Met de voortdurende vooruitgang van de productietechnologie werken additive manufacturing, beter bekend als 3D-printen, en traditionele productieprocessen zoals CNC (numerical control machining) en productie met gereduceerde materialen samen om de ontwikkeling van de productie te bevorderen. Hoewel 3D-printen CNC-verspaning niet volledig kan vervangen, heeft het op verschillende manieren invloed op traditionele productiemethoden. Dit artikel gaat in op de voordelen en beperkingen van 3D-printen, legt uit hoe het het toepassingsmodel van CNC-verspaning verandert en analyseert de toekomst van productietrends.

Inleiding tot additief produceren en CNC-verspaning

Additive manufacturing, beter bekend als 3D-printen, is een revolutionair proces waarbij driedimensionale objecten worden gemaakt door laag voor laag materiaal toe te voegen. Deze innovatieve technologie heeft de productie-industrie getransformeerd door ongeëvenaarde ontwerpflexibiliteit, kortere productietijden en verbeterde efficiëntie te bieden. CNC-verspaning (Computer Numerical Control) daarentegen is een traditionele productiemethode die gebruik maakt van geautomatiseerde frezen om materiaal van een werkstuk te verwijderen. CNC-verspaning staat bekend om zijn hoge precisie en nauwkeurigheid, waardoor het een belangrijk onderdeel is van de productie-industrie. In dit artikel verkennen we de belangrijkste verschillen tussen additief produceren en CNC verspanen, bespreken we de instellingen en programmeervereisten van een CNC machine en onderzoeken we hun toepassingen, voordelen en beperkingen.

Belangrijkste verschillen tussen 3D printen en CNC verspanen

Additive manufacturing en CNC-verspaning zijn twee verschillende fabricageprocessen, elk met hun eigen unieke aanpak voor het produceren van onderdelen. Terwijl een CNC machine gedetailleerde programmering en instellingen vereist voor elke batch, kan 3D printen de productie starten met minimale voorbereiding, waardoor het efficiënter is voor kleine volumes. Het belangrijkste verschil zit in de manier waarop materiaal wordt verwerkt. Additive manufacturing maakt onderdelen door laag voor laag materiaal toe te voegen, waardoor complexe geometrieën en interne structuren gemaakt kunnen worden zonder dat er speciale gereedschappen of mallen nodig zijn. Dit proces biedt een aanzienlijke ontwerpflexibiliteit en kan ingewikkelde ontwerpen produceren die met traditionele methoden een uitdaging zouden zijn of onmogelijk. CNC-bewerking daarentegen verwijdert materiaal van een werkstuk met behulp van snijgereedschappen, wat de complexiteit van het onderdeelontwerp kan beperken en het gebruik van gespecialiseerde snijgereedschappen noodzakelijk maakt. Dit fundamentele verschil heeft invloed op de flexibiliteit van het ontwerp, de productietijd en de kosten van het productieproces.

1. Voordelen van 3D printen: de beperkingen van traditionele productie doorbreken

Het belangrijkste verschil tussen 3D printen en traditionele CNC bewerking is de manier waarop het gevormd wordt. Een CNC machine vereist uitgebreide instellingen en programmering voor elk nieuw onderdeel, wat tijdrovend en minder efficiënt kan zijn voor productie in kleine series. CNC verspanen is het verkrijgen van onderdelen door materialen te snijden en te categoriseren als een subtractief productieproces, terwijl 3D printen producten maakt door materialen laag voor laag op elkaar te stapelen. Dit verschil geeft 3D printen een aantal unieke voordelen:

(1) Geometrische vormen hebben hogere vrijheidsgraden

Gereedschappen en mallen, CNC-bewerking beperken en complexe holle, mesh, bionische structuren of topologische optimalisatieontwerpen kunnen niet snel worden verwerkt. 3D printen heeft geen last van traditionele gereedschappen. Het kan direct zeer complexe onderdelen maken, zoals interne kanalen, honingraatstructuren, etc., wat cruciaal is voor de ruimtevaart, medische apparatuur, lichtgewicht ontwerpen voor auto's en andere industrieën.

(2) Snelle prototyping

Traditionele CNC-bewerking vereist programmering, gereedschapsselectie en een vast werkstuk, terwijl bij 3D-printen alleen CAD-modellen hoeven te worden geïmporteerd om te printen en vorm te geven zonder complexe programmering en opspansystemen. Dit leidt tot aanzienlijk kortere productontwikkelingscycli en is geschikt voor Rapid Prototyping, waarmee bedrijven ontwerpen sneller kunnen valideren.

(3) Materiaalafval verminderen

CNC-bewerking is een materiaalarm productieproces dat veel afval genereert tijdens het snijproces. Tegelijkertijd is 3D-printen additieve productie, waarbij alleen de benodigde materialen worden gebruikt om te bouwen, waardoor minder materiaal wordt verspild. Bij het verwerken van de meest hoogwaardige materialen (zoals titaniumlegering, platina en roestvrij staal) zijn de voordelen van 3D printen nog duidelijker, wat helpt om de productiekosten te verlagen.

(4) Aanpassing en gepersonaliseerde productie

3D printen is vooral geschikt voor kleine series en maatwerk, zoals medische implantaten, tandheelkundige steunzolen, kunstwerken, speciale gereedschappen, enz. CNC-bewerking is daarentegen duurder voor productie in kleine series, vooral als er complexe opspanningen of speciale gereedschappen nodig zijn.

2. Voordelen van traditionele CNC-bewerking: nauwkeurigheid en garantie op massaproductie

Hoewel 3D printen veel unieke voordelen heeft, blijft traditionele CNC-verspaning dominant, vooral bij hoge precisie en massaproductie. Conventionele productieprocessen, waaronder CNC-verspaning, zijn essentieel voor het bereiken van hoge precisie en efficiëntie bij grootschalige productie. Dit proces biedt een aanzienlijke ontwerpflexibiliteit en kan ingewikkelde ontwerpen produceren die met traditionele productietechnieken een uitdaging zouden zijn of zelfs onmogelijk. De belangrijkste voordelen zijn

(1) Hogere verwerkingsnauwkeurigheid

Momenteel is de verwerkingsnauwkeurigheid van 3D-printen meestal ongeveer ±0,1 mmterwijl CNC-bewerking het volgende kan bereiken ±0,005 mm of zelfs hogere nauwkeurigheid. CNC-verspaning is nog steeds onvervangbaar voor onderdelen die een hoge precisie vereisen (zoals mallen, vliegtuigonderdelen en precisiemachines).

(2) Betere oppervlaktekwaliteit

Het oppervlak van 3D-geprinte onderdelen is meestal duidelijk gelamineerd, waardoor extra nabewerkingsprocessen zoals slijpen, polijsten, spuiten enz. nodig zijn. Met CNC-bewerking kan direct een hoogwaardig glad oppervlak worden verkregen, wat cruciaal is voor het afdichtingsoppervlak, het paringsoppervlak, het functionele oppervlak enz.

(3) Geschikt voor massaproductie

CNC-verspaning is meer geschikt voor massaproductie vanwege het voorspelbare en herhaalbare snijproces. Tegelijkertijd is 3D printen over het algemeen idealer voor kleine series of enkelstuks productie vanwege de lagere vormsnelheid.

(4) Breder aanpasbaar materiaal

CNC machinale bewerking kan bijna elk vast materiaal bewerken, zoals aluminiumlegering, roestvrij staal, koper, titaniumlegering, technische kunststoffen, composietmaterialen, enz. Tegelijkertijd heeft 3D printen nog steeds het probleem van hoge kosten en beperkte materiaalsoorten in metaal printen.

3. Materiaalopties en mechanische eigenschappen

Zowel additieve vervaardiging als CNC-verspaning bieden verschillende materiaalopties, waaronder metalen, kunststoffen en composieten. De mechanische eigenschappen van de materialen die in deze processen worden gebruikt, kunnen echter aanzienlijk verschillen. Additive manufacturing blinkt uit in het produceren van onderdelen met complexe interne structuren en geometrieën, die de mechanische eigenschappen van het materiaal kunnen verbeteren. Onderdelen die gemaakt zijn met behulp van Laser Powder Bed Fusion (LPBF) 3D-printen kunnen bijvoorbeeld een hogere dichtheid en minder kans op interne holtes bereiken, wat resulteert in superieure mechanische eigenschappen. Omgekeerd kan CNC-verspaning onderdelen produceren met uitzonderlijke precisie en nauwkeurigheid, maar het snijproces kan de mechanische eigenschappen van het materiaal beïnvloeden. Inzicht in deze verschillen is cruciaal voor het kiezen van de juiste productiemethode voor specifieke toepassingen.

4. Kostenefficiëntie en doorlooptijden

De kosteneffectiviteit en doorlooptijden van additieve productie en CNC-verspaning zijn afhankelijk van de toepassing en het productievolume. Traditionele productieprocessen profiteren over het algemeen van schaalvoordelen, waardoor ze kosteneffectiever zijn voor massaproductie dan 3D-printen. Daarentegen is additieve productie vaak voordeliger voor kleine series en prototyping omdat er geen speciale gereedschappen en mallen nodig zijn. Dit voordeel maakt het ideaal voor snelle prototyping en aangepaste productie in kleine aantallen. CNC bewerking kan echter kostenefficiënter zijn voor productie van grote aantallen vanwege de eerder genoemde schaalvoordelen. Wat doorlooptijden betreft, biedt additieve productie doorgaans een snellere doorlooptijd voor kleine series, met minimale insteltijd en zonder speciale gereedschappen. Omgekeerd kan CNC-verspaning worden geoptimaliseerd voor hogesnelheidsproductie, wat resulteert in een snellere output voor grote productieruns.

5. Milieu-impact en duurzaamheid

Zowel additieve vervaardiging als CNC-verspaning hebben verschillende milieueffecten en duurzaamheidsoverwegingen. Additive manufacturing kan afvalmateriaal en energieverbruik aanzienlijk verminderen door onderdelen in één enkele stap te produceren, zonder speciale gereedschappen of mallen. Deze efficiëntie kan leiden tot een duurzamer productieproces. De productie van additive manufacturing machines en de energie die nodig is om ze te laten draaien kunnen echter een aanzienlijke impact hebben op het milieu. CNC-verspaning kan ook worden geoptimaliseerd voor duurzaamheid terwijl er veel afvalmateriaal en energie wordt verbruikt, vooral bij productie in grote volumes. CNC-verspaning kan bijdragen aan duurzamere productiepraktijken door gerecycled materiaal te gebruiken en afval te minimaliseren. Inzicht in de gevolgen van elke methode voor het milieu is essentieel om weloverwogen beslissingen te kunnen nemen in de productie-industrie.

6. Metaal 3D printen en toepassingen

Metaal 3D printen zorgt voor een revolutie in de productie-industrie door mogelijkheden te bieden die traditionele productiemethoden niet kunnen evenaren. Een van de grote voordelen van metaal 3D printen is de mogelijkheid om ingewikkelde geometrieën en complexe structuren te produceren die vaak onmogelijk te realiseren zijn met traditionele productietechnieken. Dit maakt het een ideale oplossing voor de lucht- en ruimtevaart, de auto-industrie en de gezondheidszorg, waar de vraag naar complexe en hoogwaardige onderdelen steeds groter wordt.

In de lucht- en ruimtevaart worden onderdelen zoals motoren en satellieten gemaakt die uitzonderlijk sterk en duurzaam moeten zijn. Het laag-voor-laag constructieproces van 3D printen maakt het mogelijk om complexe interne structuren te creëren, waardoor de mechanische eigenschappen van het eindproduct worden verbeterd. Dit resulteert in onderdelen die niet alleen sterk maar ook licht zijn, wat cruciaal is voor ruimtevaarttoepassingen.

3D-printen van metaal heeft ook grote voordelen voor de auto-industrie. Complexe onderdelen zoals motoronderdelen en versnellingsbakken kunnen worden geproduceerd met meer sterkte en duurzaamheid. Door op aanvraag op maat gemaakte, hoogwaardige onderdelen te maken, is er minder behoefte aan uitgebreide voorraden en wordt afvalmateriaal geminimaliseerd, waardoor de productie efficiënter en kosteneffectiever wordt.

In de gezondheidszorg verandert metaal 3D printen de productie van op maat gemaakte implantaten en protheses. De technologie maakt het mogelijk om patiëntspecifieke implantaten te maken met complexe geometrieën die perfect passen bij de anatomie van de patiënt. Dit niveau van maatwerk verbetert de pasvorm en functie van medische hulpmiddelen, wat leidt tot betere resultaten voor de patiënt.

Metaal 3D printen biedt tal van technische en economische voordelen ten opzichte van traditionele productiemethoden. Het maakt de productie van kleine series mogelijk, waardoor er minder grote voorraden nodig zijn en er minder afvalmateriaal overblijft. Dit maakt het een aantrekkelijke oplossing voor industrieën met lage productievolumes maar hoge complexiteit en maatwerk.

7. De juiste productiemethode kiezen

De juiste productiemethode is cruciaal voor het optimaliseren van de productie-efficiëntie, de kosten en de productkwaliteit. Verschillende sleutelfactoren beïnvloeden de keuze tussen traditionele methoden, zoals CNC-verspaning en spuitgieten, en additieve methoden, zoals 3D-printen.

Productievolume: Traditionele productiemethoden zoals CNC-verspaning en spuitgieten zijn vaak kosteneffectiever voor de productie van grote volumes. Deze methoden profiteren van schaalvoordelen, waardoor ze ideaal zijn voor massaproductie. Additieve productie kan echter meer geschikt zijn voor productie in kleine aantallen of prototyping voor productie in kleine aantallen of prototyping. 3D-printen maakt gespecialiseerde gereedschappen en mallen overbodig, waardoor de insteltijd en -kosten afnemen.

Complexiteit en aanpassing: Als het product complexe geometrieën en ingewikkelde interne structuren vereist, wordt de voorkeur gegeven aan additieve productie. 3D-printen blinkt uit in het produceren van zeer complexe onderdelen en maatwerk, die vaak een uitdaging vormen of onmogelijk te realiseren zijn met traditionele productietechnieken. Aan de andere kant, als het product een hoge precisie en nauwkeurigheid vereist, zijn conventionele productiemethoden zoals CNC-verspaning geschikter. CNC machines kunnen een uitzonderlijke precisie bereiken, waardoor ze ideaal zijn voor onderdelen die nauwe toleranties vereisen.

Kosten: Hoewel additive manufacturing duur kan zijn, vooral voor metaal 3D printen, biedt het kostenbesparingen door minder afvalmateriaal en energieverbruik. Traditionele fabricagemethoden kunnen hogere initiële setupkosten hebben door de noodzaak van gespecialiseerde tooling en mallen, maar ze kunnen voordeliger zijn voor hoog-volume productie. Bij het kiezen van de productiemethode is het essentieel om de totale productiekosten in overweging te nemen, inclusief materiaalkosten, arbeidskosten en nabewerking.

Kortom, de juiste productiemethode hangt af van de specifieke eisen van het product, zoals productievolume, complexiteit, maatwerk en kosten. Fabrikanten kunnen de meest geschikte methode kiezen om optimale resultaten te behalen door deze factoren zorgvuldig te evalueren.

8. Welke invloed heeft 3D-printen op CNC-verspaning?

Hoewel 3D-printen CNC-verspaning niet volledig kan vervangen, heeft het de toepassingsmodus van CNC-verspaning op verschillende manieren beïnvloed. Hoewel 3D printen de traditionele productie niet volledig kan vervangen, biedt het een aantal unieke voordelen die het een waardevolle aanvulling maken op het productielandschap.

(1) Hybride productie

• Op dit moment gebruiken veel productiebedrijven een hybride productiemethode van 3D-printen en CNC-verspaning:

• Eerst 3D-printen gebruiken om complexe infrastructuur te vervaardigen, waardoor materiaal en verwerkingstijd worden bespaard;

• En dan door CNC-verspaning voor oppervlaktebehandeling met hoge precisie, om de kwaliteit en tolerantie van het eindproduct te garanderen.

• Deze methode is zeer waardevol in de ruimtevaart, de medische sector, bij de productie van matrijzen en op andere gebieden. Met 3D printen kunnen bijvoorbeeld eerst vliegtuigonderdelen van titaniumlegering worden gemaakt, waarna CNC de belangrijkste oppervlakken kan bewerken om nauwkeurigheid te garanderen.

(2) CNC-bewerking met ondersteuning voor 3D-printen

• Met 3D-printen kunnen aangepaste mallen, opspansystemen en gereedschappen worden gemaakt, waardoor de doorlooptijd voor CNC-bewerking aanzienlijk wordt verkort. Bijvoorbeeld:

• Drukarmatuur: gebruikt om onderdelen met een unieke vorm vast te zetten en de verwerkingsstabiliteit te verbeteren.

• Schacht of steunstructuur afdrukken: Verhoog de stijfheid in composietverwerking.

• Koelkanalen afdrukken: Om de stroming van de snijvloeistof te optimaliseren en de levensduur van het gereedschap te verlengen.

(3) Het productieproces optimaliseren en de kosten verlagen

3D-printen kan direct functionele prototypes maken, de verspilling van CNC-testsnedes verminderen en de productie-efficiëntie verbeteren. Veel bedrijven zijn overgestapt op 3D-printen om mallen, gietmodellen en prototypes te maken en combineren deze met CNC-bewerking voor afwerking om de productiekosten te verlagen.

9. Toekomstige ontwikkelingstrend: de integratie van 3D printen en CNC

Met de ontwikkeling van technologie zal de combinatie van 3D printen en CNC machinale bewerking steeds dichterbij komen en mogelijke toekomstige trends zijn onder andere:

Vanwege hun kosteneffectiviteit en efficiëntie zijn traditionele fabricageprocessen, zoals CNC-verspaning en spuitgieten, vaak geschikter voor massaproductie.

Meer geavanceerde hybride productieapparatuur: In de toekomst zijn er misschien geïntegreerde bewerkingscentra die 3D-printen en CNC-verspaning integreren, zodat het hele fabricageproces op hetzelfde apparaat kan worden uitgevoerd.

Bredere toepasbaarheid van materialen: Er worden nieuwe 3D printtechnologieën voor metaal ontwikkeld (zoals lasersmelten en smelten met elektronenbundels), waardoor het toepassingsgebied verder wordt uitgebreid.

Hogere intelligentie en automatisering: De ontwikkeling van kunstmatige intelligentie, robots en slimme fabrieken zal 3D-printen en CNC-verspaning in staat stellen om een hogere mate van automatisering te bereiken en de productie-efficiëntie te optimaliseren.

10. Conclusie: 3D printen en CNC bewerken vullen elkaar aan, niet vervangen

3D printen en CNC machinale bewerking zijn geen tegengestelde technologieën, maar complementaire productiemethoden. Voor massaproductie met hoge precisie is CNC-verspaning nog steeds onvervangbaar; voor complexe structuren, kleine series op maat en snelle prototypeontwikkeling heeft 3D-printen duidelijke voordelen. Terwijl additieve productie uitblinkt in het produceren van complexe geometrieën, bieden traditionele processen zoals CNC-verspaning ongeëvenaarde precisie en veelzijdigheid in materiaal.