CNC-bewerking versus 3D-printen:wat is de beste optie voor uw taak?

Stereolithografie-uitvinder en oprichter van 3D-systemen, Charles Hull, begon in 1986 met de verkoop van 3D-printers. Een paar jaar later commercialiseerde Scott Crump van Stratasys zijn fused deposition-modelleringstechnologie. Anderen volgden snel, en het duurde niet lang voordat ondernemers overal deze 'rapid prototyping'-machines kochten en 'servicebureaus' openden, bedrijven die zich uitsluitend op 3D-printen richtten.

Tegenwoordig is elk van die eens geavanceerde termen grotendeels achterhaald. Additive manufacturing is niet langer beperkt tot prototyping, al dan niet snel. En servicebureaus hebben plaatsgemaakt voor e-fabrikanten, waarvan de eigenaren en managers beweren dat 3D-printen een aanvulling is op CNC-bewerking en andere, meer traditionele productieprocessen, en gewoon een ander hulpmiddel in hun gereedschapskist is geworden (zij het een zeer krachtige).

Compenseren voor sterke en zwakke punten

Dat is zeker het geval met het in Los Angeles gevestigde Stratasys Direct Manufacturing, waar Greg Reynolds, vice-president operations, uitlegt dat de beslissing welke productietechnologie voor een bepaald project moet worden gebruikt, afhangt van tal van factoren, te beginnen met de complexiteit van de onderdelen.

"Additive manufacturing biedt een aantal belangrijke voordelen ten opzichte van conventionele processen, vooral waar het metaal betreft", zegt hij. "De consolidatie van onderdelen staat hoog op deze lijst. In plaats van een heleboel onderdelen te bewerken en ze vervolgens aan elkaar te schroeven of te lassen, kunt u met 3D-printen met metaal de assemblage als een enkel, vaak veel lichter, werkstuk produceren. Daarbij horen kenmerken zoals interne doorgangen, complexe geveegde oppervlakken en andere organische vormen, en dunwandige roosterstructuren. Elk van deze is ofwel erg duur of ronduit onmogelijk te bewerken. Voor additieven zijn ze echter vrij eenvoudig."

Aan de andere kant blijven eenvoudigere, meer monolithische onderdelen zoals beugels, assen, behuizingen en een groot aantal andere "blokkige" componenten stevig in het bewerkingsgebied, of de winkel nu een prototypeonderdeel maakt of een productierun van vele duizenden.

En omdat 3D-printen qua nauwkeurigheid niet kan concurreren met verspanen, zijn onderdelen met nauwe toleranties en zeer gladde oppervlakteafwerkingen ook meer geschikt voor een CNC-draaibank of bewerkingscentrum.

Daarom vereisen veel plastic onderdelen en vrijwel alle metalen onderdelen een post-build reis naar de machinewerkplaats om kritieke onderdeelfuncties af te werken en ondersteuningen te verwijderen, de vloek van de meeste 3D-printprocessen.

3D-printen:goed voor complexe geometrieën, ingewikkelde functies

"Voor lagere productievolumes waarbij nauwkeurigheid van onderdelen en oppervlakteafwerking niet de hoogste prioriteit hebben, is 3D-printen zeker de juiste keuze", zegt Gisbert Ledvon, directeur bedrijfsontwikkeling voor werktuigmachines bij Heidenhain Corp. "Dit geldt ook voor onderdelen met zeer complexe geometrieën, en waar 3D-printen functies kan produceren die anders moeilijk te vervaardigen zouden zijn. Hoewel ze misschien secundaire bewerking vereisen, worden dit soort onderdelen steeds vaker geproduceerd via additieve fabricage van metaal.”

Een kunststof spuitgietmatrijs is daar een voorbeeld van, zegt Ledvon. In plaats van een Zwitserse kaasachtige reeks koelgaten door de vormbasis of de inzetstukken te boren, zoals bij het traditionele maken van vormen, kunnen laser-metaalpoederbed (LPBF)-machines de hele vorm printen en vullen met strategisch geplaatste koelkanalen, die voldoen aan aan en omringen de vormholte. De resultaten, zegt hij, zijn mallen met veel snellere cyclustijden en een hogere kwaliteit van de onderdelen dan anders mogelijk zou zijn.

Ook hier zijn secundaire bewerkingen nodig om de vormholte en andere kritische oppervlakken af ​​te werken; zoals Ledvon en Reynolds allebei aangeven, laat additieve fabricage van metaal een oppervlakteafwerking achter die vergelijkbaar is met die van gieten of smeden.

Beide experts zeggen dat het overbrengen van deze en andere onderdelen van een 3D-printer naar een CNC-machine een robuuste opspanstrategie vereist. "Het zou ideaal zijn als uw 3D-printer een soort palletsysteem heeft dat integreert met uw bewerkingscentrum, omdat dit veel tijd en hoofdpijn bespaart", zegt Ledvon.

Het vastgrijpen van een 3D-geprint onderdeel is vergelijkbaar met het vastgrijpen van een gietstuk, voegt Reynolds eraan toe, omdat er vaak geen vast referentiepunt is. “Net als bij gietstukken begin je het bewerkingsproces vanuit een bijna-netvorm, dus je moet eerst een nulpunt frezen of draaien en dan verder gaan. Het varieert van klus tot klus, maar over het algemeen zou ik zeggen dat dimensionale controle zeker een grotere uitdaging is met 3D-geprinte onderdelen."

CNC voldoet aan de behoefte aan snelheid

Een andere pluim in de dop van CNC-bewerking is snelheid. Waar CNC-draaibanken en bewerkingscentra materiaal tegen hoge snelheden van een staaf of knuppel kunnen rippen, zijn op laser gebaseerde 3D-printers van metaal en polymeer notoir traag en nemen ze vele uren in beslag om de meeste onderdelen te produceren en zelfs dagen voor grotere.

Toch zijn lasers lang niet de enige manier om materialen te binden. Additive manufacturing beschikt over zeven verschillende technologieën en talloze uitlopers, waarvan sommige de afgelopen jaren ronduit snel zijn geworden. 3D-printerfabrikanten zoals Markforged hebben bijvoorbeeld binder jetting-machines ontwikkeld die grote hoeveelheden "groene" onderdelen kunnen printen die vervolgens worden gesinterd, het nabootsen van het decennia-oude metalen spuitgietproces. En fused deposition modeling printers zoals die van MakerBot en moederbedrijf Stratasys zijn niet alleen veel sneller geworden dan in de begindagen van Scott Crump, maar kunnen nu ook bepaalde metalen printen.

Evenzo is het stereolithografieproces van Chuck Hull uitgebreid met digitale lichtverwerking, waarbij hele lagen fotopolymeerhars in één keer worden uitgehard in plaats van ze lijn voor lijn nauwkeurig te volgen met een UV-lichtbron.

Deze en andere polymeerprinters zijn ook veel nauwkeuriger dan ze ooit waren (hoewel nog steeds veel minder nauwkeurig dan machinale bewerking), en wanneer ze worden gebruikt in combinatie met zogenaamde "vapor polishing"-apparatuur, kunnen ze uitzonderlijke oppervlakteafwerkingen produceren.

Dan is er selectieve absorptiefusie van Stratasys. Hoewel het momenteel beperkt is tot het milieuvriendelijke PA11-nylon, drukt het onderdelen af ​​met een gepatenteerde inkt die het smeltpunt verlaagt van elk polymeerpoeder dat het aanraakt. Wanneer ze worden blootgesteld aan een infraroodwarmtebron, smelten deze gebieden samen om volledig functionele onderdelen te produceren. "Het maakt niet uit of het een onderdeel is of 1.000, de bouwsnelheden zijn hetzelfde", zegt Reynolds. "Dit maakt het bij uitstek geschikt voor hogere productievolumes, en aangezien het niet zoveel warmte in het onderdeel steekt als selectief lasersinteren (SLS), is de materiaalintegriteit over het algemeen groter."

Productietijd bijsnijden

Tooling is nog een ander belangrijk onderscheid tussen 3D-printen en traditionele productie. Omdat het eerste een volledig digitaal proces is, zijn er geen mallen, klemmen en ander gereedschap nodig (afgezien van het gereedschap dat wordt gebruikt bij secundaire verwerking) dat vereist is bij traditionele productieprocessen.

Dat biedt tal van voordelen, waarvan de meest voor de hand liggende de eliminatie van sommige of alle gereedschapskosten is. Maar er is ook de doorlooptijd die nodig is om de gereedschappen te vervaardigen, en wanneer ze klaar zijn, ze op de bewerkingsmachine te installeren, programma nul op te halen en vervolgens het CNC-programma te bewijzen. Een 3D-printer daarentegen kan in slechts een paar uur van CAD-model naar afgewerkt onderdeel gaan.

Reynolds merkt op dat 3D-printen de laatste tijd meer geautomatiseerd is geworden met betrekking tot decaking en ondersteuningsverwijdering, hoewel automatisering ook een grotere rol speelt bij andere soorten productie.

Hoe dan ook, het kiezen van de manier waarop een bepaald onderdeel wordt geproduceerd, is een complexe beslissing, een beslissing die afhangt van de hoeveelheid werk, de geometrie van het onderdeel, de nauwkeurigheid en oppervlakteafwerking, van welk materiaal het is gemaakt en tal van andere factoren.

Metaalbewerkers die tussen de twee technieken proberen te kiezen, kunnen een onderdeel uploaden naar de website van Stratasys voor een onmiddellijke prijsopgave en uitzoeken welke manier het snelst en het meest effectief is.

"Voor degenen die ooit hebben overwogen om in hun eigen 3D-printer te investeren en deze ofwel te duur of niet capabel genoeg vonden, zou ik ze willen aanmoedigen om nog een keer te kijken", zegt hij. "Het is een zeer volwassen technologie geworden en, zoals met CNC-draaibanken en bewerkingscentra, is nog maar een manier om onderdelen te maken."

Quick Poll:Additive Manufacturing Edge

Additive manufacturing wordt steeds vaker gebruikt als aanvulling op machinale bewerking en meer traditionele productieprocessen.

Wat zijn de voordelen van additive manufacturing voor uw bedrijf?