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3D-Druck vs. CNC-Bearbeitung

Geschrieben von Alkaios Bournias Varotsis

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3D Printing vs. CNC machining

Einführung

CNC-Bearbeitung ist eine gängige subtraktive Fertigungs- Technologie. Im Gegensatz zum 3D-Druck beginnt der Prozess typischerweise mit einem massiven Materialblock (Rohling) und entfernt Material, um die gewünschte Endform zu erreichen, wobei eine Vielzahl scharfer, rotierender Werkzeuge oder Fräser verwendet wird.

CNC ist eine der beliebtesten Fertigungsmethoden sowohl für kleine Einzelaufträge als auch für mittlere bis große Produktionsvolumen. Sie bietet eine ausgezeichnete Wiederholbarkeit, hohe Genauigkeit und eine große Auswahl an Materialien und Oberflächenbeschaffenheiten.

Schematische Darstellung des CNC-Prozesses

Additive Fertigungs- (AM) oder 3D-Druck-Prozesse bauen Teile auf, indem Material schichtweise hinzugefügt wird. AM-Prozesse erfordern keine speziellen Werkzeuge oder Vorrichtungen, so dass die anfänglichen Einrichtungskosten auf ein Minimum reduziert werden.

In diesem Artikel stellen wir die wichtigsten technologischen Überlegungen vor, um Ihnen bei der Auswahl der richtigen Technologie für Ihre Anwendung zu helfen. Wir konzentrieren uns auf Funktionsteile und Prototypen aus Metall oder Kunststoff. Die für diesen Zweck am besten geeigneten 3D-Druckverfahren sind SLS oder FDM für Kunststoffe und SLM/DMLS oder Binder Jetting für Metalle.

Schematic of the 3D printing process

Auswahl der richtigen Technologie

Bei der Wahl zwischen CNC und Additiver Fertigung (AM) gibt es ein paar einfache Leittlinien, die auf den Entscheidungsprozess angewendet werden können.

Als Faustregel gilt, dass alle Teile, die mit begrenztem Aufwand durch ein subtraktives Verfahren hergestellt werden können, generell CNC-bearbeitet werden sollten. Der 3D-Druck ist in der Regel nur in den folgenden Fällen sinnvoll:

CNC bietet eine größere Maßhaltigkeit und produziert Teile mit besseren mechanischen Eigenschaften in allen 3 Dimensionen, aber dies ist in der Regel mit höheren Kosten verbunden, insbesondere bei kleinen Volumen.

Wenn höhere Teilmengen benötigt werden (Hunderte oder mehr), dann sind weder CNC noch AM eine kostengünstige Option. Traditionelle Formgebungstechnologien wie Feinguss oder Spritzguss sind aufgrund von Skaleneffekten im Allgemeinen die wirtschaftlichste Option (siehe Abbildung).

Die Gesamtzahl der erforderlichen Teile ist ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Auswahl einer Fertigungstechnologie
Referenztabelle empfohlene Verfahren
Anzahl der Teile <10 10…100 100…1000 1000
Kunststoff 3D-Druck 3D-Druck(erwägen: CNC) CNC(erwägen: Spritzgießen) Spritzgießen
Metall 3D-Druck und CNC und Guss; CNC(erwägen: 3D-Druck) CNC(erwägen: Feinguss) Feinguss oder Druckguss
*: stark abhängig von der Teilegeometrie

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Prozesseigenschaften

Maßhaltigkeit

Die CNC-Bearbeitung bietet enge Toleranzen und exzellente Wiederholgenauigkeit. Sehr große bis sehr kleine Teile können präzise CNC-bearbeitet werden. Aufgrund der Form des Schneidewerkzeugs haben Innenecken immer einen Radius, aber Außenflächen können scharfe Kanten haben und sehr dünn bearbeitet werden. Verschiedene 3D-Drucksysteme bieten unterschiedliche Maßhaltigkeiten. Industriemaschinen können Teile mit sehr guten Toleranzen produzieren. Wenn enge Abstände erforderlich sind, können die kritischen Maße in Übergröße in 3D ausgedruckt und dann in der Nachbearbeitung bearbeitet werden. Die Mindestwandstärke von 3D-Druckteilen wird durch die Größe des Endeffektors (z.B. auf den Düsendurchmesser bei FDM oder die Laserfleckgröße bei SLS) begrenzt. Da die Teile schichtweise hergestellt werden, können Schichtlinien sichtbar sein, insbesondere bei gekrümmten Oberflächen. Die maximale Teilegröße ist relativ klein, da die 3D-Druckverarbeitung oft eine enge Umgebungskontrolle erfordert.
Toleranz Min. Wanddicke Maximale Teilegröße
CNC ± 0,025 - 0,125 mm * 0,75 mm Fräsen: 2000 x 800 x 1000 mm Drehbank: Ø 500 mm
SLS ± 0,300 mm 0,7 - 1,0 mm 300 x 300 x 300 mm
FDM Industriell: ± 0,200 mm Desktop: ± 0,500 mm 0,8 - 1,0 mm Industriell: 900 x 600 x 900 mm Desktop: 200 x 200 x 200 mm
SLM/DMLS ± 0,100 mm 0,40 mm 230 x 150 x 150 mm
Binder Jetting ± 0,200 mm 2,0 mm 380 x 355 x 735 mm

* : Entsprechend dem festgelegten Toleranzniveau.

Materialien

CNC wird hauptsächlich für die Bearbeitung von Metallen verwendet. Es kann auch für die Bearbeitung von Thermoplasten, Acryl, Weich- und Harthölzern, Modellierschäumen und Bearbeitungswachs verwendet werden.

  • Hervorragende mechanische und thermische Eigenschaften mit vollständig isotropem Verhalten.
  • Dimensionale Einschränkungen aufgrund der Rohlingsgröße (die Verwendung einer nicht standardisierten Rohlingsgröße erhöht die Kosten).
Gängige CNC-Materialien
Kunststoffe ABS, Nylon, Polycarbonat, PEEK
Metalle Aluminium, Edelstahl, Titan, Messing

Der 3D-Druck wird vorwiegend bei Kunststoffen und in geringerem Maße bei Metallen eingesetzt. Einige Technologien können Teile aus Keramik, Wachs, Sand und Verbundwerkstoffen herstellen. 3D-Druckmaterialien sind ein komplexes Thema, das in speziellen Artikeln der Wissensdatenbank weiter diskutiert wird.

Gängige 3D-Druckmaterialien
Kunststoffe Nylon, PLA, ABS, ULTEM, ASA, TPU
Metalle Aluminium, Edelstahl, Titan, Inconel

Modell-Komplexität

Es gibt eine Reihe von Einschränkungen, die bei der Konstruktion von Teilen für die CNC-Bearbeitung berücksichtigt werden müssen, darunter der Zugang und die Abstände zwischen den Werkzeugen, Halte- oder Montagepunkte sowie die Unfähigkeit, quadratische Ecken aufgrund der Werkzeuggeometrie zu bearbeiten.

Einige Geometrien sind unmöglich für die CNC-Maschine (auch bei 5-Achsen-CNC-Systemen), da das Werkzeug nicht auf alle Oberflächen eines Bauteils zugreifen kann. Die meisten Geometrien erfordern die Drehung des Teils, um die verschiedenen Seiten zu erreichen. Eine Neupositionierung erhöht die Verarbeitungs- und Arbeitszeiten und es können kundenspezifische Vorrichtungen erforderlich sein, die sich auf den Endpreis auswirken.

Bei CNC wird das Material punktweise entfernt. Selbst 5-Achsen-CNC-Systeme können auf einige Oberflächen nicht zugreifen

Der 3D-Druck hat im Vergleich zu CNC nur sehr wenige geometrische Einschränkungen. Abstützungsstrukturen sind in den meisten Technologien, wie FDM oder SLM/DMLS, erforderlich und werden bei der Nachbearbeitung entfernt.

Plastische freie, organische Geometrien können mit polymerbasierten Pulverbettschmelzverfahren wie SLS oder Multi Jet Fusion (MJF) leicht hergestellt werden, da sie keine Abstützung benötigen. Die Fähigkeit, hochkomplexe Geometrien zu produzieren, ist eine der Hauptstärken des 3D-Drucks.

Fertigungs-Workflow

Im Folgenden erfahren Sie, was hinter den Kulissen passiert, wenn Sie einen CNC- oder 3D-Druckauftrag erteilen:

Bei CNC muss ein erfahrener Bediener oder Ingenieur zunächst die Werkzeugauswahl, die Spindeldrehzahl, den Schneidweg und die Neupositionierung des Teils berücksichtigen. All diese Faktoren haben einen großen Einfluss auf die Qualität des Endprodukts und die Bauzeit. Der Herstellungsprozess ist arbeitsintensiv, da das Schwarz manuell in der Maschine eingerichtet werden muss. Nach der Bearbeitung sind die Komponenten einsatzbereit bzw. nachbearbeitungsbereit.

Beim 3D-Druck bereitet der Maschinenbediener zunächst die digitale Datei vor (er wählt die Ausrichtung und fügt Abstützung hinzu) und schickt sie dann an die Maschine, wo sie mit wenig menschlichem Eingriff gedruckt wird. Wenn der Druckvorgang abgeschlossen ist, muss das Teil gereinigt und nachbearbeitet werden, was der arbeitsintensivste Aspekt des 3D-Druck-Herstellungsworkflows ist.

Nachbearbeitung

Sowohl bei CNC- als auch bei 3D-Druckteilen kann eine Reihe von Nachbearbeitungsmethoden angewendet werden, die die Funktionalität oder Ästhetik des Bauteils im Zustand der Fertigung verbessern. Die gebräuchlichsten Nachbearbeitungstechniken sind unten aufgeführt:

Nachbearbeitungsmethoden
CNC Kugelstrahlen, Eloxieren (Typ II oder Typ III), Pulverbeschichtung
3D-Druck Strahlen, Schleifen und Polieren, Mikro-Polieren, Metallbeschichtung

Fallstudie: Prototyp eines Kunststoffgehäuses

Kostengünstige Gehäuse-Prototypen, 3D-gedruckt per FDM

Beim Entwurf eines neuen elektronischen Geräts ist die Herstellung von Prototypen für das Gehäuse der Schlüssel zur Fertigstellung des Produkts vor der Massenfertigung. Um die Entwicklungszeit zu beschleunigen, sind kurze Vorlaufzeit und geringe Kosten die Hauptziele.

Elektronische Gehäuse haben oft Schnappverbindungen, Drehgelenk-Scharniere oder andere ineinandergreifende Verbindungen und Verbindungselemente. All diese Merkmale können entweder CNC-bearbeitet oder mit FDM oder SLS in 3D gedruckt werden.

Mit CNC und SLS können Prototypen von hoher Genauigkeit und ästhetischem Reiz erstellt werden, aber Desktop-FDM hat eine viel kürzere Vorlaufzeit und geringere Kosten. Da die mechanische Leistung nicht das Hauptziel dieses Projekts ist, sind die Vorteile von CNC und SLS in der Regel die zusätzlichen Kosten und den Zeitaufwand nicht wert.

CNC Desktop FDM SLS
Kosten $$$ $ $$$
Gängige Materialien ABS, Nylon PLA, ABS, Nylon Nylon
Laufzeit 1 - 2 Wochen 1 - 3 Tage weniger als eine Woche
Genauigkeit ± 0,125 mm ± 0,500 mm ± 0,300 mm

Fallstudie: Herstellung von Metallbügeln und Komponenten

Metallkomponenten mit einfacher Geometrie, die mit CNC-Bearbeitung hergestellt und pulverbeschichtet wurden

Metallbügel und andere mechanische Komponenten können hohe Belastungen aufnehmen und bei erhöhten Temperaturen arbeiten. In diesem Fall sind Dimensionsgenauigkeit und gute Materialeigenschaften die Hauptziele.

Wenn die Modellgeometrie einfach ist (wie die Komponenten des obigen Bildes), dann ist CNC die beste Option, was Genauigkeit, mechanische Eigenschaften und Kosten betrifft.

Wenn die geometrische Komplexität zunimmt oder wenn exotischere Materialien benötigt werden, muss der 3D-Druck aus Metall in Betracht gezogen werden. Auf Gewicht und Festigkeit optimierte Komponenten (wie die Klammern im Bild unten) haben organische Strukturen, die sehr schwierig und kostspielig zu bearbeiten sind.

CNC und 3D-Drucken von Metall kombinierbar zur Herstellung von Teilen mit sowohl organischer Form als auch sehr engen Toleranzen an den kritischen Stellen.

CNC SLM/DMLS Binder Jetting
Kosten $$$ $$$$ $$$
Gängige Materialien Aluminium Edelstahl Messing Edelstahl Aluminium Titan Inconel Kobalt-Chrom Edelstahl Inconel Kobalt-Chrom Wolframkarbid
Genauigkeit ± 0,025 mm ± 0,100 mm ± 0,200 mm
Mechanische Eigenschaften Sehr gut Sehr gut Gut
Halterungen aus Titan, per SLM hergestellt. Mit freundlicher Genehmigung von: Formula Student Team TU Delft

Faustregeln

Die Auswahl der richtigen Technologie für Ihre Anwendung ist von entscheidender Bedeutung und lässt sich auf die folgenden Faustregeln zurückführen:

Modellkomplexität und Anzahl der Teile sind wichtige Faktoren bei der Auswahl des richtigen Herstellungsverfahrens

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