3D-Druck vs. CNC-Bearbeitung

Einführung

Die CNC-Bearbeitung ist eine gängige subtraktive Fertigung Technologie. Im Gegensatz zum 3D-Druck beginnt der Prozess in der Regel mit einem festen Materialblock (Rohling) und entfernt Material, um die erforderliche endgültige Form zu erreichen, wobei eine Vielzahl scharfer rotierender Werkzeuge oder Schneidwerkzeuge verwendet werden.

CNC ist eine der beliebtesten Fertigungsmethoden sowohl für kleine Einzelaufträge als auch für die Produktion mittlerer bis hoher Stückzahlen. Es bietet hervorragende Wiederholbarkeit, hohe Genauigkeit und eine große Auswahl an Materialien und Oberflächenveredelungen.

Additive Manufacturing (AM) oder 3D-Druckverfahren bauen Teile auf, indem Material Schicht für Schicht hinzugefügt wird. AM-Prozesse erfordern keine speziellen Werkzeuge oder Vorrichtungen, sodass die anfänglichen Einrichtungskosten auf einem Minimum gehalten werden.

In diesem Artikel stellen wir die wichtigsten Technologieüberlegungen vor, die Ihnen bei der Auswahl der richtigen Technologie für Ihre Anwendung helfen sollen. Wir konzentrieren uns auf Funktionsteile und Prototypen aus Metall oder Kunststoff. Die dafür am besten geeigneten 3D-Druckverfahren sind SLS oder FDM für Kunststoffe und SLM/DMLS oder Binder Jetting für Metalle.

Auswahl der richtigen Technologie

Bei der Wahl zwischen CNC und additiver Fertigung (AM) gibt es einige einfache Richtlinien, die auf den Entscheidungsprozess angewendet werden können.

Als Faustregel gilt, dass alle Teile, die mit geringem Aufwand subtraktiv hergestellt werden können, grundsätzlich CNC-bearbeitet werden sollten. Der Einsatz von 3D-Druck ist in der Regel nur in folgenden Fällen sinnvoll:

• Wenn traditionelle Methoden nicht produzieren können das Teil, zum Beispiel für hochkomplexe, topologieoptimiert Geometrien.
  
• Bei einer schnellen Wende Zeit ist kritisch; 3D-gedruckte Teile können innerhalb von 24 Stunden geliefert werden.
  
• Wenn günstig ist von wesentlicher Bedeutung; Bei kleinen Stückzahlen ist der 3D-Druck im Allgemeinen billiger als CNC.
  
• Wenn es eine kleine Zahl gibt Anzahl identischer Teile erforderlich (weniger als 10).
  
• Wenn Materialien erforderlich, die sich nicht einfach bearbeiten lassen, wie Metall-Superlegierungen oder flexibles TPU.
  
  

CNC bietet eine höhere Maßgenauigkeit und produziert Teile mit besseren mechanischen Eigenschaften in allen 3 Dimensionen, aber dies ist normalerweise mit höheren Kosten verbunden, insbesondere bei kleinen Stückzahlen.

Wenn größere Teilemengen benötigt werden (Hunderte oder mehr), dann sind weder CNC noch AM möglicherweise eine kostengünstige Option. Herkömmliche Umformtechnologien wie Feinguss oder Spritzguss sind aufgrund von Skaleneffekten im Allgemeinen die wirtschaftlichste Option (siehe Abbildung).

Empfohlene Prozessreferenztabelle

Nr. von Teilen	1	10er	100er	1000
Kunststoff	3D-Druck	3D-Druck (siehe:CNC)	CNC (siehe:Spritzguss)	Spritzguss
Metall	3D-Druck &CNC*	CNC (z. B. 3D-Druck)	CNC (betrachten Sie:Feinguss)	Fein- oder Druckguss

^{*:stark abhängig von der Teilegeometrie}

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CNC-Angebot einholenAngebot für 3D-Druck einholen

Prozesseigenschaften

Maßgenauigkeit

Die CNC-Bearbeitung bietet enge Toleranzen und hervorragende Wiederholbarkeit . Sehr große bis sehr kleine Teile können präzise CNC-bearbeitet werden. Aufgrund der Form des Schneidwerkzeugs haben Innenecken immer einen Radius, aber Außenflächen können scharfe Kanten haben und sehr dünn bearbeitet werden.

Unterschiedliche 3D-Drucksysteme bieten unterschiedliche Maßhaltigkeit. Industriemaschinen können Teile mit sehr guten Toleranzen herstellen . Wenn enge Abstände erforderlich sind, können die kritischen Abmessungen in Übergröße 3D-gedruckt und dann während der Nachbearbeitung bearbeitet werden.

Die Mindestwandstärke von 3D-gedruckten Teilen ist durch die Größe des Endeffektors beschränkt (z. B. auf den Düsendurchmesser bei FDM oder die Laserpunktgröße bei SLS). Da Teile Schicht für Schicht hergestellt werden, können Schichtlinien sichtbar sein, insbesondere bei gekrümmten Oberflächen. Die maximale Teilegröße ist relativ klein, da die 3D-Druckverarbeitung oft eine genaue Umgebungskontrolle erfordert.

	Toleranz	Min. Wandstärke	Maximale Teilegröße
CNC	± 0,025 - 0,125 mm &astre;	0,75 mm	Fräsen:2000 x 800 x 1000 mm Drehmaschine:Ø 500 mm
SLS	± 0,300 mm	0,7 - 1,0 mm	300 x 300 x 300 mm
FDM	Industrie:± 0,200 mm Desktop:± 0,500 mm	0,8 - 1,0 mm	Industriell:900 x 600 x 900 mm Desktop:200 x 200 x 200 mm
SLM/DMLS	± 0,100 mm	0,40 mm	230 x 150 x 150 mm
Binder-Jetting	± 0,200 mm	2,0 mm	380 x 355 x 735 mm

^{* :Gemäß der angegebenen Toleranzstufe.}

Materialien

CNC wird hauptsächlich für die Bearbeitung von Metallen verwendet. Es kann auch für die Bearbeitung von Thermoplasten, Acryl, Weich- und Harthölzern, Modellierschäumen und Bearbeitungswachs verwendet werden.

• Hervorragende mechanische und thermische Eigenschaften mit vollständig isotropem Verhalten.
• Abmessungsbeschränkungen aufgrund der Rohlingsgröße (die Verwendung einer nicht standardmäßigen Rohlingsgröße erhöht die Kosten).

	Gängige CNC-Materialien
Kunststoffe	ABS, Nylon, Polycarbonat, PEEK
Metalle	Aluminium, Edelstahl, Titan, Messing

3D-Druck wird überwiegend bei Kunststoffen eingesetzt und in geringerem Maße für Metalle. Einige Technologien können Teile aus Keramik, Wachs, Sand und Verbundwerkstoffen herstellen. 3D-Druckmaterialien sind ein komplexes Thema, das in speziellen Artikeln der Wissensdatenbank weiter erörtert wird.

• Große Auswahl an Materialien mit einer Vielzahl physikalischer Eigenschaften.
• Materialien, die schwer zu bearbeiten sind (wie TPU und Metall-Superlegierungen), können 3D-gedruckt werden.
• Kann im Vergleich zu CNC-Teilen geringere mechanische Eigenschaften haben (sie sind normalerweise nicht vollständig isotrop).

	Gängige 3D-Druckmaterialien
Kunststoffe	Nylon, PLA, ABS, ULTEM, ASA, TPU
Metalle	Aluminium, Edelstahl, Titan, Inconel

Modellkomplexität

Bei der Konstruktion von Teilen für die CNC-Bearbeitung müssen eine Reihe von Einschränkungen berücksichtigt werden, darunter Werkzeugzugang und -abstände, Halte- oder Befestigungspunkte sowie die Unfähigkeit, rechtwinklige Ecken aufgrund der Werkzeuggeometrie zu bearbeiten.

Einige Geometrien sind für eine CNC-Maschine nicht möglich (auch bei 5-Achs-CNC-Systemen), da das Werkzeug nicht alle Oberflächen eines Bauteils erreichen kann. Die meisten Geometrien erfordern die Drehung des Teils, um Zugang zu den verschiedenen Seiten zu erhalten. Die Neupositionierung erhöht die Verarbeitungs- und Arbeitszeit und es können kundenspezifische Vorrichtungen und Vorrichtungen erforderlich sein, die sich auf den Endpreis auswirken.

Der 3D-Druck hat im Vergleich zu CNC nur sehr wenige geometrische Einschränkungen. Stützstrukturen sind in den meisten Technologien wie FDM oder SLM/DMLS erforderlich und werden während der Nachbearbeitung entfernt.

Plastische freie, organische Geometrien können problemlos mit polymerbasierten Pulverbettfusionsverfahren wie SLS oder Multi Jet Fusion (MJF) hergestellt werden, da sie keine Unterstützung benötigen. Die Fähigkeit, hochkomplexe Geometrien zu produzieren ist eine der wichtigsten Stärken des 3D-Drucks.

Fertigungsablauf

Folgendes passiert hinter den Kulissen, wenn Sie einen CNC- oder 3D-Druckauftrag erteilen:

Bei der CNC muss ein erfahrener Bediener oder Ingenieur zunächst die Werkzeugauswahl, die Spindeldrehzahl, den Schnittpfad und die Neupositionierung des Teils berücksichtigen. Diese Faktoren wirken sich alle stark auf die Qualität des endgültigen Teils und die Bauzeit aus. Der Herstellungsprozess ist arbeitsintensiv, da der Block manuell in der Maschine eingerichtet werden muss. Nach der Bearbeitung sind die Bauteile bereit für den Einsatz oder die Nachbearbeitung.

Beim 3D-Druck bereitet der Maschinenbediener zunächst die digitale Datei vor (wählt die Ausrichtung und fügt Unterstützung hinzu) und sendet sie dann an die Maschine, wo sie mit wenig menschlichem Eingreifen gedruckt wird. Wenn der Druckvorgang abgeschlossen ist, muss das Teil gereinigt und nachbearbeitet werden, was der arbeitsintensivste Aspekt des 3D-Druck-Fertigungsablaufs ist.

Nachbearbeitung

Sowohl auf CNC- als auch auf 3D-gedruckte Teile kann eine Reihe von Nachbearbeitungsmethoden angewendet werden, die die Funktionalität oder Ästhetik der fertigen Komponente verbessern. Die gebräuchlichsten Nachbearbeitungstechniken sind unten aufgeführt:

	Nachbearbeitungsmethoden
CNC	Perlstrahlen, Eloxieren (Typ II oder Typ III), Pulverbeschichten
3D-Druck	Strahlen, Schleifen und Polieren, Mikropolieren, Metallplattieren

Fallstudie:Prototyping eines Kunststoffgehäuses

Bei der Entwicklung eines neuen elektronischen Geräts ist die Herstellung von Prototypen für das Gehäuse der Schlüssel zur Fertigstellung des Produkts vor der Massenfertigung. Um die Entwicklungszeit zu verkürzen, schnelle Vorlaufzeit und niedrige Kosten sind die Hauptziele.

Elektronische Gehäuse haben oft Schnappverbindungen, Filmscharniere oder andere ineinandergreifende Verbindungen und Befestigungselemente. Alle diese Merkmale können entweder CNC-bearbeitet oder mit FDM oder SLS in 3D gedruckt werden.

CNC und SLS können verwendet werden, um Prototypen mit hoher Genauigkeit und Ästhetik zu erstellen, aber Desktop-FDM hat viel kürzere Vorlaufzeiten und niedrigere Kosten. Da die mechanische Leistung nicht das Hauptziel dieses Projekts ist, sind die Vorteile von CNC und SLS die zusätzlichen Kosten und den Zeitaufwand normalerweise nicht wert.

	CNC	Desktop-FDM	SLS
Kosten	$$	$	$$
Gemeinsame Materialien	ABS, Nylon	PLA, ABS, Nylon	Nylon
Vorlaufzeit	1 - 2 Wochen	1 - 3 Tage	Weniger als eine Woche
Genauigkeit	± 0,125 mm	± 0,500 mm	± 0,300 mm

Fallstudie:Herstellung von Metallbrackets und -komponenten

Metallhalterungen und andere mechanische Komponenten können hohen Belastungen standhalten und bei erhöhten Temperaturen arbeiten. In diesem Fall Maßhaltigkeit und gute Materialeigenschaften sind die Hauptziele.

Wenn die Modellgeometrie einfach ist (wie die Komponenten des obigen Bildes), dann ist CNC die beste Option in Bezug auf Genauigkeit, mechanische Eigenschaften und Kosten.

Wenn die geometrische Komplexität zunimmt oder exotischere Materialien erforderlich sind, muss der Metall-3D-Druck in Betracht gezogen werden. Komponenten, die auf Gewicht und Festigkeit optimiert sind (wie die Klammern im Bild unten), haben organische Strukturen, die sehr schwierig und kostspielig zu bearbeiten sind.

CNC und Metall-3D-Druck können kombiniert werden um Teile sowohl mit organischer Form als auch mit sehr engen Toleranzen an den kritischen Stellen herzustellen.

	CNC	SLM/DMLS	Binder Jetting
Kosten	$$	$$$$	$$$
Gemeinsame Materialien	Aluminium Edelstahl Messing	Edelstahl Aluminium Titan Inconel Kobalt-Chrom	Edelstahl Inconel Kobalt-Chrom Wolframcarbid
Genauigkeit	± 0,025 mm	± 0,100 mm	± 0,200 mm
Mechanische Eigenschaften	Sehr gut	Sehr gut	Gut

Faustregeln

Die Auswahl der richtigen Technologie für Ihre Anwendung ist entscheidend und kann auf die folgenden Faustregeln reduziert werden:

• CNC-Bearbeitung eignet sich am besten für mittlere bis hohe Stückzahlen (weniger als 250–500 Teile) und relativ einfache Geometrien.
  
• Der 3D-Druck eignet sich im Allgemeinen am besten für geringe Stückzahlen (oder einmalige Prototypen) und komplexe Geometrien.
  
• Wenn es um Metalle geht, kann CNC sogar bei geringen Mengen preislich konkurrenzfähig sein, aber Geometriebeschränkungen gelten immer noch.
  
• Bei hohen Stückzahlen (mehr als 250 - 500 Teile) sind andere Umformtechnologien besser geeignet.