Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Fertigungstechnologie arbeiten die additive Fertigung, allgemein bekannt als 3D-Druck, und traditionelle Fertigungsverfahren wie die numerisch gesteuerte Bearbeitung (CNC) und die materialreduzierte Fertigung zusammen, um die Entwicklung der Fertigung zu fördern. Obwohl der 3D-Druck die CNC-Bearbeitung nicht vollständig ersetzen kann, beeinflusst er die traditionellen Fertigungsverfahren in mehrfacher Hinsicht. Dieser Artikel befasst sich mit den Vorteilen und Grenzen des 3D-Drucks, erklärt, wie er das Anwendungsmodell der CNC-Bearbeitung verändert, und analysiert die Zukunft der Fertigungstrends.

Einführung in die Additive Fertigung und CNC-Bearbeitung

Additive Fertigung, allgemein bekannt als 3D-Druck, ist ein revolutionäres Verfahren, bei dem dreidimensionale Objekte durch schichtweises Auftragen von Material entstehen. Diese innovative Technologie hat die Fertigungsindustrie verändert, da sie eine unvergleichliche Designflexibilität, kürzere Produktionszeiten und eine höhere Effizienz bietet. Die CNC-Bearbeitung (Computer Numerical Control) hingegen ist ein traditionelles Fertigungsverfahren, bei dem automatisierte Fräser eingesetzt werden, um Material von einem Werkstück zu entfernen. Die CNC-Bearbeitung ist für ihre hohe Präzision und Genauigkeit bekannt und hat sich daher in der Fertigungsindustrie etabliert. In diesem Artikel werden wir die wichtigsten Unterschiede zwischen der additiven Fertigung und der CNC-Bearbeitung untersuchen, die Anforderungen an die Einrichtung und Programmierung einer CNC-Maschine erörtern und ihre Anwendungen, Vorteile und Grenzen untersuchen.

Hauptunterschiede zwischen 3D-Druck und CNC-Bearbeitung

Die additive Fertigung und die CNC-Bearbeitung sind zwei unterschiedliche Fertigungsverfahren, die jeweils ihren eigenen Ansatz für die Herstellung von Teilen haben. Während eine CNC-Maschine eine detaillierte Programmierung und Einrichtung für jede Charge erfordert, kann der 3D-Druck die Produktion mit minimaler Vorbereitung starten, was ihn für kleine Mengen effizienter macht. Der Hauptunterschied besteht darin, wie das Material verarbeitet wird. Bei der additiven Fertigung werden die Teile durch schichtweises Auftragen von Material hergestellt, wodurch komplexe Geometrien und innere Strukturen ohne spezielle Werkzeuge oder Formen erzeugt werden können. Dieses Verfahren bietet eine große Designflexibilität und ermöglicht die Herstellung komplizierter Designs, die mit herkömmlichen Methoden schwierig oder unmöglich wären. Im Gegensatz dazu wird bei der CNC-Bearbeitung mit Hilfe von Schneidwerkzeugen Material von einem Werkstück abgetragen, was die Komplexität des Teiledesigns einschränken kann und den Einsatz von speziellen Schneidwerkzeugen erforderlich macht. Dieser grundlegende Unterschied wirkt sich auf die Designflexibilität, die Produktionszeit und die Kosten des Fertigungsprozesses aus.

1. Vorteile des 3D-Drucks: Überwindung der Grenzen der traditionellen Fertigung

Der wichtigste Unterschied zwischen dem 3D-Druck und der herkömmlichen CNC-Bearbeitung ist die Art der Formgebung. Eine CNC-Maschine muss für jedes neue Teil aufwändig eingerichtet und programmiert werden, was zeitaufwändig und für die Kleinserienfertigung weniger effizient sein kann. Bei der CNC-Bearbeitung werden die Teile durch Schneiden von Materialien hergestellt und als subtraktives Fertigungsverfahren kategorisiert, während beim 3D-Druck Produkte durch schichtweises Auftragen von Materialien entstehen. Dieser Unterschied verleiht dem 3D-Druck mehrere einzigartige Vorteile:

(1) Geometrische Formen haben mehr Freiheitsgrade

Werkzeuge und Vorrichtungen, die CNC-Bearbeitung und komplexe hohle, netzartige, bionische Strukturen oder topologisch optimierte Designs können nicht schnell bearbeitet werden. Der 3D-Druck wird durch herkömmliche Werkzeuge nicht beeinträchtigt. Er kann hochkomplexe Teile wie Innenkanäle, Wabenstrukturen usw. direkt herstellen, was für die Luft- und Raumfahrt, medizinische Geräte, den Leichtbau in der Automobilindustrie und andere Branchen entscheidend ist.

(2) Schnelles Prototyping

Die herkömmliche CNC-Bearbeitung erfordert Programmierung, Werkzeugauswahl und ein festes Werkstück, während beim 3D-Druck lediglich CAD-Modelle importiert werden müssen, um sie zu drucken und zu formen, ohne dass eine komplexe Programmierung und Vorrichtungskonstruktion erforderlich ist. Dies führt zu deutlich kürzeren Produktentwicklungszyklen und eignet sich für das Rapid Prototyping, das Unternehmen hilft, Entwürfe schneller zu validieren.

(3) Reduzierung von Materialabfällen

Die CNC-Bearbeitung ist ein materialreduziertes Fertigungsverfahren, bei dem während des Schneidens viel Ausschuss anfällt. Gleichzeitig handelt es sich beim 3D-Druck um eine additive Fertigung, bei der nur die benötigten Materialien verwendet werden, wodurch der Materialabfall reduziert wird. Bei der Verarbeitung der hochwertigsten Materialien (z. B. Titanlegierungen, Platin und Edelstahl) sind die Vorteile des 3D-Drucks noch ausgeprägter und tragen zur Senkung der Produktionskosten bei.

(4) Personalisierung und personalisierte Fertigung

Der 3D-Druck eignet sich besonders für Kleinserien und kundenspezifische Anpassungen, z. B. für medizinische Implantate, zahnmedizinische Orthesen, Kunstwerke, Spezialwerkzeuge usw. Im Gegensatz dazu ist die CNC-Bearbeitung für die Kleinserienfertigung teurer, insbesondere wenn komplexe Vorrichtungen oder Spezialwerkzeuge erforderlich sind.

2. Vorteile der traditionellen CNC-Bearbeitung: Genauigkeit und Garantie der Massenproduktion

Obwohl der 3D-Druck viele einzigartige Vorteile bietet, ist die traditionelle CNC-Bearbeitung nach wie vor vorherrschend, insbesondere in der Hochpräzisions- und Großserienfertigung. Konventionelle Fertigungsverfahren, einschließlich der CNC-Bearbeitung, sind für die Erzielung hoher Präzision und Effizienz in der Großserienproduktion unerlässlich. Dieses Verfahren bietet eine beträchtliche Designflexibilität und ermöglicht die Herstellung komplizierter Designs, die mit herkömmlichen Fertigungstechniken schwierig oder unmöglich wären. Zu seinen wichtigsten Vorteilen gehören:

(1) Höhere Verarbeitungsgenauigkeit

Derzeit liegt die Verarbeitungsgenauigkeit beim 3D-Druck in der Regel bei ±0,1mmwährend die CNC-Bearbeitung eine ±0,005 mm oder noch höhere Genauigkeit. Die CNC-Bearbeitung ist nach wie vor unersetzlich für Teile, die eine hohe Präzision erfordern (z. B. Gussformen, Flugzeugteile und Präzisionsmaschinen).

(2) Bessere Oberflächenqualität

Die Oberfläche von 3D-gedruckten Teilen weist in der Regel eine offensichtliche Laminierung auf, die zusätzliche Nachbearbeitungsprozesse wie Schleifen, Polieren, Sprühen usw. erfordert. Durch die CNC-Bearbeitung kann direkt eine hochwertige glatte Oberfläche erzielt werden, die für die Dichtungsfläche, die Passfläche, die Funktionsfläche usw. entscheidend ist.

(3) Geeignet für die Massenproduktion

Die CNC-Bearbeitung ist aufgrund ihres vorhersehbaren und wiederholbaren Schneidprozesses besser für die Großserienproduktion geeignet. Gleichzeitig ist der 3D-Druck aufgrund seiner langsameren Formgebungsgeschwindigkeit eher für Kleinserien oder Einzelstücke geeignet.

(4) Größere Anpassungsfähigkeit der Materialien

Die CNC-Bearbeitung kann fast alle festen Werkstoffe wie Aluminiumlegierungen, rostfreien Stahl, Kupfer, Titanlegierungen, technische Kunststoffe, Verbundwerkstoffe usw. bearbeiten. Gleichzeitig steht der 3D-Druck immer noch vor dem Problem der hohen Kosten und der begrenzten Materialarten im Metalldruck.

3. Materialoptionen und mechanische Eigenschaften

Sowohl die additive Fertigung als auch die CNC-Bearbeitung bieten verschiedene Materialoptionen, darunter Metalle, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe. Die mechanischen Eigenschaften der bei diesen Verfahren verwendeten Materialien können sich jedoch erheblich unterscheiden. Die additive Fertigung zeichnet sich durch die Herstellung von Teilen mit komplexen inneren Strukturen und Geometrien aus, die die mechanischen Eigenschaften des Materials verbessern können. So können beispielsweise Teile, die mit dem 3D-Druckverfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF) hergestellt werden, eine höhere Dichte und ein geringeres Risiko von inneren Hohlräumen aufweisen, was zu besseren mechanischen Eigenschaften führt. Umgekehrt können mit der CNC-Bearbeitung Teile mit außergewöhnlicher Präzision und Genauigkeit hergestellt werden, aber das Schneidverfahren kann die mechanischen Eigenschaften des Materials beeinflussen. Das Verständnis dieser Unterschiede ist entscheidend für die Auswahl des geeigneten Fertigungsverfahrens für bestimmte Anwendungen.

4. Kosteneffizienz und Vorlaufzeiten

Die Kosteneffizienz und die Vorlaufzeiten der additiven Fertigung und der CNC-Bearbeitung hängen von der Anwendung und dem Produktionsvolumen ab. Herkömmliche Fertigungsverfahren profitieren im Allgemeinen von Skaleneffekten und sind daher für die Großserienproduktion kostengünstiger als der 3D-Druck. Im Gegensatz dazu ist die additive Fertigung für Kleinserien und Prototypen oft wirtschaftlicher, da keine speziellen Werkzeuge und Formen benötigt werden. Dieser Vorteil macht sie ideal für das Rapid Prototyping und die kundenspezifische Kleinserienfertigung. Für die Großserienproduktion kann die CNC-Bearbeitung jedoch aufgrund der bereits erwähnten Größenvorteile kosteneffizienter sein. Was die Vorlaufzeiten betrifft, so bietet die additive Fertigung in der Regel eine schnellere Durchlaufzeit für die Kleinserienproduktion, mit minimaler Einrichtungszeit und ohne spezielle Werkzeuge. Umgekehrt kann die CNC-Bearbeitung für die Hochgeschwindigkeitsproduktion optimiert werden, was zu einem schnelleren Output bei großen Produktionsläufen führt.

5. Umweltauswirkungen und Nachhaltigkeit

Sowohl die additive Fertigung als auch die CNC-Bearbeitung haben unterschiedliche Umweltauswirkungen und Nachhaltigkeitsaspekte. Die additive Fertigung kann den Materialabfall und den Energieverbrauch erheblich reduzieren, da die Teile in einem einzigen Schritt hergestellt werden, ohne dass spezielle Werkzeuge oder Formen erforderlich sind. Diese Effizienz kann zu einem nachhaltigeren Fertigungsprozess führen. Allerdings können die Herstellung von Maschinen für die additive Fertigung und die für ihren Betrieb benötigte Energie erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt haben. Auch die CNC-Bearbeitung kann im Hinblick auf die Nachhaltigkeit optimiert werden, obwohl sie, insbesondere bei der Produktion von Großserien, erhebliche Mengen an Abfallmaterial und Energie verbraucht. Die CNC-Bearbeitung kann zu nachhaltigeren Fertigungsverfahren beitragen, indem sie recycelte Materialien verwendet und den Abfall minimiert. Um fundierte Entscheidungen in der Fertigungsindustrie treffen zu können, ist es wichtig, die Umweltauswirkungen der einzelnen Verfahren zu verstehen.

6. 3D-Druck von Metall und seine Anwendungen

Der 3D-Metalldruck revolutioniert die Fertigungsindustrie, da er Möglichkeiten bietet, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nicht erreicht werden können. Einer der herausragenden Vorteile des Metall-3D-Drucks ist seine Fähigkeit, komplizierte Geometrien und komplexe Strukturen zu produzieren, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren oft nicht zu erreichen sind. Dies macht ihn zu einer idealen Lösung für die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und das Gesundheitswesen, wo die Nachfrage nach komplexen und leistungsstarken Teilen immer weiter steigt.

In der Luft- und Raumfahrt werden mit Hilfe des 3D-Drucks von Metallen Komponenten wie Triebwerke und Satelliten hergestellt, die eine außergewöhnliche Festigkeit und Haltbarkeit erfordern. Der schichtweise Aufbau des 3D-Drucks ermöglicht die Schaffung komplexer interner Strukturen, die die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts verbessern. Das Ergebnis sind Teile, die nicht nur stabil, sondern auch leicht sind, was für Luft- und Raumfahrtanwendungen entscheidend ist.

Der 3D-Druck von Metall ist auch für die Automobilindustrie von großem Nutzen. Komplexe Komponenten wie Motorteile und Getriebe können mit höherer Festigkeit und Haltbarkeit hergestellt werden. Die Herstellung von maßgeschneiderten, leistungsstarken Teilen auf Anfrage reduziert den Bedarf an umfangreichen Lagerbeständen und minimiert den Materialabfall, wodurch die Herstellung effizienter und kostengünstiger wird.

Im Gesundheitswesen verändert der 3D-Metalldruck die Herstellung von maßgeschneiderten Implantaten und Prothesen. Die Technologie ermöglicht die Herstellung von patientenspezifischen Implantaten mit komplexen Geometrien, die perfekt auf die Anatomie des Patienten abgestimmt sind. Dieses Maß an Individualisierung verbessert die Passform und Funktion von Medizinprodukten und führt zu besseren Ergebnissen für den Patienten.

Der 3D-Metalldruck bietet zahlreiche technische und wirtschaftliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Fertigungsmethoden. Er ermöglicht die Produktion kleiner Losgrößen, wodurch der Bedarf an umfangreichen Lagerbeständen verringert und der Materialabfall minimiert wird. Dies macht ihn zu einer attraktiven Lösung für Branchen mit geringen Produktionsmengen, aber hoher Komplexität und Individualisierung.

7. Die Wahl der richtigen Herstellungsmethode

Die Wahl des richtigen Herstellungsverfahrens ist entscheidend für die Optimierung von Produktionseffizienz, Kosten und Produktqualität. Mehrere Schlüsselfaktoren beeinflussen die Wahl zwischen traditionellen Verfahren, wie CNC-Bearbeitung und Spritzguss, und additiven Verfahren, wie 3D-Druck.

Produktionsvolumen: Herkömmliche Fertigungsverfahren wie CNC-Bearbeitung und Spritzguss sind für die Großserienproduktion oft kostengünstiger. Diese Verfahren profitieren von Skaleneffekten und sind daher ideal für die Massenproduktion. Die additive Fertigung kann jedoch für die Produktion von Kleinserien oder Prototypen besser geeignet sein. Der 3D-Druck macht spezielle Werkzeuge und Formen überflüssig, was die Einrichtungszeit und die Kosten reduziert.

Komplexität und Anpassung: Wenn das Produkt komplexe Geometrien und komplizierte innere Strukturen erfordert, wird die additive Fertigung bevorzugt. Der 3D-Druck eignet sich hervorragend für die Herstellung hochkomplexer Teile und die Anpassung an Kundenwünsche, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren oft nur schwer oder gar nicht zu erreichen sind. Erfordert das Produkt hingegen eine hohe Präzision und Genauigkeit, sind konventionelle Fertigungsverfahren wie die CNC-Bearbeitung besser geeignet. CNC-Maschinen können eine außergewöhnliche Präzision erreichen und sind daher ideal für Teile, die enge Toleranzen erfordern.

Kosten: Die additive Fertigung kann zwar teuer sein, vor allem beim 3D-Druck von Metallen, bietet aber Kosteneinsparungen durch weniger Abfallmaterial und Energieverbrauch. Herkömmliche Herstellungsverfahren können aufgrund des Bedarfs an speziellen Werkzeugen und Formen höhere anfängliche Einrichtungskosten verursachen, können aber für die Großserienproduktion wirtschaftlicher sein. Bei der Wahl des Herstellungsverfahrens ist es wichtig, die Gesamtkosten der Produktion zu berücksichtigen, einschließlich Materialkosten, Arbeitsaufwand und Nachbearbeitung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Wahl des richtigen Herstellungsverfahrens von den spezifischen Anforderungen des Produkts abhängt, einschließlich Produktionsvolumen, Komplexität, kundenspezifische Anpassung und Kosten. Durch eine sorgfältige Abwägung dieser Faktoren können Hersteller die am besten geeignete Methode auswählen, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

8. Wie wirkt sich der 3D-Druck auf die CNC-Bearbeitung aus?

Obwohl der 3D-Druck die CNC-Bearbeitung nicht vollständig ersetzen kann, hat er die Anwendungsweise der CNC-Bearbeitung in mehrfacher Hinsicht beeinflusst. Obwohl der 3D-Druck die traditionelle Fertigung nicht vollständig ersetzen kann, bietet er mehrere einzigartige Vorteile, die ihn zu einer wertvollen Ergänzung der Fertigungslandschaft machen.

(1) Hybride Fertigung

• Gegenwärtig verwenden viele Fertigungsunternehmen eine hybride Fertigungsmethode aus 3D-Druck und CNC-Bearbeitung, d. h.:

• Die ersten nutzen den 3D-Druck zur Herstellung komplexer Infrastrukturen und sparen so Material und Bearbeitungszeit;

• Und dann durch CNC-Bearbeitung für hochpräzise Oberflächenbehandlung, um die Qualität und Toleranz des Endprodukts zu gewährleisten.

• Diese Methode ist in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizin, im Formenbau und in anderen Bereichen sehr nützlich. Beispielsweise können mit dem 3D-Druck zunächst Rohlinge für Luftfahrtteile aus Titanlegierungen hergestellt werden, und anschließend können die wichtigsten Oberflächen mit CNC-Maschinen bearbeitet werden, um die Genauigkeit zu gewährleisten.

(2) 3D-Druck unterstützte CNC-Bearbeitung

• Mit dem 3D-Druck können kundenspezifische Vorrichtungen und Werkzeuge hergestellt werden, wodurch sich die Vorlaufzeit für die CNC-Bearbeitung erheblich verkürzt. Zum Beispiel:

• Druckbefestigung: zur Fixierung von Teilen mit einzigartiger Form und zur Verbesserung der Verarbeitungsstabilität.

• Druck des Schaftes oder der Stützstruktur: Erhöht die Steifigkeit bei der Verarbeitung von Verbundstoffen.

• Kühlkanäle drucken: Zur Optimierung des Schneidstoffflusses und zur Erhöhung der Werkzeugstandzeit.

(3) Optimierung des Produktionsprozesses und Kostensenkung

Mit dem 3D-Druck lassen sich funktionale Prototypen direkt herstellen, die Verschwendung von CNC-Testschnitten reduzieren und die Produktionseffizienz verbessern. Viele Unternehmen haben den 3D-Druck zur Herstellung von Formen, Gussmodellen und Prototypen eingeführt und kombinieren ihn mit der CNC-Bearbeitung für die Endbearbeitung, um die Produktionskosten zu senken.

9. Zukünftiger Entwicklungstrend: die Integration von 3D-Druck und CNC

Mit der technologischen Entwicklung wird sich die Kombination von 3D-Druck und CNC-Bearbeitung immer mehr annähern, und zu den möglichen zukünftigen Trends gehören:

Herkömmliche Fertigungsverfahren wie CNC-Bearbeitung und Spritzguss sind aufgrund ihrer Kosteneffizienz und Leistungsfähigkeit oft besser für die Großserienproduktion geeignet.

Fortschrittlichere hybride Fertigungsanlagen: Die Zukunft könnte integrierte Bearbeitungszentren bringen, die 3D-Druck und CNC-Bearbeitung integrieren und den gesamten Fertigungsprozess auf demselben Gerät abwickeln können.

Breitere Anwendbarkeit von Materialien: Es werden neue 3D-Drucktechnologien für Metalle entwickelt (z. B. Laserschmelzen und Elektronenstrahlschmelzen), die den Anwendungsbereich noch erweitern.

Höhere Intelligenz und Automatisierung: Die Entwicklung von künstlicher Intelligenz, Robotern und intelligenten Fabriken wird es dem 3D-Druck und der CNC-Bearbeitung ermöglichen, einen höheren Automatisierungsgrad zu erreichen und die Produktionseffizienz zu optimieren.

10. Fazit: 3D-Druck und CNC-Bearbeitung ergänzen sich, ersetzen sich nicht

3D-Druck und CNC-Bearbeitung sind keine gegensätzlichen Technologien, sondern komplementäre Fertigungsmethoden. Für die hochpräzise Massenproduktion ist die CNC-Bearbeitung nach wie vor unersetzlich; für komplexe Strukturen, Kleinserienanpassungen und die schnelle Entwicklung von Prototypen hat der 3D-Druck offensichtliche Vorteile. Während sich die additive Fertigung bei der Herstellung komplexer Geometrien auszeichnet, bieten traditionelle Verfahren wie die CNC-Bearbeitung eine unübertroffene Präzision und Materialvielfalt.