Der 3D-Druck breitet sich rasant aus und bietet zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Fertigungsmethoden. Dennoch weist es auch bestimmte Probleme auf, wie etwa Einschränkungen bei Geschwindigkeit und Zugänglichkeit, und ist für die Massenproduktion nicht realisierbar.
Ein alternativer Herstellungsansatz für niedrige bis mittlere Produktion ist CNC-Bearbeitung (Computer Numerische Steuerung), eine subtraktive Fertigungsmethode, die üblicherweise zur Teileherstellung verwendet wird. In diesem Zusammenhang haben wir versucht, die Stärken und Grenzen der einzelnen Techniken zu vergleichen, um ihre geeigneten Anwendungsbereiche zu bestimmen.
3D Printing
Definition
Beim 3D-Druck, auch Additive Fertigung genannt, werden dreidimensionale Objekte aus einem digitalen Modell erstellt, indem Material Schicht für Schicht hinzugefügt wird, bis die gewünschte Form erreicht ist. Das digitale Modell wird zunächst mittels computergestütztem Design erstellt (CAD)-Software und dann an den 3D-Drucker gesendet, der verschiedene Materialien wie Kunststoffe, Metalle oder Keramik verwendet, um das physische Objekt zu erstellen. Der 3D-Druck ermöglicht die Erstellung komplexer Formen und Geometrien, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nur schwer oder gar nicht herzustellen wären.
So funktioniert's
Beim 3D-Druck wird ein Objekt Schicht für Schicht aus einem digitalen Modell aufgebaut. Hier sind die Schritte:
Erstellen Sie ein digitales Modell
Der erste Schritt besteht darin, ein digitales 3D-Modell des zu druckenden Objekts zu erstellen. Dies kann mithilfe einer CAD-Software (Computer Aided Design) oder durch Herunterladen eines Modells aus einer Online-Bibliothek erfolgen.
Bereiten Sie die Datei zum Drucken vor
Das digitale Modell wird dann in eine spezielle Software exportiert, die das Modell in Schichten schneidet und den Code (G-Code) generiert, den der 3D-Drucker zum Drucken des Objekts verwendet.
Richten Sie den Drucker ein
Der Drucker wird mit dem entsprechenden Material eingerichtet und die Bauplattform nivelliert, um sicherzustellen, dass die erste Schicht richtig haftet.
Druck
Der Drucker beginnt, das Objekt Schicht für Schicht zu drucken, wobei er verschiedene Materialien wie Kunststoffe, Metalle oder Keramik verwendet. Der Drucker folgt den Anweisungen im G-Code, um das Material an der richtigen Stelle abzulegen und so das Objekt aufzubauen.
Nachbearbeitung
Sobald das Objekt gedruckt ist, ist möglicherweise eine Nachbearbeitung erforderlich, z. B. das Entfernen von Stützstrukturen, Schleifen oder Polieren sowie Lackieren oder Beschichten, um das gewünschte Finish zu erzielen.
Vorteile des 3D-Drucks
Anpassung
Der 3D-Druck ermöglicht die Erstellung hochgradig individueller Produkte, die auf spezifische Anforderungen und Vorlieben zugeschnitten sind.
Komplexität
Der 3D-Druck ermöglicht die Herstellung hochkomplexer Formen und Geometrien, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nur schwer oder gar nicht herstellbar wären.
Kosteneffizient
Der 3D-Druck macht teure Werkzeuge, Formen und Montagelinien überflüssig und reduziert Produktionskosten und Durchlaufzeiten.
Abfallreduzierung
Beim 3D-Druck entsteht kaum oder gar kein Abfallmaterial, was ihn zu einem nachhaltigeren Herstellungs- und Produktionsprozess macht.
Schnelligkeit
Der 3D-Druck ermöglicht ein schnelles Prototyping und eine schnelle Produktion und verkürzt so die Zeit, die für die Markteinführung eines Produkts benötigt wird.
Nachteile des 3D-Drucks
Begrenzte Materialien
Beim 3D-Druck stehen derzeit im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsmethoden nur begrenzte Materialoptionen zur Verfügung, was die Eigenschaften des Endprodukts einschränken kann.
Oberflächengüte
Die Oberflächenbeschaffenheit von 3D-gedruckten Objekten ist häufig nicht so glatt wie die von herkömmlich hergestellten Teilen und erfordert möglicherweise eine Nachbearbeitung, um die gewünschte Oberfläche zu erzielen.
Begrenzter Umfang
Der 3D-Druck eignet sich aufgrund seiner langsamen Geschwindigkeit und des begrenzten Bauvolumens nicht für die Massenproduktion.
Begrenzte Stärke
3D-gedruckte Teile haben möglicherweise nicht die gleiche Festigkeit oder Haltbarkeit wie herkömmlich hergestellte Teile, insbesondere bei lasttragenden oder hochbeanspruchten Anwendungen.
PRÄZISION und Entschlossenheit
Die Präzision des 3D-Drucks ist im Vergleich zu anderen Bearbeitungsverfahren relativ gering. Die übliche Toleranz beim 3D-Druck beträgt etwa 0.2 mm oder weniger. Abhängig von der Technologie haben die meisten 3D-Drucke auch eine begrenzte Auflösung und einige feine Details der Teile können nicht gut gedruckt werden. Beispielsweise können Schraubengewinde, die kleiner als M3 sind, beim SLA-3D-Druck nicht gut hergestellt werden.
CNC-VERARBEITUNG
Definition
Bei der CNC-Bearbeitung (Computer Numerical Control) handelt es sich um einen Herstellungsprozess, bei dem computergesteuerte Maschinen verwendet werden, um Material von einem Werkstück zu entfernen und so ein endgültiges Teil oder Produkt herzustellen. Dabei werden computergesteuerte Schneidwerkzeuge verwendet, die Material von einem Materialblock oder einer Materialplatte entfernen, um die gewünschte Form und Größe des Endprodukts zu erzeugen. CNC-Maschinen sind in der Lage, hochpräzise und komplexe Teile mit engen Toleranzen herzustellen, was sie ideal für eine Vielzahl von Anwendungen in Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobil und Medizin macht.
So funktioniert's
Hier sind die allgemeinen Schritte, wie die CNC-Bearbeitung funktioniert:
Erstellen Sie ein 3D-Modell
Der erste Schritt besteht darin, mithilfe einer CAD-Software (Computer Aided Design) ein 3D-Modell des Teils oder Produkts zu erstellen.
Erstellen Sie einen Werkzeugweg und ein Nc-Programm
Der Betriebsingenieur muss im Detail entscheiden, wie die Teile hergestellt werden sollen, z. B. welches Werkzeug verwendet werden soll, Werkzeugweg, Arbeitsablauf, Lagermaterialgröße usw. Diese Informationen werden in CAM (Computer Aided Manufacturing) zusammengestellt. Software. Anschließend wird entsprechend ein NC-Programm erstellt. Das NC-Programm wird dann an die CNC-Maschine gesendet. Im Grunde teilt das Programm der Maschine mit, welches Werkzeug zu welcher Zeit und mit welcher Geschwindigkeit wohin fährt.
Laden Sie das Rohmaterial
Das Rohmaterial wird in die CNC-Fräsmaschine geladen, die mithilfe von Schneidwerkzeugen in die gewünschte Form gebracht wird.
Richten Sie die Maschine ein
Die Maschine wird mit den entsprechenden, vom NC-Programm vorgegebenen Schneidwerkzeugen eingerichtet. Jetzt ist die CNC-Maschine einsatzbereit.
Starten Sie die Maschine
Die Maschine wird gestartet und die Schneidwerkzeuge bewegen sich entlang der programmierten Bahn und entfernen Material aus dem Rohmaterial, um das endgültige Teil zu erstellen.
Überprüfen Sie die Qualität
Sobald das Teil fertig ist, wird es auf Qualität und Genauigkeit überprüft. Eventuell notwendige Anpassungen an der Maschine oder am Programm werden vorgenommen, um sicherzustellen, dass nachfolgende Teile korrekt produziert werden.
NACHBEARBEITUNG
Anschließend werden bei Bedarf Nachbearbeitungen wie Oberflächenbehandlung, Schleifen oder Schmirgeln durchgeführt.
Vorteile der CNC-Zerspanung
Präzision
Die CNC-Bearbeitung ist hochpräzise und kann Teile mit sehr engen Toleranzen herstellen, was sie ideal für Anwendungen macht, die Präzision und Konsistenz erfordern.
Materialflexibilität
Die CNC-Bearbeitung kann mit einer Vielzahl von Materialien, einschließlich Metallen, Kunststoffen und Verbundwerkstoffen, arbeiten und ermöglicht so ein breites Anwendungsspektrum.
Hohe Festigkeit
CNC-bearbeitete Teile sind oft stärker und langlebiger als 3D-gedruckte Teile und eignen sich daher für tragende und hochbeanspruchte Anwendungen.
Massenproduktion
Die CNC-Bearbeitung kann für große Produktionsläufe eingesetzt werden und ist somit eine effiziente Methode für die Massenproduktion.
Automation
Die CNC-Bearbeitung kann vollständig automatisiert werden, wodurch die Arbeitskosten gesenkt und die Produktivität gesteigert werden.
Nachteile der CNC-Bearbeitung
hohe Einrichtungskosten
Die CNC-Bearbeitung kann aufgrund der Kosten für Werkzeug, Einrichtung und Arbeitskosten für die NC-Programmierung teuer sein, insbesondere bei kleinen Produktionsläufen oder Einzelstücken.
Designbeschränkungen
Bei der CNC-Bearbeitung gibt es bestimmte Designeinschränkungen, beispielsweise die Unfähigkeit, bestimmte komplexe Formen und Geometrien herzustellen. Zum Beispiel zu dünne Wände, zu schmale Schlitze, zu kleine Löcher, zu lange Löcher oder scharfe Ecken – all diese Merkmale lassen sich nur schwer durch CNC-Bearbeitung herstellen und erfordern ergänzende andere Prozesse.
Zeitaufwendig
Die CNC-Bearbeitung kann insbesondere bei komplexen Teilen ein zeitaufwändiger Prozess sein, der die Produktionsvorlaufzeiten verlängern kann.
Materielle Verschwendung
Bei der CNC-Bearbeitung entsteht Abfallmaterial, was die Produktionskosten erhöhen und Auswirkungen auf die Umwelt haben kann.
Wartung
CNC-Maschinen müssen regelmäßig gewartet und kalibriert werden, um Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten, was die Gesamtproduktionskosten erhöhen kann.
3D-Druck vs. CNC-Bearbeitung
Fertigungsabläufe
Die CNC-Fertigung ist ein arbeitsintensiver Prozess, bei dem der Maschinenbediener mehrere Entscheidungen treffen muss, darunter Werkzeugauswahl, Spindelgeschwindigkeit, Schnittweg und mögliche Neupositionierung des Teils. Der Bediener muss den Block unter Berücksichtigung all dieser Faktoren manuell in der Maschine einrichten und feststellen, ob für das Bauteil Nachbearbeitungsschritte erforderlich sind. Alle diese Überlegungen wirken sich auf die Qualität und Bauzeit der Komponente aus.
Andererseits erfordert der 3D-Druck weniger menschliches Eingreifen. Der Bediener bereitet die digitale Datei vor, wählt die Ausrichtung und fügt bei Bedarf Unterstützung hinzu. Sobald die Datei fertig ist, erstellt der Drucker das Teil mit wenig menschlichem Eingriff. Allerdings ist eine Nachbearbeitung erforderlich, die arbeitsintensiv sein kann und Reinigungs- und zusätzliche Bearbeitungsschritte erfordert. Diese letzten Schritte sind die zeitaufwändigsten und arbeitsintensivsten Teile des 3D-Druck-Fertigungsworkflows.
Materialien
Die in der CNC-Bearbeitung am häufigsten verwendeten Kunststoffe sind ABS, Nylon (PA66), Polycarbonat (PC), Acryl (PMMA), Polypropylen (PP), POM und PEEK. Mittlerweile ist Aluminium ein häufig verwendetes Metall in der CNC-Bearbeitung, insbesondere im Prototyping. Es kann hochwertige Prototypen für verschiedene Branchen herstellen und zeichnet sich durch Recyclingfähigkeit, hervorragende Schutzeigenschaften und Effizienz bei der Bearbeitung aus. Andere Metalle, die üblicherweise bei der CNC-Bearbeitung verwendet werden, sind: Edelstahl, Magnesiumlegierung, Zinklegierung, Titan und Messing.
Thermoplaste, die im 3D-Druck häufig verwendet werden, sind ABS, PLA, Nylon, ULTEM und Fotopolymere wie Wachs, kalzinierbare und biokompatible Harze. Es gibt auch einige spezialisierte 3D-Drucker, die Teile aus Sand, Keramik oder lebenden Materialien drucken können. Zu den im 3D-Druck am häufigsten verwendeten Metallen gehören Aluminium, Edelstahl, Titan und Inconel. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass für den 3D-Druck von Metallen teure Industriemaschinen erforderlich sind, die über 100,000 US-Dollar kosten. Einige Materialien wie Superlegierungen oder TPU (flexibles Material) können nicht mit CNC hergestellt werden und müssen mit 3D-Druck oder Rapid-Tooling-Technologie verwendet werden.
Kosten
Die Kosten für den 3D-Druck hängen von Faktoren wie der Größe und Komplexität des Designs, dem verwendeten Material und der Drucktechnologie ab. Der 3D-Druck ist für die Kleinserienproduktion und Prototypenerstellung in der Regel kostengünstiger, da keine teuren Werkzeuge oder Einrichtungsgebühren anfallen. Allerdings können die Kosten pro Einheit bei größeren Mengen aufgrund der Materialkosten und der für den Druck erforderlichen Zeit teurer sein als bei der CNC-Bearbeitung.
Die CNC-Bearbeitung hingegen erfordert höhere Vorlaufkosten für Werkzeuge und Einrichtung, wird aber mit zunehmender Teilemenge kosteneffektiver. Die Kosten pro Einheit sinken, wenn mehr Teile hergestellt werden, da die für die Bearbeitung jedes Teils erforderliche Zeit kürzer wird. Die CNC-Bearbeitung eignet sich auch besser für die Herstellung von Teilen aus teureren Materialien wie Metallen und Verbundwerkstoffen, bei denen die Kosten pro Einheit für den 3D-Druck möglicherweise unerschwinglich sind.
Umweltfreundlich
Bei der CNC-Technik wird Material von einem Originalblock abgeschnitten, wodurch Materialreste übrig bleiben, die gereinigt und entsorgt werden müssen, was beim 3D-Druck nicht erforderlich ist. Beim additiven Fertigungsverfahren wird ein Objekt auf der Bauplattform mithilfe von Material geformt, das der Maschine zugeführt wird, was zu weniger ungenutztem Abfall und Schmutz führt, mit Ausnahme von Stützen (sofern verwendet). Daher gilt der 3D-Druck als die ethischere Methode, da er weniger Abfall erzeugt.
Schlussfolgerung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass 3D-Druck und CNC-Bearbeitung zwei verschiedene Fertigungstechnologien mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen sind. Die CNC-Bearbeitung eignet sich ideal für die Herstellung großer Stückzahlen komplexer Teile mit engen Toleranzen, während sich der 3D-Druck am besten für die schnelle und kostengünstige Herstellung kleiner Stückzahlen kundenspezifischer Teile eignet. Während mit der CNC-Bearbeitung Teile aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden können, ist der 3D-Druck in der Lage, Teile sowohl aus traditionellen als auch aus exotischen Materialien wie lebendem Gewebe oder Keramik herzustellen. Darüber hinaus verursacht der 3D-Druck weniger Abfall und Schmutz, was ihn zu einer ethischeren Wahl macht. Letztendlich hängt die Wahl zwischen diesen Technologien von der konkreten Anwendung, dem benötigten Volumen und den gewünschten Materialeigenschaften der herzustellenden Teile ab.