Dank der jüngsten Fortschritte im 3D-Druck ist es für die Hersteller immer einfacher geworden, Teile aus einer Vielzahl von Materialien, darunter Polymere wie ABS, TPE und PLA sowie Kohlefaser-, Nylon- und Polycarbonat-Verbundwerkstoffe, durch additive Fertigung herzustellen. Selbst teure Metalle wie Titan, rostfreier Stahl und Inconel werden in der additiven Fertigung immer häufiger eingesetzt. Es besteht kein Zweifel, dass dieser Bereich in den kommenden Jahren weiter expandieren und wachsen wird, aber werden dadurch subtraktive Fertigungsmethoden wie die CNC-Bearbeitung obsolet? Auf keinen Fall. Im Falle der CNC-Bearbeitung ist die Rede davon, dass sie für die inkrementelle Fertigung wichtiger sein könnte, als Sie denken, da ein neues Verfahren, die so genannte „Hybridfertigung”, in der Branche rasch an Popularität gewinnt. Warum ist es so wichtig, den Herstellungsprozess zu sichern? Ist CNC fräsen auf Strukturen im Inneren von unzugänglichen Teilen anwendbar? Erfordert das Verfahren selbst spezielle Fähigkeiten? Über all das schreiben wir weiter unten!
Additive manufacturing versus subtraktive Fertigung
Die Hybridbearbeitung ersetzt zunehmend die spanende Bearbeitung. Vor der Umsetzung eines hybriden Produktionskonzepts ist es wichtig, die Vor- und Nachteile der einzelnen Konzepte zu kennen. Im Folgenden finden Sie einen kurzen Überblick darüber, wo inkrementelle Technologien anwendbar sind, wie der Prozess der Teileherstellung funktioniert und welche Vor- und Nachteile die additive und subtraktive Fertigung haben.
Additive Fertigung – Vorteile
- Fügt Materialschichten hinzu, um ein Teil zu erstellen
- Besser für kleinere Teile
- Langsamerer Prozess, besser für kleine Produktionsläufe
- Grobe Oberflächenbeschaffenheit, die eine erhebliche Nachbearbeitung erfordert
- Weniger präzise Teiletoleranzen
- Günstigere Materialkosten
- Weniger Materialabfall
- Komplexe Details sind einfacher zu erstellen
Subtraktive Fertigung – Vorteile
- Entfernt Materialschichten, um Teile zu formen
- Schnellerer Prozess, besser für große Produktionsläufe
- Besser für größere Teile
- Definierteres Oberflächenfinish mit minimaler Nachbearbeitung
- Kann sehr präzise Teiletoleranzen einhalten
- Höhere Materialkosten
- Mehr Materialabfall
- Komplexe Details objekte können ausgefeilte Programme und zusätzliche Fähigkeiten erfordern (5 Achsen)
CNC-Bearbeitung zur Herstellung präziser 3D-Druckteile
Einer der Hauptunterschiede zwischen additiver und subtraktiver Fertigung liegt in der Oberflächengüte und den Toleranzen, die mit beiden Verfahren erreicht werden können. In diesem Fall kann ein hybrider Ansatz für die additive Fertigung sehr vorteilhaft sein. Wenn die Teile aus dem Drucker kommen, können sie schnell auf eine CNC-Maschine übertragen werden, die ein Programm für die Fertigstellung des Teils verwendet. CNC-Maschinen werden in der Lage sein, 3D-gedruckte Teile herzustellen, die die in vielen Branchen geforderten engen Toleranzen einhalten und die gewünschte Oberflächengüte aufweisen. Hochentwickelte Schlichtwerkzeuge und Werkzeuge mit großer Reichweite, wie z. B. Harveys Werkzeuge, erleichtern die Bearbeitung enger Geometrien von 3D-gedruckten Teilen, während ultrascharfe diamantbeschichtete Werkzeuge und materialspezifische Werkzeuge für Kunst- und Verbundstoffe ästhetisch ansprechende, tolerante und fertige Teile unabhängig vom Material erzeugen können. Werkzeuge mit großer Reichweite erleichtern die Bearbeitung komplexer Details an schwer zugänglichen 3D-gedruckten Teilen. Wenn Sie diesen Arbeitsablauf in Ihre Werkstatt integrieren, müssen Sie sich weniger Gedanken über die Genauigkeit Ihrer gedruckten Teile machen, können subtraktive Arbeitsgänge hinzufügen, um die Materialkosten zu senken, den Ausschuss zu reduzieren und die Teile innerhalb enger Toleranzen zu halten, um eine hervorragende Präzisionsbearbeitung zu gewährleisten.
Einsatz von 3D-Drucken zur Steigerung der Produktivität bei der CNC-Bearbeitung
Kann eine CNC-Maschine nicht alles, was ein 3D-Druckern kann, in kürzerer Zeit herstellen? Durch den Einsatz beider Methoden und eines hybriden Ansatzes können die Herstellungs- und Materialkosten gesenkt werden. Beispielsweise können die meisten Teile mit typischen subtraktiven Maschinen bearbeitet werden, während die Anwendung additiver Verfahren viel Zeit in Anspruch nehmen kann. Anschließend können Sie das Teil mit einem 3D-Drucker um komplexe Merkmale ergänzen, die bei einer subtraktiven Maschine eine komplexe Programmierung und stundenlange Planung erfordern würden. Ein typisches Beispiel ist ein Rotor, bei dem die meisten Teile maschinell bearbeitet werden können, aber komplexe Rippen und Schaufeln können in das Teil gedruckt und dann auf einer CNC-Maschine bearbeitet werden. Die Fähigkeit der additiven Maschinen, Teile wirklich „hinzuzufügen”, kann auch einen weniger kostspieligen Ansatz für das Design bieten. Anstatt das gesamte Teil aus teuren Werkstoffen wie Inconel oder Titan zu bearbeiten, können Teile, die keine extreme Hitzebeständigkeit erfordern, aus billigeren Stählen geschnitten werden, und hitzebeständige Teile aus teuren Werkstoffen können später mit additiven Verfahren hinzugefügt werden.
Hybride Produktionsmaschinen
In dem Maße, in dem hybride Arbeitsmethoden immer beliebter werden, setzen sich neue Produktionsmaschinen durch. Dabei handelt es sich um All-in-One-Anlagen, die additive und subtraktive Fertigung in einer einzigen Konfiguration durchführen können. Viele dieser Maschinen bieten 3D-Metalldruck und mehrachsige Bearbeitung, um auch die komplexesten Teile zu bearbeiten. Da die Fertigungs- und Konstruktionstechnologie durch CAM/CAD-Software mit generativem Design und künstlicher Intelligenz immer „intelligenter” wird, könnten diese Hybridmaschinen zum neuen Standard für High-End-Maschinenbauer werden, die in fortschrittlichen Fertigungsbranchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Rüstungsindustrie und dem Markt für Formen, Werkzeuge und Matrizen arbeiten.
Wie viele Teile produzieren Sie? Die Wahl zwischen 3D-Druck und CNC-Bearbeitung
Die Anzahl der Teile, die Sie produzieren wollen, spielt eine große Rolle bei der Entscheidung zwischen 3D-Druck und CNC-Bearbeitung. Im Folgenden wird dies nach Anzahl der Teile, Material und Geometrie aufgeschlüsselt. Zusätzlich zu unseren Hauptempfehlungen bieten wir auch alternative Optionen an: 3D oder CNC – je nach Anzahl der Teile.
Anzahl der Teile für Kunststoffmaterialien
- 1-10 – 3d verwenden
- 10-100 – 3D-Druck verwenden
- 100-1000 – mit CNC-Bearbeitung
- 1000+ – Spritzguss verwenden
Anzahl der Teile für metallische Werkstoffe
- 1-10 – 3d-Drucker verwenden
- 10-100 – 3D-Drucker verwenden (auch wenn CNC in Frage kommt)
- 100-1000 – mit CNC-Bearbeitung
- 1000+ – mit CNC-Bearbeitung oder Guss
Bietet der 3D-Druck oder die CNC-Bearbeitung eine bessere Maßhaltigkeit?
Die CNC-Bearbeitung bietet enge Toleranzen und eine hervorragende Wiederholbarkeit. Sowohl sehr große als auch sehr kleine Teile können mit CNC präzise bearbeitet werden. Aufgrund der Form der meisten Schneidwerkzeuge haben die Innenecken immer einen Radius, aber die Außenflächen können scharfe Kanten haben und sehr dünn bearbeitet werden. Jedes 3D-Drucksystem bietet unterschiedliche Maßgenauigkeiten. Industriemaschinen können Teile mit sehr engen Toleranzen herstellen. Wenn enge Abstände erforderlich sind, können die kritischen Abmessungen bis zur Vergrößerung 3D-gedruckt und dann im Postprozessing bearbeitet werden. Die Mindestwandstärke eines 3D-Druckteils wird durch die Größe des Effektors begrenzt (abhängig vom Düsendurchmesser bei FDM oder der Größe des Laserspots bei SLS). Da die Teile einzeln hergestellt werden, sind Schichtlinien sichtbar, insbesondere auf gekrümmten Oberflächen. Die maximale Größe der Teile ist relativ gering, da der 3D-Druck in der Regel recht strenge Umweltkontrollen erfordert.
Materialvergleich: Metallverarbeitung versus Kunststoffdruck
Der 3D-Druck und die CNC-Bearbeitung können sowohl für Metalle als auch für Kunststoffe eingesetzt werden, obwohl beide Technologien diese Materialien nicht gleich gut verarbeiten können.
Die CNC-Bearbeitung wird hauptsächlich zur Herstellung von Metallteilen verwendet. Sie können das CNC-Verfahren auch zur Herstellung von Teilen aus Thermoplasten, Acryl, Kork und Hartholz, Modellierschäumen und Prozesswachsen einsetzen.
Welches sind die gängigsten CNC-Materialien?
- Kunststoffe: ABS, Nylon, Polycarbonat, PEEK
- Metall: Aluminium, rostfreier Stahl, Titan, Messing
Der 3D-Druck wird in erster Linie zur Herstellung von thermoplastischen und duroplastischen Teilen verwendet, aber auch Metallteile können mit einigen Techniken gedruckt werden. Einige 3D-Drucker können Teile aus Keramik, Wachs, Sand, Verbundwerkstoffen und zunehmend auch aus biologischen Materialien herstellen.
Auswahl von Materialien für den 3D-Druck
Es gibt eine breite Palette von Materialien mit einer großen Bandbreite an physikalischen Eigenschaften. Schwer zu bearbeitende Materialien (TPU und Superlegierungen) können in 3D gedruckt werden. Die mechanischen Eigenschaften können im Vergleich zu CNC-Teilen schlechter sein, da sie in der Regel nicht perfekt isotrop sind.
Beliebte Materialien für den 3D-Druck:
- Kunststoffe: Nylon, PLA, ABS, ULTEM, ASA, TPU
- Metalle: Aluminium, rostfreier Stahl, Titan, Inconel
Der beste Weg zur Herstellung komplexer Teile
Die Komplexität des Teils ist der wichtigste Faktor bei der Wahl zwischen 3D-Druck und CNC-Bearbeitung. Beide Technologien haben ihre konstruktiven Grenzen, obwohl die Anzahl der Geometrien, die eine CNC-Maschine herstellen kann, viel geringer ist. Bei der CNC-Bearbeitung gibt es einige wichtige konstruktive Einschränkungen, darunter Werkzeugkontakt und -abstand, Spannpunkte, wechselnde Werkstückvorrichtungen und die Unmöglichkeit, aufgrund der Werkzeuggeometrie rechtwinklige Ecken zu bearbeiten. Manche Geometrien lassen sich mit CNC nicht bearbeiten, weil das Werkzeug nicht alle Flächen des Werkstücks erreichen kann. Dies gilt auch für 5-Achsen-Systeme. Bei den meisten Geometrien muss der Bediener das Teil drehen, damit das Werkzeug verschiedene Seiten und Winkel erreichen kann. Das Umsetzen erfordert Ausrüstung und Arbeitszeit. All diese Faktoren wirken sich auf den Endpreis des Teils aus. Mit dem 3D-Druck können Teile hergestellt werden, die im Vergleich zur CNC-Technik nur wenige geometrische Einschränkungen aufweisen. Bei Verfahren wie FDM können Stützstrukturen erforderlich sein, aber die geringe zusätzliche Bearbeitung schränkt die enorme Designfreiheit und Komplexität, die der 3D-Druck bietet, nicht ein. Darüber hinaus lassen sich mit polymerbasierten Pulverbettschmelzverfahren wie SLS und MJF beliebige organische Geometrien ohne Stützstrukturen herstellen. Die Fähigkeit, sehr komplexe Geometrien mit relativer Leichtigkeit herzustellen, ist einer der Hauptvorteile des 3D-Drucks. CNC-Maschinen tragen Material Punkt für Punkt ab, obwohl selbst 5-Achsen-Systeme nicht immer in der Lage sind, bestimmte Oberflächen zu erreichen.
Arbeitsablauf für 3D-Druck und CNC-Bearbeitung
Die CNC-Fertigung ist oft ein arbeitsintensiver Prozess. Bei der CNC-Bearbeitung muss der Maschinenbediener zunächst über die Werkzeugauswahl, die Spindeldrehzahl, den Schnittweg und die mögliche Neupositionierung des Werkstücks entscheiden. Außerdem sollte er den Block manuell in der Maschine positionieren und dabei alle diese Faktoren berücksichtigen. Es ist auch notwendig zu wissen, ob das Teil nach der Bearbeitung fertig ist oder ob ein oder mehrere Nachbearbeitungsschritte erforderlich sind. All diese Faktoren wirken sich auf die Qualität des Bauteils und die Bauzeit aus. Für den 3D-Druck bereitet der Bediener zunächst die digitalen Dateien vor, wählt die Ausrichtung und fügt bei Bedarf Stützen hinzu. Die Dateien werden dann an die Maschine weitergeleitet, wo der Drucker die gesamte Bauarbeit mit wenig oder gar keinem menschlichen Eingriff erledigt hat. Nach dem Druck müssen die Teile gereinigt und nachbearbeitet werden. Diese letzten Schritte sind die arbeitsintensivsten Teile des Produktionsprozesses von 3D-Druckeinheiten. Die Kombination von CNC und 3D-Druck führt zu neuen Produktionsmethoden und ermöglicht eine noch präzisere Fertigung von Teilen als bisher.