3D-Druck oder CNC? Auswahl der richtigen Herstellungsmethode

3D-Druck und CNC-Bearbeitung  sind die beiden am häufigsten verwendeten Methoden, wenn es um Prototyping und Kleinserienfertigung geht. Da beide jedoch zwei sehr unterschiedliche Herstellansätze bieten – einen additiven und einen subtraktiven –, ist es entscheidend, das richtige Herstellungsverfahren für Ihre Anwendung zu finden, um die Produktentwicklung zu rationalisieren, mehr Effizienz und letztendlich hochwertigere Teile zu erzielen.

In diesem Tutorial sehen wir uns die Unterschiede zwischen 3D-Druck und CNC-Bearbeitung an und geben ein paar Tipps zur Auswahl der richtigen Methode.

3D-Druck vs. CNC

Bei der Herstellung funktionaler Prototypen und/oder Endteile können 3D-Druck und CNC-Bearbeitung (Computer Numerical Control) eine Reihe von Vorteilen bieten. Obwohl beide auf CAD-Daten angewiesen sind und eine Vielzahl von Materialien verwenden, enden die Ähnlichkeiten hier.

3D-Druck (oder additive Fertigung) umfasst eine Reihe von Technologien, bei denen Material Schicht für Schicht auf der Bauplattform eines 3D-Druckers aufgetragen wird, um ein Teil zu erstellen. Während des Prozesses sind keine Werkzeuge erforderlich und es können komplexe Teile erstellt werden, ohne die Produktionszeit oder die Produktionskosten zu beeinträchtigen.

CNC-Bearbeitung  ist dagegen eine subtraktive Technologie. Das bedeutet, dass statt sukzessive Materialschichten hinzuzufügen, der Prozess mit einem massiven Materialblock beginnt; ein Werkzeug wird dann verwendet, um den Block entlang einer vom Computer festgelegten Bahn zu zerspanen und abzuschneiden, um ihn in das gewünschte Objekt zu formen.

Den Unterschieden auf der Spur

Arbeitsanforderungen
Da die CNC-Bearbeitung eine Reihe komplexer Maschinen umfasst, erfordert der Prozess einen erfahrenen Maschinisten, um die Werkzeuge einzustellen, den Schnittpfad zu definieren und ein Teil neu zu positionieren, um die richtige Form zu erhalten.

3D-Druck hingegen ist ein automatisierter Prozess und daher weit weniger arbeitsintensiv. Natürlich muss die Datei für den Druck vorbereitet werden (inklusive Konvertierung in STL, Festlegung der optimalen Ausrichtung), aber der Gesamtprozess sollte nicht länger als 30 Minuten dauern. Sobald die Datei vorbereitet und der Drucker eingerichtet ist, ist kein Eingreifen erforderlich, bis das Teil fertiggestellt ist.

Produktionszeit
Bei beiden Verfahren können verschiedene Faktoren die Produktionszeiten beeinflussen. Die Fertigungszeit für die CNC-Bearbeitung hängt von Konstruktionsmerkmalen (Größe, Materialart, Wandstärke etc.) und der Anzahl der Merkmale (z. B. Größe und Tiefe von Taschen und Löchern) ab. Kleinere Funktionen erfordern beispielsweise langsamere Schnittgeschwindigkeiten, was mehr Zeit kostet.

Beim 3D-Druck beinhalten Faktoren das Volumen des Materials für das Teil und seine Höhe. Es überrascht nicht, dass der Druckprozess umso länger dauert, je mehr Material benötigt wird. Einige Funktionen erfordern auch Stützstrukturen, die den Druckprozess zwischen 5 und 15 % verlängern können.

Kosten
Einer der zusätzlichen Vorteile des 3D-Drucks ist die kostengünstige Herstellung komplexer Teile – einer der Gründe, warum die Technologie zunehmend für Metallleichtbauanwendungen eingesetzt wird. Bei CNC ist es genau umgekehrt:Je filigraner das Teil, desto langsamer der Bearbeitungsprozess und desto höher der Aufwand, was zu höheren Kosten führt.

Es gibt noch andere Faktoren, die die Produktionskosten beeinflussen können, von den Materialpreisen (CNC und 3D-Druck) bis hin zu den Reparatur- oder Änderungskosten von Maschinen (CNC).

Teileeigenschaften, Maßhaltigkeit
Da CNC arbeitet, indem ein Teil aus einem massiven Materialblock herausgeschnitten wird, erzeugt der Prozess strukturell starke und maßgenaue Teile.

Der sukzessive, schichtweise Ansatz der additiven Fertigung führt dagegen dazu, dass die Technologie typischerweise schwächere Teile als CNC produziert. Der Metall-3D-Druck kann besonders problematisch sein, da Probleme wie Porosität zu einer ungleichmäßigen Teilefestigkeit führen.

Materialabfälle
CNC kann viel überschüssigen Abfall produzieren, da es Material aus dem Block entfernt, das danach oft nicht mehr recycelt werden kann.

Im Vergleich zu CNC erzeugt der 3D-Druck viel weniger Abfall (von 1 bis 3 %), wobei einige Technologien wie Binder Jetting und SLS die Wiederverwendung von Materialresten ermöglichen.

Teilegröße
Da die CNC-Bearbeitung mit Materialblöcken arbeitet, kann sie relativ einfach große Teile herstellen. Der 3D-Druck eignet sich dagegen eher für kleinere Teile und Komponenten, obwohl immer mehr großformatige AM-Systeme auf den Markt kommen.

Nachbearbeitung
CNC-gefertigte Teile haben eine hervorragende Oberflächengüte und erfordern in der Regel keine obligatorische Nachbearbeitung.

3D-gedruckte Teile erfordern jedoch je nach gewählter Technik (Entfernen von Stützstrukturen, Entpulvern, Reinigen, Polieren usw.) fast immer eine Art Nachbearbeitung. Je nach Teil kann das Entfernen des Supports auch nur 5 Minuten bis zu einigen Stunden für eine Teilecharge dauern.

Tipps zur Auswahl der richtigen Methode

Bei der Entscheidung für das richtige Verfahren für Ihre Anwendung ist es wichtig, die Unterschiede zwischen den Technologien zu berücksichtigen. Beachten Sie außerdem die folgenden Tipps:

1. Wie hoch ist Ihr Produktionsvolumen?
Die Wirtschaftlichkeit der Wahl zwischen 3D-Druck oder Bearbeitung hängt oft vom Produktionsvolumen in diesem speziellen Anwendungsfall und der Anzahl der zu produzierenden Teile ab. Es ist ratsam, sich für den 3D-Druck zu entscheiden, wenn eine kleine Charge von Teilen benötigt wird (weniger als 100 Teile) und die CNC-Bearbeitung in Betracht zu ziehen, wenn Sie eine Produktion mittlerer Auflagen (weniger als 1000 Teile) anstreben.

Für kleine Mengen von Bei hochkomplexen kundenspezifischen Teilen ist es billiger und schneller, sie in 3D zu drucken, anstatt sie mechanisch zu bearbeiten. Von den Kosten für die Ausrüstung selbst bis hin zur Bezahlung eines erfahrenen Bedieners sind die Kosten für die CNC-Bearbeitung hoch.

2. Benötigen Sie mehrere, schnelle Design-Iterationen?
3D-Druck ist die Technologie der Wahl für Prototyping-Anwendungen, bei denen schnelle Design-Iterationen erforderlich sind. Bei additiven Technologien ist nur die Optimierung des Designs erforderlich, um einen weiteren Prototypen zu erstellen. Bei der maschinellen Bearbeitung sind Konstruktionsänderungen weitaus komplexer und erfordern mehrere, oft arbeitsintensive Einrichtungs- und Werkzeugwechsel.

3. Wie wichtig ist geometrische Komplexität?
Wenn es um die geometrische Komplexität geht, steht der 3D-Druck an erster Stelle. Mit der Technologie lassen sich komplexe Geometrien erstellen, die kein anderes Fertigungsverfahren reproduzieren kann. Und während für bestimmte Technologien wie Stereolithographie (SLA) Stützstrukturen notwendig sein können, sind sie bei anderen, wie SLS, überhaupt nicht erforderlich.

Neben Leichtbaustrukturen eignet sich der 3D-Druck ideal für die Herstellung von Baugruppen als Einzelkomponenten und Teile, die komplexe interne Merkmale erfordern, wie konturnahe Kühlkanäle für Spritzgussformen.

4. Welche Materialien benötigen Sie?
Da die CNC-Bearbeitung die etabliertere Technologie ist, gibt es eine größere Auswahl an kompatiblen Materialien, darunter Metalle (einschließlich Aluminium, Edelstahl und Legierungen), Kunststoffe (einschließlich ABS, Nylon, Polycarbonat, Acryl und PEEK) und Holz.

Wenn jedoch ein Material benötigt wird, das nicht leicht bearbeitet werden kann (wie Metallsuperlegierungen, Titan oder flexibles TPU), dann ist der 3D-Druck die klügere Option. Der 3D-Druck kann auch Teile aus Thermoplasten (einschließlich ABS, PLA, ULTEM, PEEK und Nylon), Harzen, Keramik und Metallen herstellen.

Eine Hybridlösung?

Oberflächlich betrachtet können CNC-Bearbeitung und 3D-Druck wie sich gegenseitig ausschließende Technologien erscheinen:Tatsächlich subtrahiert die eine Material, während die andere es hinzufügt.

In vielen Fällen können beide Techniken jedoch hervorragend zusammenarbeiten – deshalb wächst die Zahl der auf dem Markt erhältlichen Hybridmaschinen.

Während CNC bei der Erzielung einer hohen Maßgenauigkeit die Nase vorn hat, kann der 3D-Druck die Produktionskosten für die Kleinserienfertigung senken, bietet mehr Designfreiheit und bietet schnellere Durchlaufzeiten. Durch die Kombination der Vorteile beider Methoden können Teile mit komplexen Formen 3D-gedruckt und dann für engere Toleranzen und glattere Oberflächen bearbeitet werden.

Letztendlich hängt die Wahl der richtigen Technologie für Ihre Anforderungen von einer Reihe von Faktoren ab, darunter das benötigte Material, die Teilekomplexität, das Produktionsvolumen, das Budget und der Zeitplan. Manchmal geht es jedoch nicht darum, nur einen auszuwählen – ein hybrider Ansatz kann dazu beitragen, Herstellungszeit und -kosten zu reduzieren und gleichzeitig einen optimierten Produktionsprozess zu ermöglichen.