CNC-bewerking vs. 3D-printen: De Juiste Productiemethode Kiezen voor Uw Project

Stereolithografie-uitvinder en 3D Systems-oprichter Charles Hull begon 3D-printers te verkopen in 1986. Enkele jaren later commercialiseerde Scott Crump van Stratasys zijn fused deposition modeling technologie. Velen volgden snel, en het duurde niet lang voordat ondernemers overal deze "rapid prototyping" machines kochten en "service bureaus" openingen – bedrijven die zich uitsluitend richtten op 3D-printen.

Vandaag de dag is elk van die ooit avant-garde termen grotendeels verouderd. Additive manufacturing is niet langer beperkt tot prototyping, rapid of anders. En service bureaus hebben plaatsgemaakt voor e-fabrikanten, wier eigenaren en managers beweren dat 3D-printen CNC-bewerking en andere traditionele productieprocessen complementeert, en slechts een ander gereedschap in hun toolbox is geworden (al een erg krachtig).

Compenseren van Sterktes en Zwaktes

Dat is zeker het geval bij Los Angeles-gebaseerde Stratasys Direct Manufacturing, waar vice-president operaties Greg Reynolds uitlegt dat het beslissen welke productietechnologie te gebruiken voor een gegeven project afhangt van tal van factoren, beginnend met onderdeelcomplexiteit.

"Additive manufacturing brengt diverse belangrijke voordelen ten opzichte van conventionele processen, met name waar metaal betreft," zegt hij. "Bovenaan deze lijst staat onderdeelconsolidatie. In plaats van een aantal onderdelen te frezen en ze dan te bouten of lassen, stelt metaal 3D-printen u in staat de montage als een enkel, vaak veel lichter, werkstuk te produceren. Hierbij komen kenmerken als interne doorvoeringen, complexe afgeronde oppervlakken en andere organische vormen, en dunwandige roosterstructuren. Elk van deze is of zeer kostbaar of onmogelijk te frezen. Voor additive zijn ze echter vrij eenvoudig."

Aan de andere kant blijven eenvoudigere, meer monolithische onderdelen zoals beugels, assen, behuizingen, en een heel aantal andere "blokkerige" componenten vast in het bewerkingsdomein, of de werkplaats nu een prototype onderdeel of een productierun van veel duizenden maakt.

En omdat 3D-printen niet kan concurreren met bewerking in termen van nauwkeurigheid, zijn onderdelen met strakke toleranties en zeer gladde oppervlakteafwerkingen ook meer geschikt voor een CNC-draaibank of bewerkingscentrum.

Vanwege dat vereisen veel kunststofonderdelen en vrijwel alle metalen een post-build bezoek aan de machinefabriek om kritieke onderdeelkenmerken af te werken en steunen te verwijderen, de pest van de meeste 3D-printprocessen.

3D-printen: Goed voor Complexe Geometrieën, Ingewikkelde Kenmerken

"Voor lagere productievolumes waar onderdelnauwkeurigheid en oppervlakteafwerking niet de hoogste prioriteit zijn, is 3D-printen zeker de weg om te gaan," zegt Gisbert Ledvon, directeur business development voor machine tools bij Heidenhain Corp. "Dit geldt ook voor onderdelen met zeer complexe geometrieën, en waar 3D-printen kenmerken kan produceren die anders moeilijk te fabriceren zouden zijn. Hoewel ze secundaire bewerking kunnen vereisen, worden deze soorten onderdelen steeds vaker geproduceerd via metaal additive manufacturing."

Een kunststofinjectiegietvorm is een voorbeeld, aldus Ledvon. In plaats van een Emmentaler-achtige reeks koelgaten door de vormbasis of inserts te boren, zoals bij traditionele vormbouw, kunnen laser metal powder bed (LPBF) machines de gehele vorm printen en vullen met strategisch geplaatste koelkanalen, die zich aanpassen aan en de vormholte omringen. De resultaten, aldus hij, zijn vormen met veel kortere cyclus tijden en hogere onderdekkwaliteit dan anders mogelijk zou zijn.

Hier opnieuw zijn secundaire operaties nodig om de vormholte en andere kritische oppervlakken af te werken; zoals Ledvon en Reynolds beide wijzen, laat metaal additive manufacturing een oppervlakteafwerking achter vergelijkbaar 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 spanningsstrategie vereist. "Het zou ideaal zijn als uw 3D-printer een soort palletsysteem heeft dat integreert met uw bewerkingscentrum, want dit bespaart veel tijd en hoofdpijn," zegt Ledvon.

Een 3D-geprint onderdeel vasthouden is vergelijkbaar met een gietstuk vasthouden, voegt Reynolds toe, in dat er vaak geen vast datum punt is om te refereren. "Net als bij gietstukken, start u het bewerkingsproces vanaf een near-net-shape, dus u moet eerst een nul-punt frezen of draaien en daarvandaan voortgaan. Het varieert per opdracht, maar over het algemeen zou ik zeggen dat dimensionele controle zeker uitdagender is met 3D-geprinte onderdelen."

CNC Voldoet aan de Behoefte aan Snelheid

Een ander veer in de pet van CNC-bewerking is snelheid. Waar CNC-draaibanken en bewerkingscentra materiaal van een staaf of blok met hoge snelheden kunnen verwijderen, zijn laser-gebaseerde metaal- en polymere 3D-printers beroemd langzaam, met veel uren voor de meeste onderdelen en zelfs dagen voor grotere.

Toch zijn lasers ver van de enige manier om materialen te binden. Additive manufacturing kent zeven distincte technologieën en talloze afsplitsingen, waarvan sommige in de laatste jaren razendsnel geworden zijn. Bijvoorbeeld, 3D-printerfabrikanten als Markforged hebben binder jetting machines ontwikkeld die grote hoeveelheden "groene" onderdelen kunnen printen die daarna gesinterd worden, nabootsend het decennia-oude metal injection molding proces. En fused deposition modeling printers als die van MakerBot en moederbedrijf Stratasys zijn niet alleen veel sneller geworden dan in Scott Crump's vroege dagen, maar kunnen nu ook bepaalde metalen printen.

Op dezelfde manier heeft Chuck Hull's stereolithografieproces zich uitgebreid tot digital light processing, dat hele lagen fotopolymerhars in één pas uithardt in plaats van ze pijnstakkelijk lijn voor lijn te traceren met een UV-lichtbron.

Deze en andere polymere printers zijn ook veel nauwkeuriger dan vroeger (hoewel nog steeds ver minder nauwkeurig dan bewerking), en wanneer gebruikt in combinatie met zogenaamde "vapor polishing" apparatuur, kunnen ze uitzonderlijke oppervlakteafwerkingen produceren.

Dan is er selective absorption fusion van Stratasys. Hoewel momenteel beperkt tot eco-friendly PA11 Nylon, print het onderdelen met een proprietair inkt dat het smeltpunt van elk polymermeststof dat het aanraakt verlaagt. Blootgesteld aan een infrarood warmtebron, smelten deze gebieden samen om volledig functionele onderdelen te produceren. "Het maakt niet uit of het één onderdeel of 1.000 is, de bouwsnelheden zijn hetzelfde," zegt Reynolds. "Dit maakt het ideaal geschikt voor hogere productievolumes, en omdat het niet zoveel warmte in het onderdeel stopt als selective laser sintering (SLS), is materiaalintegriteit over het algemeen groter."

Productietijd Inkorten

Tooling is nog een ander belangrijk onderscheid tussen 3D-printen en traditionele productie. Omdat de eerste een volledig digitaal proces is, is er geen behoefte aan spannen, vastzetten, en andere tooling (behalve die gebruikt in secundaire verwerking) die vereist zijn bij traditionele productieprocessen.

Dat biedt tal van voordelen, het meest voor de hand liggende is de eliminatie van een deel of alle toolingkosten. Maar er is ook de levertijd nodig om de tools te fabriceren, en wanneer klaar, ze op de machinetool te installeren, programma nul op te pikken, en dan het CNC-programma te bewijzen. Een 3D-printer kan daarentegen van CAD-model naar afgerond onderdeel gaan in slechts enkele uren.

Reynolds merkt op dat 3D-printen recent meer geautomatiseerd is geworden wat decaking en ondersteuningsverwijdering betreft, hoewel automatisering ook een grotere rol speelt in andere productietypes.

Ongeacht, kiezen hoe een gegeven onderdeel te produceren is een complexe beslissing, afhankelijk van de opgavehoeveelheid, de onderdeelgeometrie, de nauwkeurigheid en oppervlakteafwerking, van welk materiaal het gemaakt is, en een heleboel andere factoren.

Metaalbewerkers die proberen te beslissen tussen de twee technieken kunnen een onderdeel uploaden naar Stratasys' website voor een direct offerte en ontdekken welke manier het snelst en meest effectief is.

"Voor hen die misschien overwoegen om in hun eigen 3D-printer te investeren op een gegeven moment en vonden dat het of te duur was of niet capabel genoeg, zou ik hen aanmoedigen om er nog eens naar te kijken," zegt hij. "Het is een zeer volwassen technologie geworden en, net als CNC-draaibanken en bewerkingscentra, is het gewoon nog een manier om onderdelen te maken."