3D-printen vs CNC-bewerking vergelijken: Wat is het beste voor je projecten?

Inleiding

CNC-bewerking is een veelvoorkomende aftrekende productie technologie. In tegenstelling tot 3D-printen, begint het proces typisch met een massief blok materiaal (blank) en verwijdert materiaal om de vereiste eindvorm te bereiken, met behulp van een verscheidenheid aan scherpe draaiende gereedschappen of frezen.

CNC is een van de meest populaire productiemethoden voor zowel kleine eenmalige klussen als middel tot hoge volume productie. Het biedt uitstekende herhaalbaarheid, hoge nauwkeurheid en een breed scala aan materialen en oppervlakteafwerkingen.

Additieve Productie (AM) of 3D-printprocessen bouwen onderdelen door materiaal laag voor laag toe te voegen. AM-processen vereisen geen speciale hulpmiddelen of bevestigingen, zodat de initiële opstartkosten minimaal blijven.

In dit artikel presenteren we de belangrijkste technologische overwegingen om je te helpen de juiste technologie voor je toepassing te kiezen. We richten ons op functionele onderdelen en prototypes gemaakt van metalen of kunststoffen. De 3D-printprocessen die het meest geschikt zijn voor dit doel zijn SLS of FDM voor kunststoffen en SLM/DMLS of Binder Jetting voor metalen.

De juiste technologie selecteren

Bij het kiezen tussen CNC en Additieve Productie (AM), zijn er een paar eenvoudige richtlijnen die toegepast kunnen worden op het besluitvormingsproces.

Als vuistregel moeten alle onderdelen die met beperkte moeite geproduceerd kunnen worden via een aftrekend proces doorgaans CNC-gebeurd worden. Het maakt meestal alleen zin om 3D-printen te gebruiken in de volgende gevallen:

• Wanneer traditionele methoden niet in staat zijn het onderdeel te produceren, bijvoorbeeld voor hoogst complexe, topologie-geoptimaliseerde geometrieën.
• Wanneer een snelle doorlooptijd kritiek is; 3D-geprinte onderdelen kunnen binnen 24u geleverd worden.
• Wanneer lage kosten essentieel zijn; voor kleine volumes is 3D-printen doorgaans goedkoper dan CNC.
• Wanneer er een klein aantal identieke onderdelen vereist is (minder dan 10).
• Wanneer materialen vereist zijn die niet gemakkelijk bewerkt kunnen worden, zoals metaal superalliages of flexibel TPU.

CNC biedt grotere dimensionale nauwkeurigheid en produceert onderdelen met betere mechanische eigenschappen in alle 3 dimensies, maar dit komt meestal tegen hogere kosten, vooral wanneer volumes klein zijn.

Als hogere onderdelaantallen nodig zijn, (honderden of meer), dan mag noch CNC noch AM een kosteneffectieve optie zijn. Traditionele vormgevende technologieën, zoals investeringsgieten of injectiegieten, zijn doorgaans de meest economische optie, door economie van schaal mechanismen (zie figuur).

Aanbevolen proces referentietabel

Aantal onderdelen	1's	10's	100's	1000's
Kunststof	3D-printen	3D-printen (overweeg: CNC)	CNC (overweeg: Injectiegieten)	Injectiegieten
Metaal	3D-printen & CNC*	CNC (overweeg: 3D-printen)	CNC (overweeg: Investeringsgieten)	Investerings- of Doodgieten

^{*: sterk afhankelijk van onderdeelgeometrie}

Benieuwd naar de kosten voor CNC-bewerking en 3D-printen? Upload je CAD-bestanden voor een direct aanbod!
CNC offerte aanvragen | 3D-print offerte aanvragen

Proceskenmerken

Dimensionale nauwkeurigheid

CNC-bewerking biedt strikte toleranties en uitstekende herhaalbaarheid. Erg grote tot erg kleine onderdelen kunnen nauwkeurig CNC-gebeurd worden. Vanwege de vorm van het snijgereedschap zullen interne hoeken altijd een straal hebben, maar externe oppervlakken kunnen scherpe randen hebben en erg dun bewerkt worden.

Verschillende 3D-printsystemen bieden verschillende dimensionale nauwkeurigheid. Industriële machines kunnen onderdelen produceren met zeer goede toleranties. Als strakke play vereist zijn, kunnen de kritische afmetingen oversized geprint en daarna tijdens na-bewerking bewerkt worden.

De minimale wanddikte van 3D-geprinte onderdelen is beperkt door de grootte van de eind-effector (bijvoorbeeld naar dozijndiameter in FDM of de laserspotgrootte in SLS). Aangezien onderdelen laag voor laag gefabriceerd worden, kunnen laaglijnen zichtbaar zijn, vooral bij gebogen oppervlakken. De maximale onderdelegrootte is relatief klein, omdat 3D-printprocessen vaak nauwe omgevingscontrole vereisen.

	Tolerantie	Min. wanddikte	Maximale onderdelegrootte
CNC	± 0.025 - 0.125 mm *	0.75 mm	Frezen: 2000 x 800 x 1000 mm Draaien: Ø 500 mm
SLS	± 0.300 mm	0.7 - 1.0 mm	300 x 300 x 300 mm
FDM	Industriëel: ± 0.200 mm Desktop: ± 0.500 mm	0.8 - 1.0 mm	Industriëel: 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

^{* : Volgens het gespecificeerde tolerantieniveau.}

Materialen

CNC wordt voornamelijk gebruikt voor het bewerken van metalen. Het kan ook gebruikt worden voor het bewerken van thermoplasten, acrylaten, zacht- en hardhout, modelerschuim en gietwas.

• Geweldige mechanische en thermische eigenschappen met volledig isotroop gedrag.
• Dimensionale beperkingen door blankgrootte (het gebruik van een non-standaard blankgrootte verhoogt de kosten).

	Veelvoorkomende CNC-materialen
Kunststoffen	ABS, Nylon, Polycarbonaat, PEEK
Metalen	Aluminium, Roestvrij staal, Titanium, Messing

3D-printen wordt vorwiegend gebruikt met kunststoffen en in mindere mate voor metalen. Sommige technologieën kunnen onderdelen produceren van keramiek, was, zand en composieten. 3D-printmaterialen is een complex onderwerp dat verder besproken wordt in speciale artikelen van de Knowledge Base.

• Wijd variety aan materialen met een wijd bereik aan fysieke eigenschappen.
• Materialen die moeilijk te bewerken zijn (zoals TPU en metaal superalliages) kunnen 3D-geprint worden.
• Kunnen mindere mechanische eigenschappen hebben vergeleken met CNC-onderdelen (ze zijn typisch niet volledig isotroop).

	Veelvoorkomende 3D-printmaterialen
Kunststoffen	Nylon, PLA, ABS, ULTEM, ASA, TPU
Metalen	Aluminium, Roestvrij staal, Titanium, Inconel

Modelcomplexiteit

Er zijn een aantal beperkingen die in aanmerking genomen moeten worden bij het ontwerpen van onderdelen voor CNC-bewerking, inclusief gereedschapstoegang en play, vastzet- of montagepunten, alsmede de onmogelijkheid om vierkante hoeken te bewerken door gereedschapsgeometrie.

Sommige geometrieën zijn onmogelijk te CNC-bewerken (zelfs met 5-as CNC-systemen) omdat het gereedschap niet alle oppervlakken van een component kan bereiken. Meeste geometrieën vereisen rotatie van het onderdeel om de verschillende kanten te bereiken. Herpositionering voegt verwerkingstijd en arbeidstijd toe en aangepaste jigs en hulpmiddelen kunnen vereist zijn, wat de eindprijs beïnvloedt.

3D-printen heeft zeer weinig geometriebeperkingen vergeleken met CNC. Ondersteuningsstructuren zijn vereist in de meeste technologieën, zoals FDM of SLM/DMLS, en worden tijdens na-bewerking verwijderd.

Kunststof vrijvorm, organische geometrieën kunnen eenvoudig geproduceerd worden met polymer-gebaseerde poederbed-fusieprocessen, zoals SLS of Multi Jet Fusion (MJF), aangezien ze geen ondersteuning vereisen. De mogelijkheid om hoogst complexe geometrieën te produceren is een van de belangrijkste krachten van 3D-printen.

Productiewerkstroom

Hier is wat er achter de schermen gebeurt bij het plaatsen van een CNC- of 3D-printorder:

Bij CNC moet een expert operator of ingenieur eerst gereedschapsselectie, spindelsnelheid, snijpad en herpositionering van het onderdeel overwegen. Deze factoren beïnvloeden allemaal de eindonderdeekwaliteit en bouwtijd. Het productieproces is arbeidsintensief, aangezien het blok handmatig in de machine ingesteld moet worden. Na bewerking zijn de componenten klaar voor gebruik of na-bewerking.

Bij 3D-printen bereidt de machineoperator eerst het digitale bestand voor (kiest oriëntatie en voegt ondersteuning toe) en stuurt het naar de machine, waar het met weinig menselijke interventie geprint wordt. Wanneer printen voltooid is, moet het onderdeel gereinigd en na-bewerkt worden, wat het meest arbeidsintensive aspect van de 3D-printproductiewerkstroom is.

Na-bewerking

Een aantal na-bewerkingsmethoden kunnen toegepast worden op zowel CNC- als 3D-geprinte onderdelen die de functionaliteit of esthetiek van het as-gebouwde component verbeteren. De meest voorkomende na-bewerkingstechnieken zijn hieronder opgesomd:

	Na-bewerkingsmethoden
CNC	Perlen strahlen, anodiseren (type II of type III), poedercoating
3D-printen	Media strahlen, schuren en polijsten, micro-polijsten, metalen platen

Case study: Prototypen van een kunststof behuizing

Bij het ontwerpen van een nieuw elektronisch toestel is het fabriceren van prototypes voor de behuizing cruciaal voor het finaliseren van het product vóór massaproductie. Om de ontwikkeltijd te versnellen, zijn snelle levertijd en lage kosten de hoofddoelstellingen.

Elektronische behuizingen hebben vaak snap fits, levende scharnieren of andere ingriepbare verbindingen en bevestigingen. Al deze kenmerken kunnen of CNC-gebeurd of 3D-geprint worden met FDM of SLS.

CNC en SLS kunnen gebruikt worden om prototypes van hoge nauwkeurheid en esthetische aantrekkelijkheid te creëren, maar desktop FDM heeft veel kortere levertijd en lagere kosten. Aangezien mechanische prestaties niet het hoofddoel van dit project zijn, zijn de voordelen van CNC en SLS meestal niet de extra kosten en tijd waard.

	CNC	Desktop FDM	SLS
Kosten	$$	$	$$
Veelvoorkomende materialen	ABS, Nylon	PLA, ABS, Nylon	Nylon
Levertijd	1 - 2 weken	1 - 3 dagen	Minder dan een week
Nauwkeurigheid	± 0.125 mm	± 0.500 mm	± 0.300 mm

Case study: Productie van metaal beugels en componenten

Metaal beugels en andere mechanische componenten kunnen hoge belasting dragen en bij verhoogde temperaturen opereren. In dit geval zijn dimensionale nauwkeurigheid en goede materiaaleigenschappen de hoofddoelstellingen.

Als de modelgeometrie eenvoudig is (zoals de componenten op de afbeelding hierboven), dan is CNC de beste optie in termen van nauwkeurigheid, mechanische eigenschappen en kosten.

Wanneer de geometrische complexiteit toeneemt of wanneer meer exotische materialen vereist zijn, moet metaal 3D-printen overwogen worden. Componenten geoptimaliseerd voor gewicht en sterkte (zoals de beugels op de afbeelding hieronder) hebben organische structuren die erg moeilijk en duur te bewerken zijn.

CNC en metaal 3D-printen kunnen gecombineerd worden om onderdelen te produceren met zowel organische vorm als zeer strakke toleranties op de kritieke locaties.

	CNC	SLM/DMLS	Binder Jetting
Kosten	$$	$$$$	$$$
Veelvoorkomende materialen	Aluminium Roestvrij staal Messing	Roestvrij staal Aluminium Titanium Inconel Kobalt-Chroom	Roestvrij staal Inconel Kobalt-Chroom Wolframcarbide
Nauwkeurigheid	± 0.025 mm	± 0.100 mm	± 0.200 mm
Mechanische eigenschappen	Zeer goed	Zeer goed	Goed

Vuistregels

Het selecteren van de juiste technologie voor je toepassing is cruciaal en kan samengevat worden in de volgende vuistregels:

• CNC-bewerking is het beste geschikt voor middel tot hoge hoeveelheden (minder dan 250-500 onderdelen) en relatief eenvoudige geometrieën.
• 3D-printen is doorgaans het beste voor lage hoeveelheden (of eenmalige prototypes) en complexe geometrieën.
• Bij het overwegen van metalen, kan CNC prijscompetitief zijn zelfs voor lage hoeveelheden, maar geometriebeperkingen gelden nog steeds.
• Wanneer hoeveelheden hoog zijn (meer dan 250 - 500 onderdelen) zijn andere vormgevende technologieën meer geschikt.