3D-Druck vs. CNC-Bearbeitung:Der ultimative Vergleich für Ingenieure

3D-Druck vs. CNC-Bearbeitung – als Konstrukteur stehen Sie wahrscheinlich vor der Wahl, welche Fertigungstechnik am besten zu Ihrem Projekt passt? Der falsche Weg kann zu Zeitverschwendung, Kostenüberschreitungen oder sogar zum Ausfall eines Produkts führen.

Eine fundierte Entscheidung, ob eine subtraktive Methode wie die CNC-Bearbeitung oder eine additive Methode wie der 3D-Druck erforderlich ist, erfordert ein klares Verständnis darüber, wie beide funktionieren, welche Materialien und Toleranzen sie unterstützen und wo sie wirklich glänzen.

Dieser Blog soll diese Entscheidung vereinfachen. Wir führen Sie durch die Grundprinzipien beider Prozesse, vergleichen sie anhand wichtiger Faktoren und beleuchten Anwendungsfälle aus der Praxis, um Ihnen bei der Entscheidung zu helfen, welche Technik am besten zu Ihrem Anwendungsfall passt.

Was ist CNC-Bearbeitung?

Die CNC-Bearbeitung ist eine Modernisierung der althergebrachten Art, Dinge mit Handwerkzeugen herzustellen. Der Prototyp einer CNC-Maschine, insbesondere einer Fräsmaschine, wurde 1952 von einer Forschergruppe am MIT gebaut.

Die CNC-Bearbeitung ist von Natur aus eine subtraktive Fertigungsmethode, das heißt, ein massiver Materialblock wird bis zum endgültigen Design geformt n. Der Zuschnitt erfolgt automatisch über ein programmiertes CNC-System, das mit G-Codes und M-Codes arbeitet, die aus einem 3D-Modell abgeleitet wurden.

Die CNC-Bearbeitung deckt ein breiteres Spektrum an Prozessen ab, darunter Fräsen, Drehen, Bohren und Schleifen, jeweils mit eigenen Werkzeugen und Bearbeitungsstrategien, die für bestimmte Aufgaben geeignet sind.

Vorteile:

• Hohe Maßgenauigkeit und enge Toleranzen.
• Hervorragende Oberflächengüte.
• Skalierbar für große Produktionsläufe.
• Hervorragende Verträglichkeit mit Metallen und Kunststoffen.

Nachteile :

• Höhere Werkzeug- und Einrichtungskosten.
• Der Materialabfall ist aufgrund der subtraktiven Natur höher

Was ist 3D-Druck (3PD)?

3D-Druck oder 3D-Prototyping ist eine relativ moderne Technologie, die in den 1980er Jahren entstand. Es handelt sich um eine additive Fertigungstechnik, bei der das Produkt Schicht für Schicht aufgebaut wird, anstatt aus einem massiven Block herausgearbeitet zu werden.

Wenn wir über die einfachste und zugänglichste Form sprechen, dann ist das Fused Deposition Modeling (FDM). Beim FDM wird ein thermoplastisches Filament erhitzt und durch eine Düse extrudiert, die sich auf einem programmierten Weg bewegt, um jeweils eine Schicht aufzutragen. Während sich jede Schicht verfestigt, wird die nächste darauf aufgetragen und bildet nach und nach das vollständige Objekt.

Genau wie bei der CNC-Bearbeitung gibt es mehrere 3DP-Techniken, die jeweils darauf basieren, wie das Material aufgetragen oder verschmolzen wird. Zu den bemerkenswertesten gehören FDM, SLS (Selektives Lasersintern), SLA (Stereolithographie) und DMLS (Direktes Metall-Laser-Sintern).

Vorteile:

• Größere Designflexibilität; komplexe Geometrien können konstruiert werden.
• Geringere Einrichtungskosten für Prototypen.
• Minimale Materialverschwendung.
• Schnellere Bearbeitungszeit für Prototypen.

Nachteile :

• Geringe Maßgenauigkeit.
• Die mechanische Festigkeit kann in den meisten Fällen geringer sein.

3D-Druck vs. CNC-Bearbeitung:8 Unterschiede erklärt

Der vorherige Abschnitt gab Ihnen einen kurzen Überblick, hat jedoch möglicherweise nicht alle Ihre Fragen zur Auswahl der Methode beantwortet. 3D-Druck und CNC-Bearbeitung unterscheiden sich in ihrem Arbeitsablauf, ihrer Präzision, den Materialien, den Produktionsmöglichkeiten, der Endqualität und den Kosten. 

Gehen wir also etwas tiefer, stellen beide Techniken nebeneinander und sehen, was jede einzelne unter verschiedenen Aspekten zum Ergebnis hat.

 CNC-Bearbeitung 3D-Druck Workflow Erfordert Werkzeugeinrichtung und einen erfahrenen Bediener; Die Bearbeitung erfolgt automatisiert. Minimale Einrichtung; größtenteils automatisiert, sobald der Druck beginnt.Materialkompatibilität Metalle wie Stahl, Messing, Titan, Aluminium, technische Legierungen und Kunststoffe. PLA, ABS, Nylon, ULTEM und einige MetalleToleranz ±0,015–0,025 mmFDM:±0,2–0,5 mm,SLS:±0,3 mm,Binder Jetting:±0,2 mm.Geometrie  Eingeschränkt durch Werkzeugzugriff. Größere Gestaltungsfreiheit Teilegröße 4000×1500×600 mm (bei RapidDirect)Bis zu 1000×1000×1000mm(FDM)Oberflächenbeschaffenheit Sehr glatte Schichtlinien sichtbarEinrichtungskosten 100.000 $+. Desktop-Drucker von 500 $ für Industriedrucker bis zu 100.000 $.Kosten pro Teil Höher bei geringem Volumen, günstiger bei geringem Volumen

1. Produktionsablauf

Beide Methoden beginnen am selben Punkt; In einer CAD-Software wird ein 3D-Design erstellt. Dieses Design wird dann von der Software in das erforderliche Format umgewandelt, das für die Bearbeitung oder den 3D-Druck geeignet ist.

Gleich danach beginnen die Unterschiede. CNC-Maschinen benötigen spezielle Schneidwerkzeuge und benötigen in der Regel einen erfahrenen Bediener, der die Arbeit einrichtet, die richtigen Werkzeuge auswählt und mit dem Material umgeht, obwohl die Bearbeitung selbst automatisiert ist. 

Andererseits funktionieren die meisten 3D-Drucker mit minimalem Eingriff. Sobald der Druck gestartet wird, läuft der Prozess vollständig automatisiert ab und erfordert in der Regel keinen weiteren Eingriff eines Bedieners.

2. Materialkompatibilität

Beide Methoden sind hinsichtlich der Materialauswahl vielseitig. Die allgemeine Auffassung ist, dass das 3D-Drucksystem für Kunststoffe und die CNC-Fertigung für Metalle gedacht ist. Beide sind jedoch in der Lage, ein breites Spektrum an Materialien zu verarbeiten, darunter Metalle und Hochleistungskunststoffe.

Allerdings eignet sich das CNC-Verfahren am besten für häufig verwendete Metalle. Zu den CNC-Materialien gehören Stahl, Messing, Titan, Aluminium und technische Legierungen. Am wichtigsten ist, dass die CNC-Bearbeitung bei Materialanwendungen eingesetzt wird, bei denen hohe Festigkeit, Haltbarkeit und thermische Beständigkeit erforderlich sind.

Im Gegensatz dazu umfassen 3D-Druckmaterialien PLA, TPU, ABS, ASA, Nylon und ULTEM, bei denen die mechanische Festigkeit weniger wichtig ist oder durch das Design kompensiert wird. Metalle wie Aluminium, Stahl, Titan und biokompatible Legierungen können auch mit fortschrittlichen Metall-3D-Drucktechniken wie SLS, Binder Jetting und SLM gedruckt werden.

3. Maßtoleranz

Wie Sie wissen, ist Toleranz bei der Herstellung kritischer Teile sehr wichtig. CNC-Bearbeitungsteile übertreffen durchweg alle mit aktuellen 3D-Druckverfahren hergestellten Teile.

Genauer gesagt bietet die CNC-Bearbeitung typischerweise einen Toleranzbereich zwischen ±0,025 mm und ±0,015 mm. Die Reichweite richtet sich nach der Art der CNC-Maschine und dem verwendeten Bearbeitungsverfahren. Beispielsweise liegt der Toleranzbereich, den wir für das CNC-Fräsen bei RapidDirect anbieten, bei etwa ±0,05 mm.

Auch beim 3D-Druck variiert die Toleranz von Methode zu Methode. Der FDM-3D-Druck bietet im Allgemeinen eine Toleranz zwischen ±0,2 mm und ±0,5 mm, SLS etwa ±0,3 mm und Binder Jetting typischerweise etwa ±0,2 mm.

4. Geometrie und Größe

Wenn wir über Designfreiheit sprechen, bieten 3D-Druckprojekte im Vergleich zur CNC-Bearbeitung mehr Flexibilität. Im Fall von CNC müssen bestimmte CNC-Konstruktionsrichtlinien befolgt werden. Es gibt Einschränkungen hinsichtlich der Wandstärke und der Innenecken, und vor allem muss die Gesamtgeometrie den Einschränkungen der verwendeten Schneidwerkzeuge und Vorrichtungen entsprechen.

Im Vergleich dazu ist der 3D-Druck nicht auf physische Schneidwerkzeuge angewiesen und unterliegt daher keinen Einschränkungen durch herkömmliche Designbeschränkungen. Obwohl Sie möglicherweise Stützstrukturen für Überhänge oder Brücken einbeziehen müssen, können Sie dennoch hochkomplexe und organische Geometrien erzielen, die mit der Bearbeitung unmöglich oder unpraktisch wären.

Was die Größe des Teils angeht, hat das CNC-System die Oberhand. Größere Blöcke können auf Industriemaschinen montiert werden, wodurch sie sich besser für die Herstellung größerer Teile eignen. Bei RapidDirect verfügen wir beispielsweise über 5-Achsen-CNC-Maschinen, die maximale Teilegrößen von 4000 x 1500 x 600 mm verarbeiten können.  

Die Größe von 3D-gedruckten Modellen ist begrenzter und wird häufig durch das Bauvolumen des Druckers eingeschränkt. Unter allen Techniken ist die Teilegröße für FDM-Drucker etwas höher, etwa 1000 x 1000 x 1000 mm.

5. Oberflächenbeschaffenheit

Wie im Abschnitt „Maßtoleranzen“ erwähnt, liefert die CNC-Bearbeitung eine viel bessere Endoberfläche als das, was normalerweise mit 3D-Drucklösungen erreicht wird. Der Grund liegt in der Funktionsweise der beiden Prozesse. 

Bei der CNC-Bearbeitung werden scharfe Schneidwerkzeuge verwendet, die Material präzise abtragen und glatte Oberflächen direkt von der Maschine hinterlassen. Mit den richtigen Werkzeugen und Vorschubgeschwindigkeiten können Sie Endbearbeitungen erzielen, die kaum oder gar keine Nachbearbeitung erfordern.

Beim 3D-Druck wird die Oberflächenqualität durch den schichtweisen Aufbau des Teils beeinflusst. Jede Schicht hinterlässt eine sichtbare Linie und die Auflösung des 3D-Druckers bestimmt, wie fein diese Linien sind. Selbst bei hohen Einstellungen haben die meisten 3D-gedruckten Teile eine leicht strukturierte oder geriffelte Oberfläche.

6. Einrichtungskosten

Im Hinblick auf die Einrichtungskosten liegen beide Techniken an völlig unterschiedlichen Enden des Spektrums. 

Der 3D-Druck ist derzeit die am besten zugängliche Technologie. Desktop-Drucker beginnen bei etwa 500 US-Dollar.  3D-Drucker in Industriequalität sind natürlich teurer und liegen oft zwischen einigen Tausend und weit über 100.000 US-Dollar, aber selbst dann sind die Material- und Werkzeugkosten relativ begrenzt. Die meisten Maschinen erfordern nur das Druckmaterial selbst, Filament, Harz oder Pulver und gelegentliche Wartung.

Im Gegensatz dazu ist die CNC-Bearbeitung in erster Linie ein industrieller Prozess, und die Einrichtungskosten können leicht Hunderttausende Dollar betragen. Die Maschinen selbst sind teuer, und das noch bevor die Kosten für spezielle Schneidwerkzeuge, Werkzeughalter, Werkstückhalterungen, Kühlmittelsysteme und die für ihren Betrieb erforderliche Stellfläche berücksichtigt sind. 

Darüber hinaus erfordern CNC-Maschinen qualifizierte Bediener, was die laufenden Arbeitskosten erhöht. All dies macht CNC im Vergleich zu den meisten 3D-Druck-Setups zu einer viel größeren Investition.

7. Produktkosten

Wenn wir eine grobe Gesamtbetrachtung nehmen, sind 3D-gedruckte Produkte im Vergleich zu CNC-bearbeiteten Teilen oft günstiger herzustellen, vor allem weil die Einrichtungskosten für ein CNC-System viel höher sind. Für Einzelstücke oder sehr kleine Teile kann der 3D-Druck die wirtschaftlichere Wahl sein.

Auf lange Sicht oder bei der Herstellung von Serien ist der 3D-Druck jedoch weniger rentabel. Der Prozess nimmt pro Teil erheblich mehr Zeit in Anspruch und die Gesamtkosten können bei einer Produktionsausweitung die der CNC-Bearbeitung übertreffen. Einmal eingerichtete CNC-Maschinen können Teile viel schneller und effizienter in großen Mengen produzieren.

CNC-Bearbeitung vs. 3D-Druck:Welches sollte man wählen und wann? 

Schließlich kommt es darauf an, zu entscheiden, welche Technik Sie für Ihr Projekt verwenden möchten. CNC- und 3D-Druck sollten auf der Grundlage von Designanforderungen, Materialkompatibilität, Genauigkeitsanforderungen und Budget bewertet werden.

Wählen Sie CNC-Bearbeitung, wenn:

• Sie benötigen eine Charge produzierter Produkte.
• Sie fertigen Metallteile mit Standardabmessungen.
• Ihr Design erfordert sehr enge Toleranzen.
• Das Teil wird in einer funktionalen Anwendung verwendet, in der es thermischen Belastungen, mechanischen Belastungen oder Verschleiß standhalten muss.
• Sie wünschen sich direkt von der Maschine eine bessere Oberflächengüte.
• Das Material ist weithin in Standardform erhältlich, beispielsweise aus Stahl, Aluminium, Messing oder Titan.

Wählen Sie 3D-Druck, wenn:

• Sie arbeiten an Prototypen, insbesondere im Kunststoffbereich.
• Ihr Design beinhaltet unorthodoxe oder hochkomplexe Geometrie.
• Sie verwenden Materialien, die schwierig oder teuer zu bearbeiten sind, wie zum Beispiel bestimmte Verbundwerkstoffe oder Hochleistungspolymere.
• Sie benötigen schnell ein Einzelstück, ohne in Werkzeuge oder Vorrichtungen zu investieren.
• Die Festigkeit des Teils kann durch Design und nicht durch Materialeigenschaften erreicht werden.

Und in Fällen, in denen beide Techniken machbar sind, wägen Sie die Gesamtkosten, die Vorlaufzeit und die erforderliche Qualität ab, bevor Sie Ihre Entscheidung treffen. Insbesondere beim CNC-Prototyping im Vergleich zum 3D-Druck könnten Metallprototypen kostengünstiger sein als der 3D-Druck. 

Wie kann RapidDirect helfen?

Wie wir gesehen haben, haben die CNC-Bearbeitung und der 3D-Druck jeweils ihre Stärken und beide können je nach Projektanforderungen eine entscheidende Rolle in der Fertigung spielen.

Bei RapidDirect bieten wir umfassende CNC-Bearbeitungsdienstleistungen an, darunter CNC-Fräsen, CNC-Drehen, 5-Achsen-Bearbeitung und Präzisionsbearbeitung für kritische Branchen wie die Luft- und Raumfahrt. Wir liefern Toleranzen bis zu 0,001 Zoll, bieten mehr als 100 Materialoptionen und mehr als 20 Oberflächenveredelungen.

Unsere 3D-Druckdienste decken mehrere Technologien ab, von SLA und SLS bis hin zu HP MJF und SLM, unterstützt durch ein Netzwerk von über 300 professionellen 3D-Druckereien. Wir bieten auch eine komplette Nachbearbeitung an, um sicherzustellen, dass Ihre gedruckten Teile produktionsbereit sind.

Sie haben ein Projekt, sind sich aber noch nicht sicher, welche Technik zwischen 3D-Druck und CNC-Bearbeitung die beste ist? Kontaktieren Sie noch heute das Expertenteam von RapidDirect und erhalten Sie professionelle Beratung sowie ein sofortiges Angebot.