CNC-Zerspanung vs. 3D-Druck: Die richtige Fertigungsmethode für Ihr Projekt wählen

Stereolithografie-Erfinder und 3D-Systems-Gründer Charles Hull begann 1986 mit dem Verkauf von 3D-Druckern. Wenige Jahre später kommerzialisierte Scott Crump von Stratasys seine Fused-Deposition-Modeling-Technologie. Andere folgten bald, und es dauerte nicht lange, bis Unternehmer überall diese „Rapid Prototyping“-Maschinen kauften und „Service Bureaus“ eröffneten – Unternehmen, die sich ausschließlich auf 3D-Druck konzentrierten.

Heute sind diese einst hochmodernen Begriffe weitgehend obsolet. Additive Fertigung ist nicht mehr auf Prototyping beschränkt – ob schnell oder nicht. Und Service Bureaus wichen E-Manufacturern, deren Inhaber und Manager betonen, dass 3D-Druck CNC-Zerspanung und andere traditionelle Fertigungsprozesse ergänzt und zu einem weiteren Werkzeug in ihrem Werkzeugkasten geworden ist (wenn auch ein sehr mächtiges).

Stärken und Schwächen ausgleichen

Das gilt sicherlich für das in Los Angeles ansässige Stratasys Direct Manufacturing, wo VP of Operations Greg Reynolds erklärt, dass die Entscheidung, welche Fertigungstechnologie für ein gegebenes Projekt genutzt wird, von zahlreichen Faktoren abhängt – beginnend mit der Teilekomplexität.

„Additive Fertigung bringt mehrere wichtige Vorteile gegenüber konventionellen Prozessen, besonders bei Metall“, sagt er. „Ganz oben auf dieser Liste steht Teilekonsolidierung. Statt eine Menge Teile zu zerspanen und sie dann zu verschrauben oder zu schweissen, ermöglicht Metall-3D-Druck, die Baugruppe als einzelnes, oft deutlich leichteres Werkstück zu fertigen. Damit einhergehen Merkmale wie interne Kanäle, komplexe Freiformflächen und andere organische Formen sowie dünnwandige Gitterstrukturen. Jedes davon ist entweder sehr kostspielig oder schlicht unmöglich zu zerspanen. Für additive Fertigung jedoch sind sie recht einfach.“

Auf der anderen Seite bleiben einfachere, monolithischere Teile wie Halter, Wellen, Gehäuse und eine Vielzahl weiterer „klotziger“ Komponenten fest in der Zerspanungsdomäne – egal ob Prototyp oder Serienlauf von vielen Tausenden.

Und weil 3D-Druck in puncto Genauigkeit nicht mit Zerspanung mithalten kann, sind Teile mit engen Toleranzen und sehr glatten Oberflächen besser an einer CNC-Drehmaschine oder einem Bearbeitungszentrum aufgehoben.

Deshalb benötigen viele Kunststoffteile und praktisch alle Metallteile einen Nachbearbeitungsschritt in der Werkstatt, um kritische Teilmerkmale zu finishen und Stützstrukturen zu entfernen – den Fluch der meisten 3D-Druckprozesse.

3D-Druck: Gut für komplexe Geometrien, filigrane Merkmale

„Bei geringeren Stückzahlen, wo Teilegenauigkeit und Oberflächengüte nicht höchste Priorität haben, ist 3D-Druck sicher der Weg“, sagt Gisbert Ledvon, Director of Business Development für Werkzeugmaschinen bei Heidenhain Corp. „Das gilt auch für Teile mit sehr komplexen Geometrien, wo 3D-Druck Merkmale produzieren kann, die sonst schwer herstellbar wären. Auch wenn sie Sekundärbearbeitung erfordern, werden diese Teile zunehmend über metallische additive Fertigung gefertigt.“

Ein Kunststoffspritzgusswerkzeug ist ein Beispiel, so Ledvon. Statt einer schweizer-käse-artigen Reihe von Kühlbohrungen durch den Werkzeuggrund oder seine Einsätze, wie beim traditionellen Werkzeugbau, können Laser-Powder-Bed-Fusion-Maschinen (LPBF) das gesamte Werkzeug drucken und es mit strategisch platzierten Kühlkanälen füllen, die sich dem Werkzeughohlraum anpassen und umgeben. Das Ergebnis: Werkzeuge mit deutlich kürzeren Zykluszeiten und höherer Teilequalität als sonst möglich.

Auch hier sind Sekundäroperationen nötig, um den Werkzeughohlraum und andere kritische Flächen zu finishen; wie Ledvon und Reynolds beide anmerken, hinterlässt metallische additive Fertigung eine Oberflächengüte vergleichbar mit Guss oder Schmieden.

Beide Experten betonen, dass der Transfer dieser und anderer Teile vom 3D-Drucker zur CNC-Maschine eine robuste Spannstrategie erfordert. „Ideal wäre, wenn Ihr 3D-Drucker ein Palettensystem hat, das sich mit Ihrem Bearbeitungszentrum integriert – das spart viel Zeit und Kopfzerbrechen“, sagt Ledvon.

Das Spannen eines 3D-gedruckten Teils ähnelt dem Spannen eines Gussteils, fügt Reynolds hinzu, da es oft keinen festen Nullpunkt zum Referenzieren gibt. „Wie bei Gussteilen starten Sie den Zerspanungsprozess von einem Near-Net-Shape, müssen also erst einen Nullpunkt fräsen oder drehen und dann davon ausgehen. Das variiert von Job zu Job, aber insgesamt ist Dimensionskontrolle bei 3D-gedruckten Teilen definitiv anspruchsvoller.“

CNC punktet mit Geschwindigkeit

Ein weiteres Plus für CNC-Zerspanung ist Geschwindigkeit. Wo CNC-Drehmaschinen und Bearbeitungszentren Material von Stangen oder Blöcken mit hohen Raten entfernen, sind laserbasierte Metall- und Polymer-3D-Drucker notorisch langsam – viele Stunden für die meisten Teile, Tage für größere.

Doch Laser sind längst nicht die einzige Möglichkeit, Materialien zu binden. Additive Fertigung bietet sieben distincte Technologien und zahlreiche Ableger, von denen einige in jüngster Zeit richtig schnell geworden sind. Beispielsweise haben 3D-Druckerhersteller wie Markforged Binder-Jetting-Maschinen entwickelt, die große Mengen „grüner“ Teile drucken, die dann gesintert werden – mimikrierend den jahrzehntealten Metal Injection Molding-Prozess. Und FDM-Drucker wie von MakerBot und Mutterkonzern Stratasys sind nicht nur viel schneller als in Scott Crumps frühen Tagen, sondern können jetzt auch bestimmte Metalle drucken.

Ebenso hat Chuck Hulls Stereolithografie-Prozess sich zu Digital Light Processing erweitert, das ganze Schichten aus Photopolymerharz in einem Durchgang aushärtet, statt sie mühsam Zeile für Zeile mit einer UV-Lichtquelle nachzuzeichnen.

Diese und andere Polymerdrucker sind auch deutlich genauer als früher (aber immer noch weit weniger genau als Zerspanung) und können in Kombination mit sogenannter „Dampfpolitur“-Ausrüstung exzellente Oberflächengüten erzeugen.

Dann gibt es Selective Absorption Fusion von Stratasys. Derzeit auf umweltfreundliches PA11-Nylon beschränkt, druckt es Teile mit einer proprietären Tinte, die den Schmelzpunkt jedes Polymerpulvers senkt, das sie berührt. Bei Infrarotwärme verschmelzen diese Bereiche zu funktionsfähigen Teilen. „Egal ob ein Teil oder 1.000 – die Baugeschwindigkeiten sind gleich“, sagt Reynolds. „Das macht es ideal für höhere Stückzahlen, und da es nicht so viel Hitze in das Teil bringt wie Selective Laser Sintering (SLS), ist die Materialintegrität generell höher.“

Produktionszeit verkürzen

Werkzeugbau ist ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen 3D-Druck und traditioneller Fertigung. Da ersterer ein rein digitaler Prozess ist, entfallen Jiggs, Vorrichtungen und andere Werkzeuge (abgesehen von denen für die Nachbearbeitung), die bei traditionellen Prozessen nötig sind.

Das bietet zahlreiche Vorteile, der offensichtlichste: Wegfall einiger oder aller Werkzeugkosten. Aber da ist auch die Vorlaufzeit für Werkzeugherstellung, und wenn sie bereit sind, Installation auf der Werkzeugmaschine, Nullpunktabnahme und CNC-Programmbeweis. Ein 3D-Drucker kann dagegen vom CAD-Modell zum fertigen Teil in wenigen Stunden gelangen.

Reynolds merkt an, dass 3D-Druck últimamente automatisierter wurde bezüglich Entkuchen und Stützstrukturentfernung, obwohl Automation auch in anderen Fertigungsarten größere Rolle spielt.

Unabhängig davon: Die Entscheidung, wie ein gegebenes Teil produziert wird, ist komplex – sie hängt von Losgröße, Teilegeometrie, Genauigkeit und Oberflächengüte, Material und vielen weiteren Faktoren ab.

Metallbearbeiter, die zwischen den beiden Techniken entscheiden wollen, können ein Teil auf Stratasys' Website hochladen für ein Instant-Quote und herausfinden, was schneller und effektiver ist.

„Für die, die vielleicht mal überlegten, in einen eigenen 3D-Drucker zu investieren, aber ihn zu teuer oder nicht leistungsfähig genug fanden: Ich würde ermutigen, nochmal hinzuschauen“, sagt er. „Es ist zu einer sehr ausgereiften Technologie geworden und, wie CNC-Drehmaschinen und Bearbeitungszentren, einfach ein weiterer Weg, Teile zu machen.“

Quick Poll: Additive Manufacturing Vorteil

Additive Fertigung wird zunehmend genutzt, um Zerspanung und traditionelle Fertigungsprozesse zu ergänzen.

Was sind die Vorteile additiver Fertigung für Ihr Geschäft?