CNC-Prototyping: Vor- und Nachteile, die Sie kennen sollten

Was ist CNC-Bearbeitung?

Computer Numerical Control (CNC) Bearbeitung ist ein Fertigungsprozess, bei dem Computer-Eingaben verwendet werden, um Bearbeitungswerkzeuge wie Bohrer und Drehmaschinen zu steuern. Er wird in vielen Branchen für eine Vielzahl von Prototyp- und Endbauteilen eingesetzt.

Der Prozess beginnt mit einem digitalen 3D-Design, das mit CAD-Software erstellt wird, welches 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 wird, 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 traditionellen Bearbeitung, bei der ein qualifizierter Zerspaner das Werkstück mit manuell bedienten Schneidwerkzeugen bearbeitet.

Bearbeitung ist ein subtraktiver Prozess, was bedeutet, dass die Ausrüstung vorhandenes Material entfernt, anstatt neues Material hinzuzufügen. Im Gegensatz zur additiven Fertigung, bei der ein 3D-Drucker Material schichtweise ablegt, um ein Objekt zu formen, beinhaltet CNC-Bearbeitung das Abschneiden von Abschnitten aus einem formlosen Block, der als „Werkstück“ bekannt ist. Überschüssiges Material wird entsorgt oder recycelt, schliesslich bleibt ein fertiges Teil zurück. Komplexere CNC-Maschinen, die über eine grössere Anzahl von Achsen verfügen, sind in der Lage, das Werkstück auf komplexere Weise zu schneiden und Teile mit aufwendigeren Geometrien herzustellen.

CNC-Bearbeitung ist ein weit verbreitetes Fertigungsverfahren dank seiner Vielseitigkeit, Genauigkeit, Konsistenz und der breiten Palette kompatibler Materialien: Obwohl Aluminiumlegierungen das gängigste Material für die Bearbeitung sind, können auch zahlreiche andere Metalle und Kunststoffe verwendet werden.

Ist CNC-Bearbeitung gut für Prototyping?

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

Prototypen können viele verschiedene Funktionen haben. In ihrer einfachsten Form fungieren sie als Platzhalter oder Requisiten – lose Darstellungen eines Endteils, die verwendet werden, um visuelle Informationen darüber zu vermitteln, wie das Endteil aussehen oder sich verhalten wird. Diese Looks-like-Prototypen können verwendet werden, um den F&E-Prozess zu leiten oder einen Proof-of-Concept zu liefern. Wenn sie mit hohem ästhetischem Standard hergestellt werden, können sie auch verwendet werden, um ein neues Produkt potenziellen Investoren zu präsentieren. Solche Prototypen können sehr wichtig sein, müssen aber nicht unbedingt mit High-End-Profi-Ausrüstung hergestellt werden: Sie können von Hand gefertigt oder mit einem günstigen Desktop-3D-Drucker gedruckt werden.

Einige Prototypen werden jedoch für mehr als nur visuelle Repräsentation verwendet. Abhängig vom Stadium der Produktentwicklung müssen Unternehmen möglicherweise Engineering-Prototypen oder Produktionsprototypen erstellen: Prototypen, die nicht nur wie das Endteil aussehen, sondern auch wie es funktionieren, und als so nah wie möglich an der Realität fungieren. Während 3D-Druck eine grossartige Option für Looks-like-Prototyping sein mag, ist CNC-Bearbeitung oft vorzuziehen für diese funktionalen Prototypen, die Festigkeit, mechanische Stabilität oder andere Eigenschaften erfordern, die additive Prozesse nicht bieten. Schliesslich werden nicht viele Endbauteile mit einem 3D-Drucker hergestellt.

CNC-Bearbeitung kann eine ausgezeichnete Wahl für Prototyping sein, aber ihre Eignung hängt von der Art des Prototyps ab. Für welchen Zweck wird der Prototyp verwendet? Aus welchem Material wird er hergestellt? Und aus welchem Material wird das finale Teil hergestellt? Diese und andere Fragen werden den Nutzer letztendlich zur am besten geeigneten Prototyping-Methode führen.

Vorteile des Prototyping mit CNC-Bearbeitung

Es gibt zahlreiche Gründe, warum ein Unternehmen CNC-Bearbeitung zur Herstellung eines Prototyps nutzen kann, darunter Produktionsgeschwindigkeit, Teilequalität, Materialoptionen und Ähnlichkeit zum Endteil.

Von der Datei zum Prototyp

Einer der grössten Vorteile der CNC-Bearbeitung ist das „CNC“-Element. Da CNC-Bearbeitung ein digitaler Prozess ist, der ein Teil aus einer Computerdatei erstellt, wissen Ingenieure, dass ein bearbeiteter Prototyp dem digitalen 3D-Design eng entsprechen wird, und dass dasselbe digitale Design später verwendet werden kann, um ein Endteil 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 physischen Mangel aufgrund schlechten Designs aufweist, 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 ein Teil in der realen Welt performen wird.

Qualität und Konsistenz

Computer sind nicht perfekt, aber computergesteuerte Maschinen neigen dazu, genau so zu funktionieren, wie sie sollen – es sei denn, sie fallen aus. Während viele Prototyping-Prozesse auf menschlichem Können beruhen (und daher anfällig für menschliche Fehler sind), folgen CNC-Maschinen ihren Anweisungen auf Bruchteile eines Millimeters genau.

Wichtig ist, dass sie dies auch immer wieder tun können. Obwohl ein Unternehmen vielleicht nur einen einzelnen Prototyp herstellt, kann eine CNC-Maschine, falls nötig, denselben Job 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 derselben Maschinerie. (Manuelle Prozesse sind unglaublich wichtig, aber es ist einfacher, Konsistenz mit einer automatisierten Maschine zu garantieren.)

Breite Palette starker Materialien

Wenn ein Prototyp keinen mechanischen Zweck hat, kann er für 3D-Druck geeignet sein, der – obwohl nicht bekannt für die Herstellung von hochfesten Teilen – sehr wenig kostet und in kurzer Zeit durchgeführt werden kann. Für die meisten 3D-Druckprozesse sind die Materialoptionen jedoch enger als bei der Bearbeitung.

CNC-Bearbeitung bietet nicht nur eine breite Palette kompatibler Materialien, sondern auch einige extrem starke und langlebige, einschliesslich einer Vielzahl von Metallen. Es ist auch möglich, mit Metallen zu 3D-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	PTFE (Teflon)
	LDPE
	HDPE

Ähnlichkeit zum Endteil

Ein weiterer grosser Vorteil der Verwendung von CNC-Bearbeitung für Prototypen ist die Fähigkeit, Prototypen zu erstellen, die dem Endteil ähnlich sind. Da Bearbeitungszentren voll in der Lage sind, Endbauteile sowie Prototypen herzustellen, 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 die Materialien zurückzuführen. Viele Ingenieurmetalle sind hoch bearbeitbar, was Ingenieuren ermöglicht, Prototypen aus demselben (oder ähnlichen) Material herzustellen, das sie für das Endteil verwenden werden. Aber auch die Qualität des Prozesses selbst ist ein Faktor: Bearbeitete Teile sind stark und weisen keine Schwäche entlang bestimmter Achsen auf wie gedruckte Teile, während der Bearbeitungsprozess selbst sogar verwendet werden kann, um andere Prozesse wie Blechumformung zu replizieren.

Darüber hinaus erleichtert die Erstellung eines Prototyps, der in Aussehen und Verhalten dem Endteil nahe kommt, den Übergang zur Brückenfertigung, da weniger signifikante Änderungen vorgenommen werden müssen.

Nachteile des Prototyping mit CNC-Bearbeitung

Trotz seiner Vorteile hat CNC-Bearbeitung bestimmte Einschränkungen als Prototyping-Methode, die Unternehmen dazu veranlassen können, einen alternativen Ansatz zu bevorzugen.

Teurer als 3D-Druck

Einer der offensichtlichen Nachteile von CNC-Bearbeitungsprototypen ist der Prozesskosten. Bearbeitungszentren sind grosse Maschinen, die erhebliche Leistung und mehr menschliche Überwachung als 3D-Drucker erfordern. Bearbeitbare Metalle haben auch einen höheren Preis als gängige Druckmaterialien wie PLA.

Dies ist einer der Hauptgründe, warum Ingenieure alternative Prototyping-Prozesse wählen können, selbst wenn sie beabsichtigen, Bearbeitung für ihre Endteile zu verwenden. Entwicklung kann Ressourcen belasten, und es ist verständlich, wenn Unternehmen während der (frühen) Prototyping-Phase jeden Aufwand reduzieren müssen.

Einige geometrische Einschränkungen

4-Achsen- und 5-Achsen-Bearbeitungszentren bieten einen grossen Grad an geometrischer Flexibilität, aber auch diese Maschinen haben ihre Grenzen. Für aufwendige Strukturen mit komplexen internen Geometrien können additive Fertigungsprozesse besser geeignet sein, da sie nicht durch die Winkel der Schneidwerkzeuge eingeschränkt sind.

Man sollte jedoch bedenken, dass 3D-gedruckte Prototypen irreführend sein können: Ein digitales 3D-Design, das perfekt aus einem 3D-Drucker kommt, kann mit der gewählten Produktionsausrüstung – sei es Bearbeitungszentren, Spritzgussausrüstung oder etwas anderes – unmöglich zu fertigen sein. Geometrische Flexibilität für Prototypen ist nur hilfreich, wenn diese Flexibilität auf das Endteil repliziert werden kann.

Materialabfall

Da CNC-Bearbeitung ein subtraktiver Prozess ist, erfordert sie mehr Material, als tatsächlich in das Teil eingeht. Ein Teil des Materials wird weggeschnitten und landet als Metall- oder Kunststoffspäne, die dann entsorgt werden müssen. Dies unterscheidet sich von additiven Prototyping-Prozessen, die keinen Materialabfall produzieren, es sei denn, der Druck scheitert und muss wiederholt werden.

Die Verwendung von Bearbeitung als Prototyping-Prozess kann höhere Materialkosten aufgrund erhöhter Materialnutzung und -verschwendung verursachen. Allerdings können Späne oft recycelt werden, sodass die Umweltauswirkungen des Prozesses nicht schwerwiegend sein müssen. (Der Verkauf von recycelbarem Abfallmaterial kann auch helfen, einige Materialkosten zurückzugewinnen.)

Rapid Tooling: Spritzgegossene Prototypen via CNC-Bearbeitung

Wir haben gesehen, wie CNC-Bearbeitung ein hervorragender Prototyping-Prozess sein kann. Aber Bearbeitung kann auch indirekt verwendet werden, um spritzgegossene Prototypen zu erstellen.

Durch CNC-Bearbeitung von Werkzeugen oder Formen erhalten Unternehmen einen kosteneffektiveren Weg, die für Spritzguss erforderlichen Apparaturen herzustellen. Dieses CNC-bearbeitete Werkzeug kann schneller als traditionelles Werkzeug erstellt werden und ist daher ein Shortcut zu gegossenen Prototypen. (Für die endgültigen gegossenen Teile nach der Prototyping-Phase können traditionelle Werkzeugmethoden eingesetzt werden.)

Die Verwendung des Rapid-Tooling-Prozesses ist viel kosteneffektiver, wenn grössere Mengen an gegossenen Teilen bestellt werden, da das bearbeitete Werkzeug viel mehr kostet als die gegossenen Harzteile selbst. Und obwohl grosse Mengen während der Prototyping-Phase nicht besonders wünschenswert sein mögen, werden die authentischen gegossenen Prototypen repräsentativer für ein gegossenes Teil sein als beispielsweise eine 3D-gedruckte Alternative.

Kontaktieren Sie 3ERP, um herauszufinden, ob CNC-Bearbeitung der beste Prototyping-Prozess für Ihr Projekt ist.