Dzięki niedawnym postępom w zakresie możliwości drukowania 3D producentom coraz łatwiej jest wykorzystywać wytwarzanie przyrostowe do tworzenia części z różnych materiałów, w tym polimerów, takich jak ABS, TPE i PLA, a także kompozytów z włókna węglowego, nylonu i poliwęglanu. Nawet drogie metale, takie jak tytan, stal nierdzewna i Inconel, stają się coraz bardziej powszechne w produkcji addytywnej. Nie ma wątpliwości, że w nadchodzących latach ta przestrzeń będzie nadal się powiększać i rosnąć, ale czy spowoduje to, że subtraktywne metody produkcji, takie jak obróbka CNC, staną się przestarzałe? Absolutnie nie. W przypadku obróbki CNC mowa tutaj o tym, że może być ona ważniejsza dla wytwarzania przyrostowego, niż myślisz, ponieważ nowy proces zwany „produkcją hybrydową” szybko zyskuje popularność w branży. Dlaczego tak ważne jest dopilnowanie procesu wytwórczego? Czy CNC ma zastosowanie w strukturach wewnątrz elementów nieosiągalnych? Czy sam proces wymaga specjalistycznych umiejętności? O tym wszystkim piszemy poniżej!
Produkcja addytywna a produkcja subtraktywna
Obróbka hybrydowa coraz częściej zastępuję obróbkę skrawaniem. Przed wdrożeniem podejścia do produkcji hybrydowej ważne jest, aby zrozumieć zalety i wady każdego podejścia. Poniżej znajduje się krótki przegląd tego, w jakich przypadkach technologie przyrostowe mają zastosowanie, jak przebiega proces wytwarzania części oraz jakie zalety i wady ma produkcja addytywna i subtraktywna.
Produkcja addytywna – zalety
- Dodaje warstwy materiału w celu utworzenia części
- Lepsza dla mniejszych części
- Wolniejszy proces, lepszy dla małych serii produkcyjnych
- Chropowate wykończenie powierzchni, które wymaga znacznego wykończenia pooperacyjnego
- Mniej precyzyjne tolerancje części
- Tańsze koszty materiałów
- Mniej odpadów materiałowych
- Skomplikowane szczegóły są łatwiejsze do stworzenia
Produkcja subtraktywna – zalety
- Usuwa warstwy materiału w celu utworzenia części
- Szybszy proces, lepszy w przypadku dużych serii produkcyjnych
- Lepsza dla większych części
- Bardziej określone wykończenie powierzchni przy minimalnej wymaganej obróbce pooperacyjnej
- Jest w stanie utrzymać bardzo precyzyjne tolerancje części
- Droższe koszty materiałów
- Więcej odpadów materiałowych
- Skomplikowane szczegóły mogą wymagać skomplikowanych programów i dodatkowych możliwości (5 osi)
Wykorzystanie obróbki CNC do tworzenia precyzyjnych części drukowanych w 3D
Widać, że jedną z głównych różnic między wytwarzaniem addytywnym a subtraktywnym jest wykończenie powierzchni i tolerancje, które można osiągnąć każdą metodą. W tym przypadku hybrydowe podejście do wytwarzania przyrostowego może być bardzo korzystne. Gdy części schodzą z drukarki, można je szybko przenieść do maszyny CNC za pomocą programu przeznaczonego do uzupełniania części. Maszyny CNC będą w stanie produkować drukowane w 3D części, które spełniają wąskie tolerancje wymagane w wielu gałęziach przemysłu i osiągają pożądane wykończenie powierzchni. Zaawansowane narzędzia wykańczające i narzędzia stożkowe o dużym zasięgu, takie jak narzędzia Harveya, umożliwiają łatwą obróbkę wąskich geometrii części drukowanych w 3D, podczas gdy bardzo ostre narzędzia z powłoką diamentową i narzędzia do materiałów specyficznych dla tworzyw sztucznych i kompozytów mogą tworzyć estetyczne, tolerancyjne i gotowe części niezależnie od materiału. Narzędzia o dużym zasięgu ułatwiają obróbkę skomplikowanych detali na trudno dostępnych częściach drukowanych w 3D. Projektując ten przepływ pracy w swoim warsztacie, możesz poświęcić mniej czasu na martwienie się o dokładność drukowanych części, dodać operacje odejmowania, aby obniżyć koszty materiałów, zmniejszyć ilość odpadów i utrzymać części w wąskich tolerancjach, aby zapewnić doskonałość obróbki precyzyjnej.
Wykorzystanie druku 3D do zwiększenia wydajności obróbki CNC
Czy maszyna CNC nie może stworzyć wszystkiego, co potrafi drukarka 3D w krótszym czasie? Stosując obie metody i podejście hybrydowe, można obniżyć koszty produkcji i materiałów. Na przykład, większość części można obrabiać przy użyciu typowych maszyn subtraktywnych, podczas gdy stosowanie metod addytywnych może zająć dużo czasu. Następnie możesz zwrócić część za pomocą drukarki 3D, aby dodać złożone funkcje do elementu, które wymagałaby złożonego programowania i godzin planowania na maszynie subtraktywnej. Typowym przykładem jest wirnik, w przypadku którego większość części można poddać obróbce, ale złożone żebra i łopatki można wydrukować na części, a następnie wykończyć na maszynie CNC. Zdolność maszyn addytywnych do prawdziwego „dodawania” części może również stanowić mniej kosztowne podejście do projektowania. Zamiast obrabiać całą część z drogich materiałów, takich jak Inconel czy Tytan, kawałki, które nie wymagają ekstremalnej odporności na ciepło, można wycinać z tańszych stali, a części żaroodporne z drogich materiałów można dodawać później metodami addytywnymi.
Hybrydowe maszyny produkcyjne
Ponieważ hybrydowe metody pracy stają się coraz bardziej popularne, nowe maszyny produkcyjne stają się coraz bardziej rozchwytywane. Są to sprzęty typu „wszystko w jednym”, które mogą wykonywać produkcję addytywną i subtraktywną w jednej konfiguracji. Wiele z tych maszyn oferuje druk 3D metalu i obróbkę wieloosiową do pracy z nawet najbardziej skomplikowanymi częściami. Ponieważ technologia produkcji i projektowania staje się „inteligentniejsza” dzięki programom CAM/CAD oferującym projektowanie generatywne i sztuczną inteligencję, te hybrydowe maszyny mogą stać się nowym standardem dla wysokiej klasy warsztatów mechanicznych pracujących w zaawansowanych branżach produkcyjnych, takich jak lotnictwo, medycyna, obrona i rynki formy, narzędzia i matryce.
Ile części produkujesz? Wybór między drukiem 3D a obróbką CNC
Liczba części, które planujesz wyprodukować, będzie odgrywać dużą rolę w ostatecznej decyzji między drukowaniem 3D a obróbką CNC. Poniżej dzielimy to na liczbę części, materiał i geometrię. Oprócz naszych głównych zaleceń uwzględniamy również opcje alternatywne: 3D, czy CNC – w zależności od ilości części.
- Liczba części dla materiałów plastikowych
1-10 – zastosuj 3d
10-100 – zastosuj druk 3d
100-1000 – zastosuj obróbkę CNC
1000+ – formowanie wtryskowe
- Liczba części dla materiałów metalowych
1-10 – zastosuj drukarkę 3d
10-100 – zastosuj drukarkę 3d (chociaż można rozważyć CNC)
100-1000 – zastosuj obróbkę CNC
1000+ – zastosuj obróbkę CNC lub odlewanie
Czy druk 3D lub obróbka CNC zapewniają lepszą dokładność wymiarową?
Obróbka CNC zapewnia wąskie tolerancje i doskonałą powtarzalność. Zarówno bardzo duże, jak i bardzo małe części mogą być precyzyjnie obrabiane przez CNC. Ze względu na kształt większości narzędzi skrawających, narożniki wewnętrzne zawsze mają promień, ale powierzchnie zewnętrzne mogą mieć ostre krawędzie i mogą być obrabiane bardzo cienko. Każdy system druku 3D oferuje różne dokładności wymiarowe. Maszyny przemysłowe mogą wytwarzać części o bardzo małych tolerancjach. Jeśli wymagane są ciasne prześwity, wymiary krytyczne można wydrukować w 3D w powiększeniu, a następnie poddać obróbce w obróbce końcowej. Minimalna grubość ścianki drukowanej części 3D jest ograniczona wielkością efektora (w zależności od średnicy dyszy w FDM lub wielkości plamki lasera w SLS). Ponieważ części są produkowane pojedynczo, linie warstw są widoczne, zwłaszcza na zakrzywionych powierzchniach. Maksymalny rozmiar elementów jest stosunkowo mały, ponieważ drukowanie 3D zwykle wymaga dość surowych kontroli środowiskowych.
Porównanie materiałów: produkcja metali a drukowanie tworzyw sztucznych
Druk 3D i obróbka CNC działają zarówno na metalach, jak i tworzywach sztucznych, chociaż żadna technologia nie radzi sobie z tymi materiałami w równym stopniu. Obróbka CNC stosowana jest głównie do produkcji części metalowych. Można również użyć procesu CNC do produkcji części z tworzyw termoplastycznych, akryli, korka i twardego drewna, pianek modelarskich i wosków procesowych.
Jakie są najpopularniejsze materiały CNC?
Tworzywa sztuczne: ABS, nylon, poliwęglan, PEEK
Metal: aluminium, stal nierdzewna, tytan, mosiądz
Druk 3D jest używany przede wszystkim do wytwarzania części termoplastycznych i termoutwardzalnych, ale części metalowe można również drukować przy użyciu niektórych technik. Niektóre drukarki 3D mogą wytwarzać części z ceramiki, wosku, piasku, kompozytów i coraz częściej materiałów biologicznych.
Wybór materiałów do druku 3D
Istnieje szeroka gama materiałów o istotnym zakresie właściwości fizycznych. Materiały trudne w obróbce (TPU i superstopy) można drukować w 3D. Właściwości mechaniczne mogą być gorsze w porównaniu z częściami CNC, ponieważ zwykle nie są one idealnie izotropowe.
Popularne materiały do drukowania 3D:
Plastik: Nylon, PLA, ABS, ULTEM, ASA, TPU
Metale: aluminium, stal nierdzewna, tytan, inconel
Najlepszy sposób produkcji skomplikowanych części
Złożoność części jest głównym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy wyborze między drukowaniem 3D, a obróbką CNC. Obie technologie mają swoje ograniczenia projektowe, chociaż liczba geometrii, które może wytworzyć maszyna CNC, jest znacznie mniejsza. Obróbka CNC ma kilka kluczowych ograniczeń konstrukcyjnych, w tym kontakt i luz narzędzia, punkty mocowania, zmiana mocowania obrabianego detalu oraz niemożność obróbki narożników kwadratowych z powodu geometrii narzędzia. Niektóre geometrie są po prostu niemożliwe do obróbki CNC, ponieważ narzędzie nie ma dostępu do wszystkich powierzchni części. Dotyczy to również systemów 5-osiowych. Większość geometrii wymaga od operatora obracania części, aby narzędzie mogło uzyskać dostęp do różnych boków i kątów. Zmiana położenia wymaga sprzętu i czasu pracy. Wszystkie te czynniki składają się na ostateczną cenę części. Druk 3D może wytwarzać części z bardzo niewielkimi ograniczeniami geometrycznymi w porównaniu z CNC. W przypadku procesów takich jak FDM mogą być wymagane konstrukcje wsporcze, ale niewielka dodatkowa obróbka nie ogranicza ogromnej swobody projektowania i złożoności, jakie zapewnia druk 3D. Ponadto procesy stapiania w złożu proszkowym na bazie polimerów, takie jak SLS i MJF, mogą wytwarzać dowolne geometrie organiczne bez struktur wsporczych. Możliwość stosunkowo łatwego wytwarzania bardzo złożonych geometrii jest jedną z głównych zalet druku 3D. Maszyny CNC usuwają materiał punkt po punkcie, chociaż nawet systemy 5-osiowe mogą nie zawsze być w stanie dotrzeć do niektórych powierzchni.
Przepływ pracy drukowania 3D i obróbki CNC
Produkcja CNC jest często pracochłonnym procesem. W przypadku CNC operator maszyny musi najpierw zdecydować o wyborze narzędzia, prędkości wrzeciona, ścieżce cięcia i ewentualnej zmianie położenia części. Powinien również ręcznie ustawić blok w maszynie, pamiętając o wszystkich tych czynnikach. Konieczna jest także wiedza, czy część jest gotowa po obróbce lub czy wymagany jest jeden lub więcej etapów obróbki końcowej. Wszystkie te czynniki wpływają na jakość komponentu i czas jego budowy. Do druku 3D operator najpierw przygotuje pliki cyfrowe, wybierze orientację i w razie potrzeby doda podpory. Pliki trafiają następnie do maszyny, gdzie drukarka wykonywała wszystkie prace budowlane przy niewielkiej lub żadnej interwencji człowieka. Po wydrukowaniu części należy oczyścić i poddać obróbce końcowej. Te ostatnie kroki są najbardziej pracochłonnymi częściami procesu produkcji jednostkowej druku 3D. Połączenie CNC i druku 3 doprowadza do stworzenia nowych metod produkcji i pozwala wytwarzać części jeszcze dokładniej, niż dotychczas.