CNC-Bearbeitung vs. 3D-Druck:Was ist die beste Option für Ihren Job?

Der Erfinder der Stereolithografie und Gründer von 3D Systems, Charles Hull, begann 1986 mit dem Verkauf von 3D-Druckern. Einige Jahre später vermarktete 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 „Servicebüros“ eröffneten, Unternehmen, die sich ausschließlich auf den 3D-Druck konzentrierten.

Heute ist jeder dieser einst hochmodernen Begriffe größtenteils veraltet. Die additive Fertigung ist nicht mehr auf Prototyping beschränkt, ob schnell oder auf andere Weise. Und Servicebüros sind E-Herstellern gewichen, deren Eigentümer und Manager behaupten, dass der 3D-Druck die CNC-Bearbeitung und andere traditionellere Herstellungsverfahren ergänzt und nur ein weiteres Werkzeug in ihrer Werkzeugkiste geworden ist (wenn auch ein sehr leistungsfähiges).

Ausgleich von Stärken und Schwächen

Das ist sicherlich bei Stratasys Direct Manufacturing mit Sitz in Los Angeles der Fall, wo Greg Reynolds, Vice President of Operations, erklärt, dass die Entscheidung, welche Fertigungstechnologie für ein bestimmtes Projekt verwendet werden soll, von zahlreichen Faktoren abhängt, angefangen bei der Komplexität der Teile.

„Die additive Fertigung bringt mehrere wichtige Vorteile gegenüber konventionellen Verfahren, insbesondere wenn es um Metall geht“, sagt er. „Ganz oben auf dieser Liste steht die Teilekonsolidierung. Anstatt eine Reihe von Teilen zu bearbeiten und sie dann zusammenzuschrauben oder zu schweißen, können Sie mit dem Metall-3D-Druck die Baugruppe als ein einzelnes, oft viel leichteres Werkstück herstellen. Dazu kommen Merkmale wie interne Durchgänge, komplexe geschwungene Oberflächen und andere organische Formen sowie dünnwandige Gitterstrukturen. Jedes davon ist entweder sehr kostspielig oder absolut unmöglich zu bearbeiten. Für Additiv sind sie jedoch recht einfach.“

Auf der anderen Seite bleiben einfachere, monolithischere Teile wie Halterungen, Wellen, Gehäuse und eine Vielzahl anderer „blockartiger“ Komponenten fest im Bearbeitungsbereich, unabhängig davon, ob die Werkstatt ein Prototypteil oder eine Produktionsserie von vielen Tausend herstellt.

Und da der 3D-Druck in puncto Genauigkeit nicht mit der maschinellen Bearbeitung mithalten kann, eignen sich Teile mit engen Toleranzen und sehr glatten Oberflächen auch besser für eine CNC-Drehmaschine oder ein Bearbeitungszentrum.

Aus diesem Grund erfordern viele Kunststoffteile und praktisch alle Metallteile nach dem Bau eine Reise in die Maschinenwerkstatt, um kritische Teilemerkmale fertigzustellen und Stützstrukturen zu entfernen, was der Fluch der meisten 3D-Druckverfahren ist.

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

„Für kleinere Produktionsvolumen, bei denen die Teilegenauigkeit und Oberflächenbeschaffenheit nicht die höchste Priorität haben, ist der 3D-Druck sicherlich der richtige Weg“, sagt Gisbert Ledvon, Direktor für Geschäftsentwicklung für Werkzeugmaschinen bei Heidenhain Corp. „Dies gilt auch für Teile mit sehr komplexe Geometrien und wo der 3D-Druck Merkmale erzeugen kann, die sonst schwer herzustellen wären. Auch wenn sie eine sekundäre Bearbeitung erfordern, werden diese Teile zunehmend durch additive Metallfertigung hergestellt.“

Eine Kunststoff-Spritzgussform ist ein Beispiel, sagt Ledvon. Anstatt wie beim traditionellen Formenbau eine käseähnliche Reihe von Kühllöchern durch die Formbasis oder ihre Einsätze zu bohren, können Laser-Metallpulverbettmaschinen (LPBF) die gesamte Form drucken und mit strategisch platzierten Kühlkanälen füllen, die sich anpassen zu und umgeben den Formhohlraum. Das Ergebnis, sagt er, sind Formen mit viel schnelleren Zykluszeiten und höherer Teilequalität, als dies sonst möglich wäre.

Auch hier sind Sekundäroperationen zur Endbearbeitung des Formhohlraums und anderer kritischer Oberflächen erforderlich; Wie Ledvon und Reynolds beide betonen, hinterlässt die additive Metallfertigung eine Oberflächenbeschaffenheit, die mit der eines Guss- oder Schmiedestücks vergleichbar ist.

Beide Experten sagen, dass die Übertragung dieser und anderer Teile von einem 3D-Drucker auf eine CNC-Maschine eine robuste Befestigungsstrategie erfordert. „Es wäre ideal, wenn Ihr 3D-Drucker über eine Art Palettensystem verfügt, das sich in Ihr Bearbeitungszentrum integrieren lässt, da dies viel Zeit und Kopfschmerzen spart“, sagt Ledvon.

Das Greifen eines 3D-gedruckten Teils ähnelt dem Greifen eines Gussteils, fügt Reynolds hinzu, da es oft keinen festen Bezugspunkt gibt, auf den man sich beziehen kann. „Wie bei Gussteilen beginnt man den Bearbeitungsprozess von einer Near-Net-Shape, also muss man zuerst einen Nullpunkt fräsen oder drehen und dann von dort aus weitermachen. Das ist von Job zu Job unterschiedlich, aber insgesamt würde ich sagen, dass die Dimensionskontrolle bei 3D-gedruckten Teilen definitiv eine größere Herausforderung darstellt.“

CNC erfüllt den Bedarf an Geschwindigkeit

Eine weitere Feder in der Kappe der CNC-Bearbeitung ist die Geschwindigkeit. Während CNC-Drehmaschinen und Bearbeitungszentren Material mit hoher Geschwindigkeit von einer Stange oder einem Knüppel abreißen können, sind laserbasierte Metall- und Polymer-3D-Drucker notorisch langsam und benötigen viele Stunden, um die meisten Teile und sogar Tage für größere Teile herzustellen.

Doch Laser sind bei weitem nicht die einzige Möglichkeit, Materialien zu binden. Die additive Fertigung verfügt über sieben verschiedene Technologien und zahlreiche Ableger, von denen einige in den letzten Jahren geradezu rasant geworden sind. Beispielsweise haben Hersteller von 3D-Druckern wie Markforged Binder-Jetting-Maschinen entwickelt, mit denen große Mengen „grüner“ Teile gedruckt werden können, die dann gesintert werden. Nachahmung des jahrzehntealten Metallspritzgussverfahrens. Und Fused Deposition Modeling-Drucker wie die von MakerBot und der Muttergesellschaft Stratasys sind nicht nur viel schneller geworden als in den frühen Tagen von Scott Crump, sondern können jetzt auch bestimmte Metalle drucken.

In ähnlicher Weise wurde der Stereolithografieprozess von Chuck Hull um die digitale Lichtverarbeitung erweitert, bei der ganze Schichten aus Photopolymerharz in einem einzigen Durchgang ausgehärtet werden, anstatt sie sorgfältig Linie für Linie mit einer UV-Lichtquelle nachzuzeichnen.

Diese und andere Polymerdrucker sind auch viel genauer als früher (obwohl immer noch viel ungenauer als maschinelle Bearbeitung) und können, wenn sie in Verbindung mit sogenannten „Dampfpoliergeräten“ verwendet werden, außergewöhnliche Oberflächengüten erzeugen.

Dann gibt es noch die selektive Absorptionsfusion von Stratasys. Obwohl es derzeit auf umweltfreundliches PA11-Nylon beschränkt ist, druckt es Teile mit einer proprietären Tinte, die den Schmelzpunkt jedes Polymerpulvers senkt, das es berührt. Wenn sie einer Infrarotwärmequelle ausgesetzt werden, verschmelzen diese Bereiche zu voll funktionsfähigen Teilen. „Egal, ob es sich um ein Teil oder 1.000 handelt, die Baugeschwindigkeiten sind gleich“, sagt Reynolds. „Dadurch ist es ideal für höhere Produktionsvolumen geeignet, und da es nicht so viel Wärme in das Teil einbringt wie selektives Lasersintern (SLS), ist die Materialintegrität im Allgemeinen größer.“

Produktionszeit verkürzen

Die Werkzeugausstattung ist ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen dem 3D-Druck und der traditionellen Fertigung. Da es sich bei ersterem um einen vollständig digitalen Prozess handelt, sind keine Vorrichtungen, Vorrichtungen und andere Werkzeuge (abgesehen von denen, die in der Sekundärverarbeitung verwendet werden) erforderlich, die bei herkömmlichen Herstellungsprozessen erforderlich sind.

Das bietet zahlreiche Vorteile, der offensichtlichste ist der Wegfall einiger oder aller Werkzeugkosten. Aber es gibt auch die Vorlaufzeit, die benötigt wird, um die Werkzeuge herzustellen, und wenn sie fertig sind, installieren Sie sie auf der Werkzeugmaschine, nehmen Sie das Programm Null auf und testen Sie dann das CNC-Programm. Ein 3D-Drucker hingegen kann in nur wenigen Stunden vom CAD-Modell zum fertigen Teil gehen.

Reynolds stellt fest, dass der 3D-Druck in letzter Zeit in Bezug auf das Entbacken und das Entfernen von Stützstrukturen stärker automatisiert wurde, obwohl die Automatisierung auch bei anderen Arten der Fertigung eine größere Rolle spielt.

Unabhängig davon ist die Entscheidung, wie ein bestimmtes Teil hergestellt werden soll, eine komplexe Entscheidung, die von der Auftragsmenge, der Teilegeometrie, ihrer Genauigkeit und Oberflächenbeschaffenheit, dem Material, aus dem sie besteht, und einer Vielzahl anderer Faktoren abhängt.

Metallbauer, die versuchen, sich zwischen den beiden Techniken zu entscheiden, können ein Teil auf die Website von Stratasys hochladen, um ein sofortiges Angebot zu erhalten und herauszufinden, welcher Weg am schnellsten und effektivsten ist.

„Diejenigen, die vielleicht irgendwann überlegt haben, in einen eigenen 3D-Drucker zu investieren, und ihn entweder zu teuer oder nicht leistungsfähig genug fanden, würde ich ermutigen, noch einmal einen Blick darauf zu werfen“, sagt er. „Es ist eine sehr ausgereifte Technologie geworden und als B. mit CNC-Drehmaschinen und Bearbeitungszentren, ist nur eine weitere Möglichkeit, Teile herzustellen."

Schnellumfrage:Additive Manufacturing Edge

Die additive Fertigung wird zunehmend eingesetzt, um die maschinelle Bearbeitung und traditionellere Fertigungsverfahren zu ergänzen.

Was sind die Vorteile der additiven Fertigung für Ihr Unternehmen?