CNC und 3D-Druck im Vergleich: Welches Verfahren ist am besten für die Herstellung Ihrer Teile geeignet?

Einführung

Die Entwicklung stärkerer 3D-Druckmaterialien hat Hersteller in allen Branchen dazu ermutigt, CNC und 3D-Druck miteinander zu vergleichen und Wege zu finden, funktionale Teile, die zuvor CNC-gefertigt wurden, in 3D zu drucken. Mit 3D-Druckverfahren können Hersteller viel Zeit und Geld einsparen und gleichzeitig die für eine industrielle Produktion erforderliche Qualität erzielen.

Hersteller, die sich für den Umstieg entscheiden, können 3D-Drucksoftware nutzen, um innerhalb eines Tages zu einem Bruchteil der Kosten einer herkömmlichen CNC-Bearbeitung Prototypen zu erstellen und Teile zu produzieren. Es gibt jedoch noch immer Schlüsselbereiche, in denen CNC die richtige Wahl für die Produktion von Teilen sein kann.

Bevor wir uns zwischen CNC und 3D-Druck entscheiden, werfen wir einen Blick auf ausschlaggebende technische und finanzielle Faktoren.

Lesen Sie unseren Leitfaden für Käufer von 3D-Druckern

Technische Überlegungen

Geometrie

Strukturgröße: Sowohl CNC- als auch 3D-Druckverfahren unterliegen Einschränkungen aufgrund der Werkzeuggröße. Bei CNC-Verfahren bestimmt der Werkzeugdurchmesser das kleinste negative Merkmal, das erzeugt werden kann. Beim 3D-Druck bestimmt hingegen der Düsendurchmesser das kleinste positive Merkmal, das hergestellt werden kann. Der Düsendurchmesser für 3D-Extrusionsdrucker liegt in der Regel zwischen 0,25 mm und 0,8 mm. Die kleinstmögliche Strukturgröße für diese Maschinen beträgt das Vierfache davon und liegt damit zwischen 1,0 mm und 3,2 mm.

Für weitere Details zur Mindestgröße von Strukturen für Druckverfahren mit Endlosfaserverstärkung haben wir einen Leitfaden zu Mindestgrößen von Fasermerkmalen erstellt.

Oberflächenverarbeitung: Mit den richtigen Werkzeugen sind CNC-Maschinen in der Lage, viel glattere Oberflächen zu erzeugen als 3D-Drucker. 3D-Drucker sind in der Lage, Teile mit guter Passform und Oberfläche zu produzieren, aber Teile, die eine außergewöhnliche Glätte zum Zusammenfügen mit anderen Präzisionskomponenten erfordern, kann eine CNC-Bearbeitung besser geeignet sein.

Toleranzen: Die besten 3D-Verbunddrucker können Maßtoleranzen von bis zu +/- 0,005" einhalten und besitzen in der Regel eine Oberfläche, die für Presspassungen geeignet ist. Merkmale mit engen Toleranzen auf 3D-gedruckten Teilen können nachbearbeitet werden. Abhängig von den anderen Merkmalen des Teils kann es jedoch einfacher sein, das ganze Teil konventionell zu fertigen. Ihre Ergebnisse können je nach Maschine, Material und Teilegeometrie variieren.

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Belastung: Nichttragende Teile sind in der Regel gut für den konventionellen 3D-Druck geeignet. Teile, die erheblichen physischen Belastungen standhalten müssen, können mit Endlosfaserverstärkung oder durch CNC-Bearbeitung hergestellt werden. Während der Druck mit Endlosfaserverstärkung die Festigkeit gegenüber anderen 3D-gedruckten Teilen erheblich verbessern kann, sind Verbundwerkstoffteile in zwei Achsen (X, Y) stärker als in der Z-Achse und weisen keine isotropen Eigenschaften wie Metallteile auf. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie sich dies auf das Design und die Ausrichtung von Teilen für den Druck auswirken könnte, lesen Sie diesen Artikel über isotrope Faserfüllungen, in dem diese Teile genauer untersucht werden.

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Umwelt

Sowohl der 3D-Druck als auch die CNC-Bearbeitung sind in der Lage, Teile aus Metallen und Polymeren herzustellen. Die Entscheidung hängt also davon ab, welches Verfahren für die Formung des von Ihnen benötigten Materials besser geeignet ist.

Temperatur: Sowohl der 3D-Druck als auch die CNC-Bearbeitung sind in der Lage, Teile aus Metallen und Polymeren herzustellen. Die Entscheidung hängt also davon ab, welches Verfahren für die Formung des von Ihnen benötigten Materials besser geeignet ist. Die Gebrauchstemperatur eines bestimmten Metalls ist in gewisser Weise von seiner Schmelztemperatur abhängig. „Ab etwa der Hälfte des Schmelzpunktes auf der absoluten Temperaturskala ermüden reine Metalle üblicherweise erheblich (Schmelzpunkt in Grad Fahrenheit plus 459).“ Legierungen können den Nutzbereich in der Regel nach oben verschieben – in manchen Fällen bis auf etwa 65 % der Schmelztemperatur.

Bei 3D-gedruckten Verbundwerkstoffen und Polymeren liegen die Grenzwerte der Gebrauchstemperatur niedriger als bei Metallen. Materialien von Markforged sollten in der Regel nicht für längere Zeit bei Temperaturen über 150 °C verwendet werden.

Feuchtigkeit: Einige Kunststoff-Filamente absorbieren Feuchtigkeit und können bei längerer Einwirkung von Feuchtigkeit oder Eintauchen in Flüssigkeiten an Festigkeit verlieren. Eine Beschichtung, z. B. mit Liquitex, kann erforderlich sein. Feuchtigkeit hat in der Regel keine Auswirkungen auf Aluminium, kann bei Stahl jedoch zu Rost führen.

Chemikalien: Wenn Ihr Teil mit Chemikalien in Berührung kommt, prüfen Sie die chemische Verträglichkeit Ihres Materials mit der Chemikalie. Auch wenn sich viele Metalle für die Verwendung mit einer Vielzahl von Chemikalien eignen, prüfen Sie vor der Verwendung eines neuen Materials oder einer neuen Umgebung die Verträglichkeit. Materialien von Markforged auf Nylonbasis sind chemisch beständig und werden von den meisten Petrochemikalien nicht angegriffen. Sie sind nicht für den Einsatz in stark sauren oder basischen Umgebungen geeignet.

Wirtschaftliche Überlegungen

Wann werden Teile benötigt?

Bearbeitung im Unternehmen: Wenn das Teil sofort benötigt wird, keine anderen Faktoren dem Verfahren entgegenstehen und Maschinen, Bediener, Material und Werkstückhalterungen zur Verfügung stehen, sollten Sie Ihr Teil im CNC-Verfahren bearbeiten. Wenn es dringendere Aufgaben gibt oder das Teil warten kann, erhalten Sie in der Regel mit dem 3D-Druck bereits am nächsten Tag Ihr Teil, während Bediener mehr Zeit für wichtigere Aufgaben haben.

Die CNC-Bearbeitung ist in der Regel in der Lage, Material viel schneller abzutragen als der 3D-Druck es aufbringen kann. Die Größe hat bei der Bearbeitung in der Regel keine so große Auswirkungen auf zeitliche Einschränkungen als die Menge des erforderlichen Materialabtrags. Wenn das Verhältnis von Teilevolumen zu Materialvolumen sehr niedrig ist (der Materialabtrag ist hoch), kann der 3D-Druck eine gute Alternative darstellen.

Beim 3D-Druck wirkt sich die Größe des Teils auf die Zeit aus. Größere Teile führen zu längere Druckzeiten. Wenn ein Teil in Ihre Handfläche passt, kann es in der Regel noch am selben Tag fertiggestellt werden. Bei kleineren Teilen kann der 3D-Druck oft schneller sein als die maschinelle Bearbeitung. Bei einer CNC-Maschine müssen Sie Zeit aufwenden, um das Material zu beschaffen, den G-Code zu schreiben, die Werkstückhalterung zu ermitteln, Werkzeuge einzurichten und danach aufzuräumen. Einige Teile können in der Zeit gedruckt werden, die erforderlich ist, um eine CNC-Maschine vorzubereiten.

Externe Bearbeitung: Die Beauftragung eines externen CNC-Bearbeitungsdienste für die konventionellen Fertigung von Komponenten dauert von der Prüfung der Teile über die Erstellung von Zeichnungen bis hin zur Angebotsabgabe und der Abstimmung mit dem Einkauf meist mehrere Tage. Zusammen mit dem Versand und der Vorlaufzeit des Fertigungsunternehmens kann dies ein langwieriger Prozess sein. In diesem Fall kann das Drucken ein geeignetes Mittel sein, um Passform und Oberfläche zu prüfen oder ein Teil am nächsten Tag fertigzustellen, während ein dauerhaftes Teil zerspant wird.

Wie viele Teile werden benötigt?

Werden die Kosten für die Bearbeitung von Kleinserien aufgeschlüsselt, entfällt der größte Teil der Kosten auf die Zeit, die für die Programmierung und das Einrichten erforderlich ist. Der tatsächliche Zeitaufwand für die Zerspanung ist im Allgemeinen recht kurz. Eine Steigerung des Produktionsvolumens wird in der Regel durch größere Aufspannungen erreicht, um mehr Teile unbeaufsichtigt zu zerspanen. Mit zunehmender Komplexität der Teile und der Anzahl der Merkmale können sich auch die Programmierzeit und die Anzahl der erforderlichen Einstellungen erhöhen. Allerdings sinken die Kosten für zusätzliche Einheiten recht schnell. Je nach Geometrie lassen sich die CNC-Stückkosten gut auf Hunderte oder gar Tausende von Einheiten pro Monat skalieren, da die Programmierung und Einrichtung wiederverwendet werden können.

Beim 3D-Druck erfolgt die Programmierung (Slicing) in wenigen Minuten und die Komplexität hat kaum Auswirkungen auf die Programmierzeit. Während die Kosten und der Aufwand für die erste Einheit gering sind, werden die Kosten pro Einheit durch das Volumen nicht wesentlich beeinflusst. Die Steigerung des Produktionsvolumens wird in der Regel durch die Inbetriebnahme weiterer Maschinen erreicht.

Wie hoch ist Ihr Budget für Ausrüstung und Personal?

CNC-Maschinen können unbeaufsichtigt laufen, wenn sie richtig eingerichtet sind, aber in der Regel sind ausgebildete Vollzeit-Bediener und Programmierer für den Erfolg entscheidend. Die Maschinen sind für die Besitzer nicht immer einfach zu warten und erfordern teure Wartungspläne.

3D-Drucker können problemlos unbeaufsichtigt betrieben werden, Bediener benötigen wenig Training und die Programmierung wird durch Software erleichtert. Die Maschinen sind in der Regel leicht zu warten und haben weitaus geringere Wartungskosten.

CNC-Maschinen und 3D-Drucker sind je nach Ausstattung und Qualität unterschiedlich teuer, in der Regel sind 3D-Drucker deutlich günstiger zu haben als eine CNC-Maschine.

Die Anschaffungs- und Betriebskosten der Additiven Fertigung sind niedrig, wodurch sie sich ideal für Anwendungen mit geringen Stückzahlen wie Prototyping und den Werkzeugbau eignet. Bei der Skalierung auf höhere Stückzahlen sind jedoch die subtraktive Fertigung und die Umformung kostengünstiger.

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Auf welche Seite der Debatte zwischen CNC und 3D-Druck sollten Sie sich schlagen?

In den seltensten Fällen können Verfahren eins zu eins ersetzt werden. Auch wird der 3D-Druck nicht alle Ihre Probleme in der Produktion über Nacht lösen. Wirtschaftliche Zwänge beschränken die kosteneffiziente Teilemenge für den 3D-Druck auf geringe Stückzahlen, während Material- und Prozessbeschränkungen den Anwendungsbereich einschränken können. Bei der CNC-Bearbeitung hingegen ergeben sich günstige Skaleneffekte, sobald die Stückzahlen etwas höher sind, in der Regel in der Größenordnung von Hunderten von Einheiten pro Monat.‍