3D-Druck oder CNC-Bearbeitung: Was ist das Beste für das Prototyping?

Der 3D-Druck ist eine schnell wachsende Technologie mit vielen Vorteilen gegenüber herkömmlichen Herstellungsverfahren und es gibt demnach viele Gründe, warum man sich für den 3D-Druck entscheiden kann. Es hat jedoch auch seine Probleme, einschließlich der Tatsche, dass der 3D-Druck noch nicht effektive für die Massenproduktion eingesetzt werden kann und in Bezug auf Geschwindigkeit und Zugänglichkeit eingeschränkt ist. Eine weitere Fertigungstechnologie für die Low-to-Mid-Produktion ist die CNC-Bearbeitung (computergestützte numerische Steuerung), eine recht verbreitete, subtraktive Technik zur Herstellung. Wir haben uns entschieden, die Vor- und Nachteile für jede Methode zu vergleiche, um festzustellen, wo welche Technologie am besten geeignet ist.

Subtraktive vs. Additive Fertigung

Der Hauptunterschied zwischen 3D-Druck und CNC-Bearbeitung besteht darin, dass der 3D-Druck eine Form der additiven Fertigung ist, während die CNC-Bearbeitung subtraktiv ist. Das bedeutet, dass die CNC-Bearbeitung mit einem Materialblock (genannt „Rohling“) beginnt und Material abschneidet, um das Endprodukt zu erhalten. Dazu werden Fräser und Spinnwerkzeuge eingesetzt. Zu den Vorteilen der CNC-Bearbeitung gehören eine hohe Maßgenauigkeit, sowie viele kompatible Materialien, darunter Holz, Metalle und Kunststoffe.

Beim 3D-Druck oder der additiven Fertigung werden Objekte Schicht für Schicht aus Materialien wie Kunststofffilamenten (FDM), Harzen (SLA/DLP), Kunststoff- oder Metallpulver (SLS/DMLS/SLM) hergestellt. Mit einer Energiequelle wie einem Laser oder einem beheizten Extruder werden Schichten dieser Materialien zu einem fertigen Objekt verfestigt. Zu den Vorteilen des 3D-Drucks gehören die Formfreiheit, die Anwendungen in vielen Bereichen, die Genauigkeit, Geschwindigkeit und die Möglichkeit, Kosten und Gewicht der Objekte zu reduzieren.

Es gibt jedoch mehrere Maschinen die versucht haben, diese beiden Fertigungsformen in einer Maschine zu kombinieren. Vor allem der ZMorph 2.0 SX wir als CNC-Fräse vermarktet, die auch als 3D-Drucker funktioniert. Dazu gehören eine CNC-Fräse mit drei Achsen, sowie ein Druckkopf mit austauschbaren Köpfen. Darüber hinaus haben mehrere Unternehmen kürzlich erfolgreich Kickstarter-Kampagnen mit diesen kombinierten Maschinen abgeschlossen, wie zum Beispiel der 3-in-1-3D-Drucker von Mooz.

Der ZMorph SX 2.0 verfügt über austauschbare CNC- und 3D-Druckköpfe.

3D-Drucken oder CNC-Bearbeitung: Materialien

Sowohl der 3D-Druck als auch die CNC-Bearbeitung sind mit einer Vielzahl von Materialien kompatibel, darunter Kunststoffe und Metalle. Der 3D-Druck konzentriert sich jedoch mehr auf Kunststoffe insgesamt, obwohl sich dies in Zukunft sehr ändern kann, da von Herstellern wie 3D Systems, Arcam, Desktop Metal und Markforged bessere und kostengünstigere Möglichkeiten des 3D-Drucks von Metall entwickelt werden.

Zu den am häufigsten in der CNC verwendeten Kunststoffen gehören ABS, Nylon (PA66), Polycarbonat (PC), Acryl (PMMA), Polypropylen (PP), POM und PEEK. Ein sehr häufig verwendetes Metall in der CNC-Herstellung ist Aluminium, das besonders von Prototypenherstellern verwendet wird, um hochwertigen Prototypen in einer Vielzahl von Branchen herzustellen. Aluminium ist recycelbar, hat gute Schutzeigenschaften und kann effektive Prototypen schaffen. Andere häufig verwendeten Metalle sind Edelstahl, Magnesiumlegierung, Zinklegierung, Titan und Messing.

Aluminium ist aufgrund seiner guten mechanischen Eigenschaften ein häufig verwendetes Metall bei der CNC.

Im 3D-Druck werden häufig Thermoplaste wie ABS, PLA, Nylon, ULTEM, aber auch Fotopolymere wie Wachs oder biokompatible Harze verwendet. Einige Nischen-3D-Drucker ermöglichen auch das Drucken von Objekten aus Sand, Keramik und sogar lebenden Materialien. Die gebräuchlichsten Metalle, die beim 3D-Druck verwendet werden, sind Aluminium, Edelstahl, Titan und Inconel. Es ist auch erwähnenswert, dass zum 3D-Drucken von Metall teure (100.000 $+) Industriemaschinen benötigt werden. Einige Materialien wie Superlegierungen oder TPU (flexibles Material) können nicht mit CNC hergestellt werden, sondern müssen mit dem 3D-Druck oder der Rapid Tooling-Technologie verwendet werden.

Einige Kunststoffe sind für beides, den 3D-Druck und die CNC-Fräsung erhältlich.

Benutzerfreundlichkeit

Der 3D-Druck ist bekanntlich einfacher zu bedienen als die CNC-Bearbeitung. Denn sobald die Datei vorbereitet ist, müssen Sie nur noch die Ausrichtung, Füllung und Unterstützung des Bauteils auswählen. Sobald der Druck begonnen hat, ist kein Supervisor mehr erforderlich und der Drucker kann bis zur Fertigstellung des Teils verlassen werden. Die Anforderungen an die Nachbearbeitung hängen von der Technologie ab und sind teilweise ebenso simpel.

Die CNC-Bearbeitung ist jedoch ein weitaus arbeitsintensiverer Prozess. Ein erfahrener Bediener muss zwischen verschiedenen Werkzeugen, Drehzahlen der Werkzeuge, dem Schneidpfad und der Neupositionierung des Materials, aus dem das Teil hergestellt wird, wählen. Es gibt auch Nachbearbeitungstechniken, die mehr Zeit in Anspruch nehmen können.

Die CNC erfordert einen Bediener, während der 3D-Druck beim Drucken in Ruhe gelassen werden kann.

Genauigkeit, Größenbeschränkungen & Geometrische Komplexität

Obwohl es eine Reihe von 3D-Drucktechnologien gibt, haben wir uns entschieden, die CNC-Bearbeitung mit SLS, industriellem (nicht Desktop-) FDM und DMLS-Metalldruck zu vergleichen. In Bezug auf die Toleranz ist die CNC-Bearbeitung allen 3D-Druckverfahren, auch DMLS, überlegen. Bei minimalen Schichtdicken ist die Überlegenheit jedoch nicht so tiefgründig und nicht so präzise wie bei DMLS.

Pulverbettfusion 3D-Druckverfahren wie SLS und DMLS sind jedoch in ihrem Bauvolumen begrenzt. Selbst Technologien mit größeren Stückzahlen wie FDM können in Bezug auf die maximale Größe der Teile nicht mit der CNC konkurrieren.

Der 3D-Druck ist bekannt für seine Vorteile bei der Herstellung von Endprodukten mit hoher geometrischer Komplexität. Obwohl für einige Technologien Unterstützung erforderlich ist, kann der 3D-Druck Objekte mit Geometrien erzeugen, die keine herkömmliche Fertigungsmethode reproduzieren kann. Technologien wie SLS und Multi Jet Fusion von HP können dies sogar ohne Supportstrukturen realisieren.

Kosten

Obwohl der 3D-Druck im Durchschnitt billiger ist, hängen die Kosten davon ab, wie viele Teile benötigt werden und wie schnell Sie diese benötigen. Für größere Mengen (höhere zweistellige bis 100 stellig) ist CNC wahrscheinlich besser geeignet. Für kleine Auflagen ist der 3D-Druck geeigneter und kostengünstiger. Der 3D-Druck ist auch besser geeignet, wenn Sie Ihre Prototypen oder Teile sehr schnell benötigen. Es gibt jedoch zusätzliche Faktoren, die den Vergleich der beiden Technologien erschweren. Dazu gehören Materialien, die in ihren Kosten variieren (von billigen Materialien wie ABS bis hin zu Materialien, die 500 $/kg wie PEEK kosten können), und die Reparatur und der Austausch von Maschinen (wie CNC-Köpfe).

Umweltfreundlich

Da bei der CNC das Material von einem Originalblock weggeschnitten wird, kommt es danach immer zu Unordnung. Diese Materialstücke müssen anschließend gereinigt und entsorgt werden, was beim 3D-Druck nicht erforderlich ist. Da die additive Fertigung aus dem in die Maschine eingeleiteten Material ein Objekt auf der Bauplattform bildet, gibt es keine Unordnung außer Stützen (falls verwendet). Dies macht den 3D-Druck bei zwei Methoden ethischer, da weniger ungenutzte Abfälle anfallen.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es keine perfekte Technik gibt, die für alle geeignet ist. Obwohl beide Methoden sehr kompetente und nützliche Technologien sind, hängt die am besten geeignete von Material, geometrischer Komplexität, Fertigungsvolumen und Budget des Anwenders ab. Um herauszufinden, welche für Ihren speziellen Job am besten geeignet ist, empfehlen wir Ihnen, sich an einen lokalen oder internationalen Service zu wenden und um Rat zu fragen. Wenn Sie versuchen, im eigenen Haus zu fertigen, überlegen Sie sich, welche Maschinen Ihnen zur Verfügung stehen und entscheiden Sie, ob sie für die jeweilige Aufgabe geeignet sind.

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