S neustálým rozvojem výrobních technologií spolupracují aditivní výroba, běžně známá jako 3D tisk, a tradiční výrobní procesy, jako je numerické řízení obrábění (CNC) a výroba se sníženým obsahem materiálu, na podpoře rozvoje výroby. Přestože 3D tisk nemůže zcela nahradit CNC obrábění, ovlivňuje tradiční výrobní metody několika způsoby. V tomto článku se ponoříme do výhod a omezení 3D tisku, vysvětlíme, jak mění model použití CNC obrábění, a zanalyzujeme budoucí výrobní trendy.

Úvod do aditivní výroby a CNC obrábění

Aditivní výroba, běžně známá jako 3D tisk, je revoluční proces, který vytváří trojrozměrné objekty přidáváním materiálu vrstvu po vrstvě. Tato inovativní technologie změnila výrobní průmysl tím, že nabízí bezkonkurenční flexibilitu designu, zkrácení výrobních časů a zvýšení efektivity. Naproti tomu obrábění pomocí CNC (Computer Numerical Control) je tradiční výrobní metoda, která využívá automatizované frézy k odebírání materiálu z obrobku. Obrábění CNC je proslulé svou vysokou přesností a precizností, díky čemuž se stalo základem výrobního průmyslu. V tomto článku se budeme zabývat hlavními rozdíly mezi aditivní výrobou a CNC obráběním, probereme požadavky na nastavení a programování CNC stroje a prozkoumáme jejich použití, výhody a omezení.

Hlavní rozdíly mezi 3D tiskem a CNC obráběním

Aditivní výroba a CNC obrábění jsou dva odlišné výrobní procesy, z nichž každý má svůj jedinečný přístup k výrobě dílů. Zatímco CNC stroj vyžaduje podrobné programování a nastavení pro každou sérii, 3D tisk může zahájit výrobu s minimální přípravou, což je efektivnější pro malé objemy. Hlavní rozdíl spočívá ve způsobu zpracování materiálu. Aditivní výroba konstruuje díly přidáváním materiálu vrstvu po vrstvě, což umožňuje vytvářet složité geometrie a vnitřní struktury bez nutnosti specializovaných nástrojů nebo forem. Tento proces nabízí značnou konstrukční flexibilitu a umožňuje vytvářet složité konstrukce, které by při použití tradičních metod byly náročné nebo nemožné. Naproti tomu CNC obrábění odebírá materiál z obrobku pomocí řezných nástrojů, což může omezit složitost konstrukce dílu a vyžaduje použití specializovaných řezných nástrojů. Tento zásadní rozdíl ovlivňuje flexibilitu návrhu, výrobní čas a náklady na výrobní proces.

1. Výhody 3D tisku: překonání omezení tradiční výroby

Nejvýznamnější rozdíl mezi 3D tiskem a tradičním CNC obráběním spočívá ve způsobu tvarování. CNC stroj vyžaduje rozsáhlé nastavení a programování pro každý nový díl, což může být časově náročné a méně efektivní pro malosériovou výrobu. CNC obrábění má za úkol získat díly řezáním materiálů a jejich kategorizací jako subtraktivní výrobní proces, zatímco 3D tisk vytváří výrobky skládáním materiálů vrstvu po vrstvě. Tento rozdíl dává 3D tisku několik jedinečných výhod:

(1) Geometrické tvary mají vyšší stupně volnosti.

Nástroje a přípravky, omezující CNC obrábění a složité duté, síťové, bionické struktury nebo návrhy topologické optimalizace nelze zpracovat rychle. Na 3D tisk nemají tradiční nástroje vliv. Lze jím přímo vyrábět velmi složité díly, jako jsou vnitřní kanály, voštinové struktury atd. což je klíčové pro letecký průmysl, zdravotnické přístroje, lehké konstrukce automobilů a další odvětví.

(2) Rychlé prototypování

Tradiční CNC obrábění vyžaduje programování, výběr nástrojů a pevný obrobek, zatímco 3D tisk vyžaduje pouze import modelů CAD pro tisk a tvarování bez složitého programování a návrhu přípravků. To vede k podstatně kratším cyklům vývoje výrobků a je to vhodné pro rychlé prototypování, které pomáhá firmám rychleji ověřovat návrhy.

(3) Snížení materiálového odpadu

CNC obrábění je výrobní proces s omezeným množstvím materiálu, při kterém vzniká velké množství odpadu. 3D tisk je zároveň aditivní výroba, při níž se ke stavbě používají pouze potřebné materiály, čímž se snižuje množství materiálového odpadu. Při zpracování nejhodnotnějších materiálů (jako je slitina titanu, platina a nerezová ocel) jsou výhody 3D tisku výraznější, což pomáhá snižovat výrobní náklady.

(4) Přizpůsobení a personalizovaná výroba

3D tisk je vhodný zejména pro malosériovou výrobu a přizpůsobení na míru, jako jsou lékařské implantáty, zubní ortotika, umělecká díla, speciální nástroje atd. Naproti tomu CNC obrábění je pro malosériovou výrobu dražší, zejména pokud jsou vyžadovány složité přípravky nebo speciální nástroje.

2. Výhody tradičního CNC obrábění: přesnost a záruka hromadné výroby

Ačkoli má 3D tisk mnoho jedinečných výhod, tradiční CNC obrábění zůstává dominantní, zejména v oblasti vysoce přesné velkosériové výroby. Konvenční výrobní procesy, včetně CNC obrábění, jsou nezbytné pro dosažení vysoké přesnosti a efektivity při velkosériové výrobě. Tento proces nabízí značnou konstrukční flexibilitu a dokáže vyrobit složité konstrukce, které by při použití tradičních výrobních postupů byly náročné nebo nemožné. Mezi jeho hlavní výhody patří:

(1) Vyšší přesnost zpracování

V současné době se přesnost zpracování 3D tisku obvykle pohybuje kolem ±0,1 mm, zatímco CNC obráběním lze dosáhnout ±0,005 mm nebo ještě vyšší přesnost. CNC obrábění je stále nenahraditelné u dílů, které vyžadují vysokou přesnost (např. formy, letecké díly a přesné stroje).

(2) Lepší kvalita povrchu

Povrch 3D tištěných dílů má obvykle zjevnou laminaci, která vyžaduje další procesy následného zpracování, jako je broušení, leštění, stříkání atd., a CNC zpracováním lze přímo získat vysoce kvalitní hladký povrch, který je klíčový pro těsnicí povrch, párovací povrch, funkční povrch atd.

(3) Vhodné pro hromadnou výrobu

CNC obrábění je vhodnější pro velkosériovou výrobu díky předvídatelnému a opakovatelnému procesu obrábění. Současně je 3D tisk obecně ideálnější pro malosériovou výrobu nebo výrobu jednotlivých kusů kvůli nižší rychlosti tvarování.

(4) Širší přizpůsobivost materiálu

CNC obráběním lze zpracovávat téměř jakýkoli pevný materiál, například slitinu hliníku, nerezovou ocel, měď, slitinu titanu, technické plasty, kompozitní materiály atd.. Současně se 3D tisk stále potýká s problémem vysokých nákladů a omezených typů materiálů při tisku kovů.

3. Možnosti materiálu a mechanické vlastnosti

Aditivní výroba i CNC obrábění nabízejí různé možnosti materiálů, včetně kovů, plastů a kompozitů. Mechanické vlastnosti materiálů používaných v těchto procesech se však mohou výrazně lišit. Aditivní výroba vyniká při výrobě dílů se složitou vnitřní strukturou a geometrií, což může zlepšit mechanické vlastnosti materiálu. Například díly vytvořené pomocí 3D tisku pomocí laserové práškové fúze (LPBF) mohou dosahovat vyšší hustoty a nižšího rizika vzniku vnitřních dutin, což má za následek lepší mechanické vlastnosti. Naopak CNC obrábění může vytvářet díly s výjimečnou přesností a precizností, ale proces řezání může ovlivnit mechanické vlastnosti materiálu. Pochopení těchto rozdílů je zásadní pro výběr vhodné výrobní metody pro konkrétní aplikace.

4. Efektivita nákladů a dodací lhůty

Nákladová efektivita a dodací lhůty aditivní výroby a CNC obrábění závisí na aplikaci a objemu výroby. Tradiční výrobní procesy obecně těží z úspor z rozsahu, takže jsou pro velkosériovou výrobu nákladově efektivnější než 3D tisk. Naopak aditivní výroba je často ekonomičtější pro malosériovou výrobu a výrobu prototypů, protože eliminuje potřebu specializovaných nástrojů a forem. Díky této výhodě je ideální pro rychlou výrobu prototypů a zakázkovou malosériovou výrobu. CNC obrábění však může být nákladově efektivnější pro velkosériovou výrobu díky výše zmíněným úsporám z rozsahu. Co se týče dodacích lhůt, aditivní výroba obvykle nabízí rychlejší realizaci pro malosériovou výrobu, s minimální dobou seřizování a bez nutnosti speciálních nástrojů. Naopak CNC obrábění může být optimalizováno pro vysokorychlostní výrobu, což vede k rychlejšímu výstupu pro velké výrobní série.

5. Dopad na životní prostředí a udržitelnost

Jak aditivní výroba, tak CNC obrábění mají odlišné dopady na životní prostředí a udržitelnost. Aditivní výroba může výrazně snížit spotřebu odpadního materiálu a energie tím, že díly vyrábí v jediném kroku, aniž by vyžadovala specializované nástroje nebo formy. Tato efektivita může vést k udržitelnějšímu výrobnímu procesu. Výroba aditivních výrobních strojů a energie potřebná k jejich provozu však může mít znatelný dopad na životní prostředí. CNC obrábění může být také optimalizováno pro udržitelnost, přičemž vzniká značný odpadní materiál a spotřeba energie, zejména při velkosériové výrobě. CNC obrábění může přispět k udržitelnějším výrobním postupům používáním recyklovaných materiálů a minimalizací odpadu. Pochopení dopadů jednotlivých metod na životní prostředí je nezbytné pro přijímání informovaných rozhodnutí ve výrobním průmyslu.

6. 3D tisk z kovu a jeho aplikace

3D tisk z kovu přináší revoluci ve výrobním průmyslu, protože nabízí možnosti, kterým se tradiční výrobní metody nemohou rovnat. Jednou z výrazných výhod kovového 3D tisku je jeho schopnost vyrábět složité geometrie a komplexní struktury, kterých často nelze dosáhnout tradičními výrobními technikami. Díky tomu je ideálním řešením pro letecký, automobilový a zdravotnický průmysl, kde poptávka po složitých a vysoce výkonných dílech neustále roste.

V letectví a kosmonautice se 3D tiskem z kovu vytvářejí komponenty, jako jsou motory a satelity, které vyžadují výjimečnou pevnost a odolnost. Proces konstrukce 3D tisku po vrstvách umožňuje vytvářet složité vnitřní struktury, což zlepšuje mechanické vlastnosti konečného výrobku. Výsledkem jsou díly, které jsou nejen pevné, ale také lehké, což je pro letecké a kosmické aplikace klíčové.

3D tisk kovů je také významným přínosem pro automobilový průmysl. Složité součásti, jako jsou díly motorů a převodovek, lze vyrábět se zvýšenou pevností a odolností. Vytváření zakázkových, vysoce výkonných dílů na zakázku snižuje potřebu rozsáhlých zásob a minimalizuje množství odpadního materiálu, čímž se výroba stává efektivnější a nákladově efektivnější.

Ve zdravotnictví mění 3D tisk kovů výrobu implantátů a protéz na míru. Tato technologie umožňuje vytvářet implantáty na míru pacientovi se složitou geometrií, která dokonale odpovídá anatomii pacienta. Tato úroveň přizpůsobení zlepšuje přizpůsobení a funkci zdravotnických prostředků, což vede k lepším výsledkům u pacientů.

3D tisk z kovu nabízí oproti tradičním výrobním metodám řadu technických a ekonomických výhod. Umožňuje výrobu malých sérií, což snižuje potřebu rozsáhlých zásob a minimalizuje množství odpadního materiálu. To z něj činí atraktivní řešení pro odvětví s malými objemy výroby, ale vysokou složitostí a přizpůsobivostí.

7. Výběr správné výrobní metody

Vhodná výrobní metoda je rozhodující pro optimalizaci efektivity výroby, nákladů a kvality výrobků. Volbu mezi tradičními metodami, jako je CNC obrábění a vstřikování, a aditivními metodami, jako je 3D tisk, ovlivňuje několik klíčových faktorů.

Objem výroby: Tradiční výrobní metody, jako je CNC obrábění a vstřikování, jsou pro velkosériovou výrobu často nákladově efektivnější. Tyto metody těží z úspor z rozsahu, takže jsou ideální pro hromadnou výrobu. Nicméněaditivní výroba může být vhodnější pro malosériovou výrobu nebo výrobu prototypů pro malosériovou výrobu nebo výrobu prototypů. 3D tisk eliminuje potřebu specializovaných nástrojů a forem, čímž se zkracuje doba seřizování a snižují náklady.

Složitost a přizpůsobení: Pokud výrobek vyžaduje složitou geometrii a komplikované vnitřní struktury, je vhodnější aditivní výroba. 3D tisk vyniká při výrobě velmi složitých dílů a přizpůsobení, které je často náročné nebo nemožné dosáhnout tradičními výrobními technikami. Na druhou stranu, pokud výrobek vyžaduje vysokou přesnost a preciznost, jsou vhodnější konvenční výrobní metody, jako je CNC obrábění. CNC stroje mohou dosáhnout výjimečné přesnosti, takže jsou ideální pro díly, které vyžadují přísné tolerance.

Náklady: Ačkoli aditivní výroba může být drahá, zejména v případě 3D tisku kovů, nabízí úspory nákladů, pokud jde o snížení množství odpadního materiálu a spotřeby energie. Tradiční výrobní metody mohou mít vyšší počáteční zřizovací náklady kvůli potřebě specializovaných nástrojů a forem, ale pro velkosériovou výrobu mohou být ekonomičtější. Při výběru výrobní metody je nezbytné zvážit celkové náklady na výrobu, včetně nákladů na materiál, práci a následné zpracování.

Závěrem lze říci, že správná výrobní metoda závisí na konkrétních požadavcích na výrobek, včetně objemu výroby, složitosti, přizpůsobení a nákladů. Výrobci mohou pečlivým vyhodnocením těchto faktorů zvolit nejvhodnější metodu k dosažení optimálních výsledků.

8. Jak 3D tisk ovlivňuje CNC obrábění?

Přestože 3D tisk nemůže zcela nahradit CNC obrábění, ovlivnil způsob použití CNC obrábění v několika ohledech. Přestože 3D tisk nemůže zcela nahradit tradiční výrobu, nabízí několik jedinečných výhod, které z něj činí cenný doplněk výrobního prostředí.

(1) Hybridní výroba

• V současné době mnoho výrobních společností používá hybridní výrobní metodu 3D tisku + CNC obrábění, tj:

• Nejprve využijte 3D tisk k výrobě složité infrastruktury, čímž ušetříte materiály a čas na zpracování;

• Poté se provádí CNC obrábění pro vysoce přesnou povrchovou úpravu, aby se zajistila kvalita a tolerance konečného výrobku.

• Tato metoda je velmi cenná v letectví, lékařství, při výrobě forem a v dalších oborech. Pomocí 3D tisku lze například nejprve vyrobit polotovary leteckých dílů z titanové slitiny a následně pomocí CNC obrábět klíčové povrchy, aby byla zajištěna přesnost.

(2) 3D tisk s asistencí CNC obrábění

• 3D tiskem lze vyrábět vlastní přípravky, přípravky a nástroje, což výrazně zkracuje dobu potřebnou pro CNC obrábění. Například:

• Tiskové přípravky: slouží k upevnění dílů jedinečného tvaru a ke zlepšení stability zpracování.

• Tisk dříku nebo nosné konstrukce: Zvýšení tuhosti při zpracování kompozitů.

• Chladicí kanály pro tisk: Pro optimalizaci průtoku řezné kapaliny a zvýšení životnosti nástroje.

(3) Optimalizace výrobního procesu a snížení nákladů

3D tiskem lze přímo vyrábět funkční prototypy, omezit plýtvání zkušebními řezy CNC a zvýšit efektivitu výroby. Mnoho společností využívá 3D tisk k výrobě forem, odlévaných modelů a prototypů a kombinuje je s CNC obráběním pro dokončovací práce, aby snížily výrobní náklady.

9. Budoucí vývojový trend: integrace 3D tisku a CNC

S rozvojem technologií bude kombinace 3D tisku a CNC obrábění stále těsnější a možné budoucí trendy zahrnují:

Tradiční výrobní postupy, jako je CNC obrábění a vstřikování, jsou díky své hospodárnosti a efektivitě často vhodnější pro velkosériovou výrobu.

Pokročilejší hybridní výrobní zařízení: V budoucnu se možná dočkáme integrovaných obráběcích center, která budou integrovat 3D tisk a CNC obrábění a budou schopna dokončit celý výrobní proces na stejném zařízení.

Širší použitelnost materiálu: Vyvíjejí se nové technologie 3D tisku kovů (např. tavení laserem a tavení elektronovým paprskem), které dále rozšiřují oblast použití.

Vyšší inteligence a automatizace: Vývoj umělé inteligence, robotů a inteligentních továren umožní 3D tisku a CNC obrábění dosáhnout vyššího stupně automatizace a optimalizovat efektivitu výroby.

10. Závěr: 3D tisk a CNC obrábění se vzájemně doplňují, nikoliv nahrazují.

3D tisk a CNC obrábění nejsou protichůdné technologie, ale vzájemně se doplňující výrobní metody. Pro vysoce přesnou sériovou výrobu je CNC obrábění stále nenahraditelné; pro složité struktury, drobné sériové úpravy a rychlý vývoj prototypů má 3D tisk zjevné výhody. Zatímco aditivní výroba vyniká při výrobě složitých geometrií, tradiční postupy, jako je CNC obrábění, nabízejí bezkonkurenční přesnost a materiálovou univerzálnost.