozesse, die CNC-Maschinen verwenden, Biegen, Bohren, Lochstanzen, Kleben, Schleifen, Laserschneiden, Brenn- und Plasmaschneiden, Fräsen, Bestücken und Platzieren, Ultraschallschweißen und mehr. Mühlen, Drehmaschinen, Elektroerosionsmaschinen und Wasserstrahlschneider arbeiten oft mit CNC.“

Ein kurzer Überblick über die Geschichte von 3D-Druck- und CNC-Maschinen zeigt das Potenzial für beide zur Optimierung Ihrer Fertigungsprozesse bei der Einrichtung eines Prototyping-Labors.

Bewertung additiver vs. subtraktiver Fertigungsprozesse

Um festzustellen, ob Ihr Prototyping-Labor 3D-Druck oder CNC-Fräsen benötigt, müssen Sie zunächst überlegen, ob Ihre Produkte so konzipiert sind, dass sie am effektivsten und effizientesten gemäß additiven oder subtraktiven Herstellungsverfahren geliefert werden.

Ein entscheidender Vorteil von subtraktiven gegenüber additiven Verfahren ist:„Abgesehen davon, dass die Schichtung additiver Prozesse eliminiert wird, haben subtraktive Prozesse weitere Vorteile. Sie bieten eine Vielzahl von Oberflächenveredelungen und beseitigen die „gestuften“ Oberflächen, die häufig in vielen additiven Verfahren zu finden sind. Das Finish kann funktionell wichtig sein, wenn Teile gleiten müssen, und kosmetisch wichtig, wenn die Prototypen für Markttests verwendet werden sollen.“

Es ist hilfreich, die Arten von Anwendungen zu berücksichtigen, die diese Prozesse unterstützen.

Additive vs. subtraktive Anwendungen verstehen

Obwohl der Newcomer zwischen den beiden, „die additive Fertigung bereits zur Herstellung einer beeindruckenden Produktpalette eingesetzt wird.“ Diese Produkte kommen hauptsächlich in den folgenden Branchen zum Einsatz:Luft- und Raumfahrt, Automobil, Gesundheitswesen und Produktentwicklung.

Trotz des Trendcharakters des 3D-Drucks in verschiedenen Branchen bleibt die Tatsache bestehen:„Die subtraktive Fertigung bietet Ihnen die Möglichkeit, Materialien für den Endverbrauch zu entwerfen, zu prototypisieren und herzustellen. Es ist eine geeignete Wahl für Teile, die für Klein- und Großserienproduktionen verwendet werden, um bestimmte Oberflächenbehandlungen oder bestimmte mechanische Eigenschaften zu erzielen.“

Aus diesem Grund „sind subtraktive Verfahren in der Fertigung sehr weit verbreitet … Drehen, Fräsen, Bohren, Sägen, Gewindeschneiden und Verzahnen sind einige Beispiele für subtraktive Verfahren, die Metallschneiden beinhalten und traditionell auf Spezialmaschinen durchgeführt werden. ”

Abgesehen von den Anwendungen sind beim Abwägen von 3D-Druck und CNC-Bearbeitung noch andere Faktoren zu berücksichtigen.

Stellen Sie Noise and Vibration ein

Wenn Sie an einige der grundlegenden Werkzeuge denken, die in der CNC-Bearbeitung verwendet werden:Fräse, Drehmaschine, Plasmaschneider, Elektroerosion, Mehrspindelmaschine, Wasserstrahlschneider, ist es nicht schwer vorstellbar, dass subtraktive Fertigungsprozesse mehr Lärm und Vibrationen auf- Standort als additive Fertigung wie 3D-Druck. Abhängig von Ihrem Standort wird dies wahrscheinlich darüber Auskunft geben, was Sie zum Einrichten Ihres optimalen Prototyping-Labors benötigen.

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

Im Allgemeinen wird der 3D-Druck als einfacherer Vorgang im Vergleich zu CNC-Druckern angepriesen. Der Hauptgrund dafür ist:„Sobald die Datei vorbereitet ist, müssen Sie nur noch die Ausrichtung des Teils, die Füllung und die Stützen auswählen, falls erforderlich. Sobald der Druckvorgang begonnen hat, ist kein Supervisor erforderlich, und der Drucker kann verlassen werden, bis das Teil fertig ist.“

Da CNCs in Bezug auf die Arbeit stärker involviert sind, herrscht die weit verbreitete Überzeugung vor, dass die CNC-Bearbeitung einen ausgebildeten Maschinisten erfordert. Während das früher der Fall gewesen sein mag, haben sich die Zeiten geändert.

Unsere DATRON-Maschine verfügt über mehrere Funktionen, die eine einfache Einrichtung ermöglichen. Tatsächlich kann die Maschine einen unerfahrenen Benutzer durch den gesamten achtstufigen Prozess der erstmaligen Einrichtung einer CNC-Maschine führen. Letztendlich sind durchschnittlich nur ein bis zwei Schulungstage erforderlich, um sich im Umgang mit der Technologie wohl und sicher zu fühlen.

Die Schnittstelle ist so konzipiert, dass sie wie ein Smartphone aussieht und funktioniert, komplett mit einer Kamera und einem mechanischen Sondensystem, das das Teil automatisch registriert, wodurch die Notwendigkeit für die Eingabe dieser Informationen durch einen erfahrenen Techniker verringert wird. Integrierte Spannlösungen und Schneidwerkzeugtechnologie sind inklusive, wodurch der gesamte Prozess im Haus bleibt, da die Notwendigkeit entfällt, ähnliche Komponenten anderswo zu spezifizieren und zu kaufen.

Kennen Sie Ihre Grenzen:Genauigkeit, Größe und geometrische Komplexität

Wenn Sie 3D-Druck oder CNC-Bearbeitung in Betracht ziehen – was ist die beste Option für Ihren Prototyp? Josh Biggs erklärt:„Zum einen ist die CNC-Bearbeitung eine großartige Option, wenn Sie nach hoher Maßgenauigkeit suchen. Darüber hinaus kann die CNC-Bearbeitung mit Materialien arbeiten, die noch nicht gedruckt werden können, wie zum Beispiel Holz. Die CNC-Bearbeitung schlägt auch den 3D-Druck, wenn es um die Bearbeitung von Metallen geht, und funktioniert genauso gut mit Kunststoffen.“

Er fährt fort:„Darüber hinaus liefern CNC-Maschinen in der Regel genauere Ergebnisse. CNC-Maschinen sind die bessere Wahl, wenn Sie sehr schmale Teile benötigen oder unglaublich enge Toleranzen haben. Nichts anderes entspricht den 0,01-mm-Toleranzen.“

Sogar das Team von 3Dnatives, das sich mit Details der additiven Fertigung und allem rund um den 3D-Druck befasst, berichtet von einem erheblichen Vorteil der subtraktiven Fertigung:„In Bezug auf die Toleranz ist die CNC-Bearbeitung allen 3D-Druckverfahren überlegen.“

Bei der Herstellung von Teilen mit hoher geometrischer Komplexität ist der 3D-Druck jedoch im Vorteil.

Abwägung der Kosten:3D-Druck vs. CNC

Wie Sie sehen können, ist die Fertigung kein Vorschlag für eine einzelne Lösung. Der für Ihr Prototyping-Labor erforderliche Geldbetrag hängt nicht nur davon ab, was Sie produzieren, sondern auch von der Größe und der Anzahl der zu produzierenden Artikel.

Zum Beispiel nach der einfachen Kosten-Nutzen-Analyse von Biggs:

Interesting Engineering veröffentlichte häufige Missverständnisse über die CNC-Bearbeitungsproduktion und zerstreute den Mythos über kostspielige CNC-Prozesse:

Offensichtlich wird die kostengünstigste Route für Ihr Unternehmen am besten durch Ihre spezifischen Produktdesigns und -pläne bestimmt.

Wenn es um 3D-Drucker geht, sind die Optionen, Größen und Preisspannen vielfältig, ebenso wie das, was jeder tatsächlich aus verschiedenen Materialien drucken kann. Zusätzlich zu unbekannten oder schlecht definierten Materialkosten benötigen Bediener normalerweise eine Schulung durch einen ansässigen Experten, was eine Investition in die Personalschulung darstellt.

Mit DATRON-Ausrüstung können unsere Schneidemaschinen Kunststoff, Holz, Aluminium und Stahl von jedem Anbieter aufnehmen, sodass Sie Ihre Materialkosten im Voraus schätzen und festlegen können. Wie bereits erläutert, sind für die Bedienung unserer Maschinen keine weiterführenden Schulungen erforderlich, wodurch Sie Personal sparen und DATRON CNC-Maschinen zu einer kostengünstigeren Alternative machen.

Nicht verschwenden, nicht wollen

Angesichts der Natur der subtraktiven Fertigung – das Abtragen von Materialschichten zur Herstellung eines Produkts – ganz zu schweigen von den Arten der erforderlichen CNC-Bearbeitungswerkzeuge, sollte es nicht überraschen, dass CNC-Maschinen ein wenig Chaos hinterlassen können.

Wie viel Unordnung und was diese Verschwendung bedeuten könnte, hat Energy.gov im Bericht von 2015 „Innovating Clean Energy Technologies in Advanced Manufacturing“ bewertet. Der Bericht hebt einen Vorteil der additiven Fertigung als ihr Potenzial hervor, „Energie zu sparen, indem Produktionsschritte eliminiert, wesentlich weniger Material verwendet, die Wiederverwendung von Nebenprodukten ermöglicht und leichtere Produkte hergestellt werden.“

Der Bericht fährt fort:

Einführung eines Cleaner Act

Bei DATRON haben wir unsere Hochgeschwindigkeits-Bearbeitungsausrüstung fein abgestimmt, um das Durcheinander zu beseitigen und es möglich zu machen, fertige Teile ohne Entgraten oder Entfetten zu entfernen.

Darüber hinaus bieten die CNC-Werkzeuge und das Zubehör von DATRON die höchste verfügbare Drehzahl in der kleinsten Maschine auf dem Markt – betrachten Sie es als unsere eigene grüne Initiative.

Typischerweise verfügen CNC-Fräsmaschinen mit industriellen Fähigkeiten über große Motoren, die viel Wärme erzeugen, die Öl zum Kühlen und Schmieren der Maschinenkomponenten benötigen. Das Entsorgen von Öl ist notwendig, aber der Prozess stellt ein Risiko für die Umwelt dar, wie wir bei größeren Ölverschmutzungen in der Vergangenheit gesehen haben.

Da wir für die Wartung der Maschinen nicht die gleiche Menge an Wärme, Öl oder Kühlmittel benötigen, bieten wir bessere Energieeinsparungen bei viel geringerem Platzbedarf.

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

Was Sie in Ihrem professionellen Prototyping-Labor benötigen, ob 3D-Druck oder CNC-Bearbeitung, wird am besten durch Ihr spezifisches Produkt bestimmt. Wir hoffen zwar, dass die hier geteilten Informationen etwas Klarheit schaffen, aber die Wahrheit ist, dass sowohl 3D-Druck als auch CNC-Bearbeitung funktionieren können – oder sich sogar ergänzen, je nach Ihren Fertigungsanforderungen.

Tatsächlich gibt es mehrere Fälle, in denen Sie 3D-Druck und CNC-Bearbeitung kombinieren sollten, hauptsächlich aufgrund von Toleranzen, Zeit und/oder einem Werkstück mit beträchtlicher Größe; Außerdem:„Die Kombination dieser beiden Prozesse erfordert nicht den komplexen Arbeitsablauf, den Sie sich vielleicht vorstellen. Ebenso wichtig ist, dass es mehrere bedeutende Vorteile für Ihr Fertigungsunternehmen bieten kann.“

Für eine eingehendere Diskussion über den Herstellungsprozess oder die Kombination von Prozessen, die sich ideal für Ihr Prototyping-Labor eignen, kontaktieren Sie uns. Wir reagieren schnell und geben unser Fachwissen gerne weiter.