Wissenswertes | 3D-Druck oder CNC? Die richtige Fertigungsmethode wählen

3D-Druckim Gesang antwortenCNC-Bearbeitung, … sind die beiden am häufigsten verwendeten Verfahren in der Prototypenentwicklung und der Kleinserienfertigung. Beide Verfahren stellen jedoch völlig unterschiedliche Fertigungsansätze dar: das eine ist additiv, das andere subtraktiv. Die Wahl des richtigen Verfahrens für Ihre Anwendung ist entscheidend, um die Produktentwicklung zu vereinfachen, eine höhere Effizienz zu erzielen und letztendlich Teile von höherer Qualität zu erhalten.

Wir werden die Unterschiede zwischen 3D-Druck und CNC-Bearbeitung erläutern und Ihnen einige Tipps geben, wie Sie die richtige Methode auswählen können.

Wenn es darum geht, funktionsfähige Prototypen und Serienbauteile herzustellen, bietet der 3D-Druck eine Reihe von Vorteilen. Auch die CNC-Bearbeitung bietet eine Reihe von Vorteilen. Doch obwohl beide Verfahren auf CAD-Daten basieren und verschiedene Materialien verwenden, enden die Gemeinsamkeiten hier bereits.

Der 3D-Druck (oder auch additive Fertigung) umfasst eine Reihe von Technologien, bei denen Teile durch schichtweises Auftragen von Material auf die Bauplattform eines 3D-Druckers hergestellt werden. Dieser Prozess kommt ohne Werkzeuge aus und ermöglicht die Fertigung komplexer Teile, ohne dass sich dies auf die Produktionszeit oder die Kosten auswirkt.

Im Gegensatz dazu handelt es sich bei der CNC-Bearbeitung um ein subtraktives Verfahren. Das bedeutet, dass nicht kontinuierlich Materialschichten hinzugefügt werden, sondern dass man von einem festen Materialblock ausgeht. Anschließend wird dieser Block mithilfe von Werkzeugen entlang einer vom Computer vorgegebenen Bahn abgetragen, bis er die Form des gewünschten Objekts annimmt.

1. Arbeitsanforderungen

Da die CNC-Bearbeitung eine Reihe komplexer Maschinen umfasst, erfordert dieser Prozess erfahrene Mechaniker, die die Werkzeuge einstellen, die Schnittwege festlegen und die Teile neu positionieren, um die gewünschte Form zu erzielen.

Im Vergleich zu anderen Verfahren ist der 3D-Druck ein automatisierter Prozess, wodurch der Arbeitsaufwand erheblich reduziert wird. Natürlich müssen die Dateien für den Druck vorbereitet werden, was die Konvertierung in das STL-Format und die Festlegung der optimalen Ausrichtung umfasst, doch der gesamte Vorgang sollte nicht länger als 30 Minuten dauern. Sobald die Dateien vorbereitet und der Drucker eingerichtet sind, ist bis zur Fertigstellung des Teils kein Eingreifen erforderlich.

2. Produktionszeit

Bei beiden Verfahren wirken sich verschiedene Faktoren auf die Fertigungszeit aus. Die Fertigungszeit bei der CNC-Bearbeitung hängt von den Konstruktionsmerkmalen (wie Abmessungen, Materialart, Wandstärke usw.) sowie von der Anzahl der Merkmale (z. B. Größe und Tiefe von Taschen und Bohrungen) ab. So erfordern beispielsweise kleinere Merkmale eine geringere Schnittgeschwindigkeit, was zu einer Verlängerung der Bearbeitungszeit führt.

Beim 3D-Druck spielen Faktoren wie das Volumen des Werkstoffs und die Höhe des Teils eine Rolle. Es liegt auf der Hand, dass der Druckvorgang umso länger dauert, je mehr Material benötigt wird. Bestimmte Strukturen erfordern zudem Stützstrukturen, was den Druckvorgang um 5 bis 15 Prozent verlängern kann.

3. Kosten

Ein weiterer Vorteil des 3D-Drucks besteht darin, dass komplexe Teile auf kostengünstige Weise hergestellt werden können. Dies ist auch einer der Gründe, warum diese Technologie zunehmend im Bereich der Metall-Leichtbauanwendungen zum Einsatz kommt. Im Gegensatz zur CNC-Bearbeitung gilt: Je komplexer ein Teil ist, desto langsamer verläuft der Bearbeitungsprozess, desto größer ist der Arbeitsaufwand und desto höher sind die Kosten.

Es gibt weitere Faktoren, die sich auf die Produktionskosten auswirken. Konkret umfasst dies die Materialkosten, einschließlich der Kosten für CNC- und 3D-Druck, bis hin zu Reparatur- oder Austauschkosten für Maschinen, wobei es sich hierbei um die Kosten für CNC-Maschinen handelt.

4. Teileeigenschaften, Maßgenauigkeit

Da bei der CNC-Bearbeitung ein Teil aus einem massiven Materialblock herausgefräst wird, lassen sich auf diese Weise Teile mit stabiler Struktur und präzisen Abmessungen herstellen.

Im Vergleich dazu führt das schichtweise Verfahren der additiven Fertigung dazu, dass mit dieser Technologie häufig weniger stabile Bauteile hergestellt werden als mit CNC-Bearbeitung. Der 3D-Druck mit Metall ist in dieser Hinsicht möglicherweise besonders problematisch, da die Porosität zu Problemen wie einer ungleichmäßigen Festigkeit der Bauteile führt.

5. Materialverschwendung

Bei der CNC-Bearbeitung fallen große Mengen an Abfall an, da dabei Material aus dem Rohling abgetragen wird, das in der Regel nicht wiederverwertet werden kann.

Im Vergleich zur CNC-Bearbeitung fallen beim 3D-Druck deutlich weniger Abfälle an – nämlich nur etwa 1 bis 3 Prozent –, und durch den Einsatz von Technologien wie SLS lassen sich alle Materialreste wiederverwenden.

6. Abmessungen der Teile

Da bei der CNC-Bearbeitung Materialblöcke verwendet werden, lassen sich große Teile relativ einfach herstellen. Im Vergleich dazu eignet sich der 3D-Druck eher für kleinere Teile und Baugruppen, auch wenn immer mehr große AM-Systeme auf den Markt kommen.

7. Nachbearbeitung

Teile, die mittels computergesteuerter Bearbeitung hergestellt werden, weisen eine recht gute Oberflächengüte auf und erfordern unter normalen Umständen keine zwingend notwendigen Nachbearbeitungsschritte. jedoch muss fast jedes 3D-gedruckte Teil in der Regel in irgendeiner Form nachbearbeitet werden, was wiederum von der gewählten Technologie abhängt – beispielsweise das Entfernen von Stützstrukturen, das Entfernen von Verunreinigungen, Reinigungsarbeiten sowie Poliervorgänge usw. Darüber hinaus kann der Zeitaufwand für das Entfernen der Stützstrukturen je nach Art des Teils und der jeweiligen Charge zwischen fünf Minuten und mehreren Stunden variieren.

Bei der Auswahl des richtigen Verfahrens für Ihre Anwendung sollten Sie zunächst die Unterschiede zwischen den einzelnen Technologien berücksichtigen. Bitte beachten Sie dabei die folgenden Hinweise.

1. Wie hoch ist Ihre Produktionsmenge?

Die Wirtschaftlichkeit der Entscheidung für 3D-Druck oder konventionelle Fertigung hängt letztlich von der Produktionsmenge für den jeweiligen Anwendungsfall sowie von der Anzahl der zu fertigenden Teile ab. Bei geringen Stückzahlen (weniger als 100 Teile) ist die Entscheidung für den 3D-Druck sinnvoll, während bei mittleren Stückzahlen (weniger als 1000 Teile) die CNC-Bearbeitung in Betracht gezogen werden sollte.

Für die Herstellung kleiner Stückzahlen hochkomplexer, maßgeschneiderter Teile bietet der 3D-Druck gegenüber der konventionellen Bearbeitung einen Preisvorteil und ermöglicht eine schnellere Fertigstellung. Von den direkt mit der Anlage verbundenen Kosten bis hin zu den Aufwendungen für qualifiziertes Fachpersonal sind die Kosten der CNC-Bearbeitung recht hoch.

2. Benötigen Sie mehrere schnelle Designiterationen?

Der 3D-Druck ist die Technologie der Wahl für Prototypenanwendungen, bei denen eine schnelle Entwicklung und kontinuierliche Iterationen erforderlich sind. Mit Hilfe des 3D-Drucks lässt sich durch einfache Anpassungen am Entwurf ein neuer Prototyp erstellen. Nach der Bearbeitung werden Änderungen am Entwurf jedoch immer komplexer und erfordern in der Regel mehrere Durchläufe sowie personalintensive Einrichtungs- und Werkzeugwechsel.

3. Wie wichtig ist die geometrische Komplexität?

Was geometrisch komplexe Strukturen angeht, nimmt der 3D-Druck eine zentrale und einzigartige Stellung ein. Mit Hilfe dieser Technologie lassen sich komplexe geometrische Formen herstellen, die mit anderen Fertigungsverfahren nicht reproduzierbar sind. Zwar erfordern einige Technologien wie SLA möglicherweise Stützstrukturen, doch andere Verfahren wie SLS kommen gänzlich ohne Stützstrukturen aus.

Der 3D-Druck eignet sich nicht nur für Leichtbaukonstruktionen, sondern auch hervorragend für die Herstellung von Bauteilen, die als Einzelteile verwendet werden, sowie für die Fertigung von Teilen mit komplexen inneren Strukturen, wie beispielsweise konforme Kühlkanäle in Spritzgussformen.

4. Welche Unterlagen benötigen Sie?

Da die CNC-Bearbeitung zu den ausgereifteren Technologien zählt, gibt es eine größere Auswahl an kompatiblen Materialien, darunter Metalle wie Aluminium, Edelstahl und Legierungen sowie Kunststoffe wie ABS, Nylon, Polycarbonat, Acryl und PEEK und darüber hinaus auch Holz.

Wenn es jedoch Materialien gibt, die schwer zu bearbeiten sind, wie beispielsweise Superlegierungen, Titan oder flexibles TPU, ist der 3D-Druck die sinnvollere Wahl. Zudem können mit dem 3D-Druck Teile aus thermoplastischen Kunststoffen – darunter ABS, PLA, ULTEM, PEEK und Nylon – sowie aus Harzen, Keramik und Metallen hergestellt werden.

Auf den ersten Blick mögen CNC-Bearbeitung und 3D-Druck wie gegensätzliche Technologien erscheinen: Die eine entfernt Material, während die andere es hinzufügt. In vielen Fällen ergänzen sich diese beiden Technologien jedoch hervorragend, was auch der Grund dafür ist, dass die Zahl der auf dem Markt erhältlichen Hybridmaschinen stetig steigt.

Zwar bietet die CNC-Bearbeitung Vorteile bei der Erzielung hoher Maßgenauigkeit, doch ermöglicht der 3D-Druck eine Senkung der Produktionskosten, die Fertigung kleiner Stückzahlen, größere Gestaltungsfreiheit und kürzere Durchlaufzeiten. Durch die Kombination der Vorteile beider Verfahren können Teile mit komplexen Geometrien zunächst im 3D-Druck hergestellt und anschließend mechanisch bearbeitet werden, um engere Toleranzen und glattere Oberflächen zu erzielen.

Letztendlich hängt die Auswahl der geeigneten Technologie von einer Reihe von Faktoren ab, darunter die benötigten Materialien, die Komplexität der Bauteile, das Produktionsvolumen, das Budget und der Zeitplan. Manchmal ist es jedoch sinnvoll, nicht nur eine einzige Methode zu wählen, sondern einen kombinierten Ansatz zu verfolgen, um die Fertigungszeit und die Kosten zu senken und gleichzeitig den Produktionsprozess zu vereinfachen.