С непрекъснатото усъвършенстване на производствените технологии адитивното производство, известно като 3D принтиране, и традиционните производствени процеси, като обработката с цифрово управление (CNC) и производството с намалено количество материали, работят заедно за насърчаване на развитието на производството. Въпреки че 3D принтирането не може да замени изцяло обработката с ЦПУ, то влияе на традиционните производствени методи по няколко начина. В тази статия ще навлезем в предимствата и ограниченията на 3D принтирането, ще обясним как то променя модела на приложение на CNC обработката и ще анализираме бъдещите тенденции в производството.

Въведение в адитивното производство и CNC обработката

Адитивното производство, известно като 3D принтиране, е революционен процес, при който се създават триизмерни обекти чрез добавяне на материал слой по слой. Тази иновативна технология промени производствената индустрия, като предлага несравнима гъвкавост на дизайна, съкратено време за производство и повишена ефективност. От друга страна, обработката с цифрово-програмно управление (CNC) е традиционен производствен метод, при който се използват автоматични режещи инструменти за отстраняване на материал от детайла. Обработката с ЦПУ е известна с високата си прецизност и точност, което я превръща в основен метод в производствената индустрия. В тази статия ще разгледаме основните разлики между адитивното производство и обработката с ЦПУ, ще обсъдим изискванията за настройка и програмиране на машините с ЦПУ и ще разгледаме техните приложения, предимства и ограничения.

Основни разлики между 3D принтирането и CNC обработката

Адитивното производство и обработката с ЦПУ са два различни производствени процеса, всеки от които има свой уникален подход към производството на части. Докато машината с ЦПУ изисква подробно програмиране и настройка за всяка партида, 3D принтирането може да започне производство с минимална подготовка, което го прави по-ефективно за малки обеми. Основната разлика се състои в начина на обработка на материала. Адитивното производство конструира частите чрез добавяне на материал слой по слой, което позволява създаването на сложни геометрии и вътрешни структури без необходимост от специализирани инструменти или форми. Този процес предлага значителна гъвкавост при проектирането и може да създаде сложни дизайни, които биха били предизвикателство или невъзможни при традиционните методи. За разлика от тях обработката с ЦПУ отстранява материал от детайла с помощта на режещи инструменти, което може да ограничи сложността на дизайна на детайла и да наложи използването на специализирани режещи инструменти. Тази фундаментална разлика оказва влияние върху гъвкавостта на дизайна, времето за производство и цената на производствения процес.

1. Предимства на 3D принтирането: преодоляване на ограниченията на традиционното производство

Най-съществената разлика между 3D принтирането и традиционната CNC обработка е начинът на формиране. Машината с ЦПУ изисква продължителна настройка и програмиране за всеки нов детайл, което може да отнеме много време и да е по-малко ефективно за производство на малки партиди. CNC обработката е за получаване на части чрез рязане на материали и категоризирането им като субтрактивен производствен процес, докато 3D принтирането изгражда продукти чрез подреждане на материали слой по слой. Тази разлика дава на 3D принтирането няколко уникални предимства:

(1) Геометричните фигури имат повече степени на свобода

Инструментите и приспособленията, ограничаването на обработката с ЦПУ и сложните кухи, мрежести, бионични структури или проекти за топологична оптимизация не могат да бъдат обработени бързо. 3D принтирането не се влияе от традиционните инструменти. Той може директно да произвежда изключително сложни части, като например вътрешни канали, структури от пчелна пита и т.н., което е от решаващо значение за космическата индустрия, медицинските изделия, олекотения дизайн на автомобилите и други отрасли.

(2) Бързо създаване на прототипи

Традиционната обработка с ЦПУ изисква програмиране, избор на инструменти и фиксиран детайл, докато 3D принтирането изисква само импортиране на CAD модели за принтиране и оформяне без сложно програмиране и проектиране на приспособления. Това води до значително по-кратки цикли на разработване на продукти и е подходящо за бързо прототипиране, което помага на компаниите да валидират по-бързо проектите.

(3) Намаляване на материалните отпадъци

Обработката с ЦПУ е производствен процес с намалено количество материали, при който се генерират много отпадъци по време на процеса на рязане. В същото време 3D принтирането е адитивно производство, при което се използват само необходимите материали за изграждане, като по този начин се намалява количеството на материалните отпадъци. При обработката на материали с най-висока стойност (като титанова сплав, платина и неръждаема стомана) предимствата на 3D принтирането са по-изразени, което спомага за намаляване на производствените разходи.

(4) Персонализиране и персонализирано производство

3D принтирането е особено подходящо за производство на малки партиди и персонализирано персонализиране, като например медицински импланти, стоматологични ортези, произведения на изкуството, специални инструменти и др. За разлика от тях обработката с ЦПУ е по-скъпа за производство на малки партиди, особено когато се изискват сложни приспособления или специални инструменти.

2. Предимства на традиционната CNC обработка: точност и гаранция за масово производство

Въпреки че 3D принтирането има много уникални предимства, традиционната обработка с ЦПУ остава доминираща, особено при високопрецизното производство с големи обеми. Конвенционалните производствени процеси, включително обработката с ЦПУ, са от съществено значение за постигане на висока точност и ефективност в широкомащабното производство. Този процес предлага значителна гъвкавост при проектирането и може да произвежда сложни дизайни, които биха били предизвикателство или невъзможни с традиционните производствени техники. Основните му предимства включват:

(1) По-висока точност на обработка

Понастоящем точността на обработка при 3D принтиране обикновено е около ±0,1 мм, докато CNC обработката може да постигне ±0,005 мм или дори по-висока точност. Обработката с ЦПУ все още е незаменима за частите, които изискват висока точност (като матрици, авиационни части и прецизни машини).

(2) По-добро качество на повърхността

Повърхността на 3D отпечатаните части обикновено има очевидна ламинация, която изисква допълнителни процеси на последваща обработка, като например шлайфане, полиране, пръскане и т.н., а обработката с ЦПУ може директно да получи висококачествена гладка повърхност, която е от решаващо значение за уплътнителната повърхност, повърхността за напасване, функционалната повърхност и т.н.

(3) Подходящ за масово производство

Обработката с ЦПУ е по-подходяща за производство на големи обеми поради предвидимия и повтарящ се процес на рязане. В същото време 3D принтирането обикновено е по-подходящо за производство на малки партиди или единични бройки поради по-бавната си скорост на формоване.

(4) По-широка адаптивност на материалите

CNC обработката може да обработва почти всички твърди материали, като алуминиева сплав, неръждаема стомана, мед, титанова сплав, инженерни пластмаси, композитни материали и др. В същото време 3D принтирането все още е изправено пред проблема с високата цена и ограничените видове материали при принтирането на метали.

3. Възможности за избор на материал и механични свойства

Както адитивното производство, така и обработката с ЦПУ предлагат различни варианти на материали, включително метали, пластмаси и композитни материали. Механичните свойства на материалите, използвани в тези процеси, обаче могат да се различават значително. Адитивното производство се отличава с това, че произвежда детайли със сложни вътрешни структури и геометрии, които могат да подобрят механичните свойства на материала. Например частите, създадени с помощта на 3D принтиране чрез лазерно сливане на прахове (LPBF), могат да постигнат по-висока плътност и намален риск от вътрешни кухини, което води до по-добри механични свойства. Обратно, обработката с ЦПУ може да създаде части с изключителна прецизност и точност, но процесът на рязане може да повлияе на механичните свойства на материала. Разбирането на тези разлики е от решаващо значение за избора на подходящия производствен метод за конкретни приложения.

4. Ефективност на разходите и срокове за изпълнение

Икономическата ефективност и сроковете за изпълнение на адитивното производство и обработката с ЦПУ зависят от приложението и обема на производството. Традиционните производствени процеси обикновено се ползват с икономии от мащаба, което ги прави по-рентабилни за производство на големи обеми от 3D принтирането. За разлика от тях адитивното производство често е по-икономично за производство на малки серии и създаване на прототипи, тъй като премахва необходимостта от специализирани инструменти и форми. Това предимство го прави идеално за бързо създаване на прототипи и персонализирано производство в малки обеми. Въпреки това обработката с ЦПУ може да бъде по-рентабилна за производство на големи обеми поради гореспоменатите икономии от мащаба. Що се отнася до сроковете за изпълнение, адитивното производство обикновено предлага по-бърз срок на изпълнение за производство на малки партиди, с минимално време за настройка и без необходимост от специални инструменти. Обратно, обработката с ЦПУ може да бъде оптимизирана за високоскоростно производство, което води до по-бърз резултат при големи производствени серии.

5. Въздействие върху околната среда и устойчивост

Както адитивното производство, така и обработката с ЦПУ имат различни въздействия върху околната среда и съображения за устойчивост. Адитивното производство може значително да намали потреблението на отпадъчни материали и енергия, като произвежда части в една стъпка, без да изисква специализирани инструменти или форми. Тази ефективност може да доведе до по-устойчив производствен процес. Въпреки това производството на машини за адитивно производство и енергията, необходима за работата им, могат да имат забележимо въздействие върху околната среда. Обработката с ЦПУ също може да бъде оптимизирана за устойчивост, като в същото време генерира значителен отпадък от материали и потребление на енергия, особено при производство в големи обеми. CNC обработката може да допринесе за по-устойчиви производствени практики чрез използване на рециклирани материали и минимизиране на отпадъците. Разбирането на екологичните последици от всеки метод е от съществено значение за вземането на информирани решения в производствената индустрия.

6. 3D принтиране на метали и неговите приложения

Металното 3D принтиране прави революция в производствената индустрия, като предлага възможности, които не могат да бъдат сравнени с традиционните методи на производство. Едно от най-ярките предимства на металния 3D печат е способността му да произвежда сложни геометрии и комплексни структури, които често е невъзможно да се постигнат с традиционните производствени техники. Това го прави идеално решение за аерокосмическата, автомобилната и здравната индустрия, където търсенето на сложни и високопроизводителни части непрекъснато нараства.

В аерокосмическата индустрия 3D печатът на метали създава компоненти като двигатели и спътници, които изискват изключителна здравина и издръжливост. Процесът на конструиране на 3D принтирането "слой по слой" позволява създаването на сложни вътрешни структури, което подобрява механичните свойства на крайния продукт. Това води до части, които са не само здрави, но и леки, което е от решаващо значение за аерокосмическите приложения.

3D принтирането на метали е от значителна полза и за автомобилната индустрия. Сложни компоненти, като например части на двигатели и скоростни кутии, могат да се произвеждат с повишена здравина и издръжливост. Създаването на персонализирани, високоефективни части при поискване намалява необходимостта от големи запаси и свежда до минимум отпадъчните материали, което прави производството по-ефективно и рентабилно.

В здравеопазването 3D печатът на метали променя производството на персонализирани импланти и протези. Технологията позволява създаването на специфични за пациента импланти със сложна геометрия, която напълно съответства на анатомията на пациента. Това ниво на персонализация подобрява прилягането и функционирането на медицинските изделия, което води до по-добри резултати за пациентите.

3D принтирането на метали предлага многобройни технически и икономически предимства в сравнение с традиционните производствени методи. Той дава възможност за производство на малки партиди, което намалява необходимостта от големи запаси и свежда до минимум отпадъчните материали. Това го прави атрактивно решение за индустрии с ниски производствени обеми, но с висока степен на сложност и персонализация.

7. Избор на правилния метод на производство

Подходящият производствен метод е от решаващо значение за оптимизиране на ефективността на производството, разходите и качеството на продукта. Няколко ключови фактора оказват влияние върху избора между традиционните методи, като CNC обработка и шприцване, и адитивните методи, като 3D принтиране.

Обем на производството: Традиционните производствени методи, като обработката с ЦПУ и леенето под налягане, често са по-рентабилни за производство на големи обеми. Тези методи се възползват от икономиите от мащаба, което ги прави идеални за масово производство. Въпреки товаадитивното производство може да бъде по-подходящо за производство на малки обеми или за създаване на прототипи за производство на малки обеми или за създаване на прототипи. Триизмерното принтиране елиминира необходимостта от специализирани инструменти и матрици, което намалява времето за настройка и разходите.

Сложност и персонализация: Ако продуктът изисква сложна геометрия и сложни вътрешни структури, се предпочита адитивното производство. Триизмерното принтиране се отличава с производството на изключително сложни части и персонализация, които често са предизвикателство или невъзможни за постигане с традиционните производствени техники. От друга страна, ако продуктът изисква висока прецизност и точност, по-подходящи са конвенционалните производствени методи като CNC обработка. Машините с ЦПУ могат да постигнат изключителна прецизност, което ги прави идеални за части, които изискват тесни допуски.

Разходи: Макар че адитивното производство може да бъде скъпо, особено при 3D принтирането на метали, то предлага икономии на разходи по отношение на намаленото потребление на отпадъчни материали и енергия. Традиционните производствени методи може да имат по-високи първоначални разходи за създаване поради необходимостта от специализирани инструменти и форми, но те могат да бъдат по-икономични за производство на големи обеми. При избора на производствен метод е важно да се вземат предвид общите разходи за производство, включително разходите за материали, труд и последваща обработка.

В заключение, правилният метод на производство зависи от специфичните изисквания към продукта, включително обема на производството, сложността, персонализацията и разходите. Производителите могат да изберат най-подходящия метод за постигане на оптимални резултати, като внимателно оценят тези фактори.

8. Как 3D принтирането влияе на CNC обработката?

Въпреки че 3D принтирането не може да замени изцяло обработката с ЦПУ, то е повлияло на начина на приложение на обработката с ЦПУ по няколко начина. Въпреки че 3D принтирането не може да замени изцяло традиционното производство, то предлага няколко уникални предимства, които го правят ценно допълнение към производствения пейзаж.

(1) Хибридно производство

• Понастоящем много производствени компании прилагат хибриден производствен метод на 3D печат + CNC обработка, т.е:

• Първите използват 3D печат за производство на сложна инфраструктура, като спестяват материали и време за обработка;

• И след това чрез CNC обработка за високопрецизна повърхностна обработка, за да се гарантира качеството и толерантността на крайния продукт.

• Този метод е много ценен в авиацията, медицината, производството на форми и други области. Например чрез 3D принтиране първо могат да се изработят заготовки за авиационни части от титаниева сплав, а след това с CNC могат да се обработят ключови повърхности, за да се гарантира точността.

(2) 3D печат с помощта на CNC обработка

• С 3D принтиране могат да се изработват приспособления, приспособления и инструменти по поръчка, което значително намалява времето за изпълнение на обработката с ЦПУ. Например:

• Приспособление за печат: използва се за фиксиране на части с уникална форма и за подобряване на стабилността на обработката.

• Отпечатване на дръжката или опорната конструкция: Повишаване на твърдостта при обработка на композитни материали.

• Охлаждащи канали за печат: За оптимизиране на потока на режещата течност и увеличаване на живота на инструмента.

(3) Оптимизиране на производствения процес и намаляване на разходите

3D принтирането може директно да произвежда функционални прототипи, да намали загубите от тестови изрязвания с ЦПУ и да подобри ефективността на производството. Много компании са възприели 3D принтирането за производство на матрици, леярски модели и прототипи, като ги комбинират с CNC обработка за довършителни работи, за да намалят производствените разходи.

9. Тенденция за бъдещо развитие: интегриране на 3D принтиране и CNC

С развитието на технологиите комбинацията от 3D принтиране и CNC обработка ще става все по-близка, а възможните бъдещи тенденции включват:

Поради своята рентабилност и ефективност традиционните производствени процеси, като например обработката с ЦПУ и леенето под налягане, често са по-подходящи за производство на големи обеми.

По-модерно хибридно производствено оборудване: В бъдеще може да се появят интегрирани обработващи центрове, които да обединяват 3D принтиране и CNC обработка, като могат да извършват целия производствен процес на едно и също устройство.

По-широка приложимост на материалите: Разработват се нови технологии за 3D принтиране на метали (като лазерно топене и топене с електронен лъч), които допълнително разширяват областта на приложение.

По-висока интелигентност и автоматизация: Развитието на изкуствения интелект, роботите и интелигентните фабрики ще позволи на 3D принтирането и CNC обработката да постигнат по-висока степен на автоматизация и да оптимизират ефективността на производството.

10. Заключение: 3D принтирането и CNC обработката се допълват, а не се заменят

3D принтирането и обработката с ЦПУ не са противоположни технологии, а допълващи се производствени методи. За масовото производство с висока точност обработката с ЦПУ все още е незаменима; за сложни структури, персонализиране на малки партиди и бързо разработване на прототипи 3D принтирането има очевидни предимства. Въпреки че адитивното производство се отличава с производството на сложни геометрии, традиционните процеси като CNC обработката предлагат несравнима прецизност и гъвкавост на материалите.