Благодаря постоянному развитию производственных технологий аддитивное производство, известное как 3D-печать, и традиционные производственные процессы, такие как обработка с числовым программным управлением (ЧПУ) и производство из уменьшенных материалов, работают вместе, способствуя развитию производства. Хотя 3D-печать не может полностью заменить обработку с ЧПУ, она влияет на традиционные методы производства несколькими способами. В этой статье мы рассмотрим преимущества и ограничения 3D-печати, объясним, как она меняет модель применения ЧПУ-обработки, и проанализируем будущие тенденции развития производства.

Введение в аддитивное производство и обработку на станках с ЧПУ

Аддитивное производство, известное как 3D-печать, - это революционный процесс создания трехмерных объектов путем послойного добавления материала. Эта инновационная технология изменила производственную отрасль, обеспечив беспрецедентную гибкость проектирования, сокращение времени производства и повышение эффективности. С другой стороны, обработка с помощью компьютерного числового программного управления (ЧПУ) - это традиционный метод производства, в котором используются автоматические фрезы для удаления материала с заготовки. Обработка с ЧПУ известна своей высокой точностью и аккуратностью, что делает ее основной в обрабатывающей промышленности. В этой статье мы рассмотрим ключевые различия между аддитивным производством и обработкой с ЧПУ, обсудим требования к настройке и программированию станков с ЧПУ, а также рассмотрим их применение, преимущества и ограничения.

Основные различия между 3D-печатью и обработкой с ЧПУ

Аддитивное производство и обработка на станках с ЧПУ - это два разных производственных процесса, каждый из которых имеет свой уникальный подход к изготовлению деталей. В то время как станок с ЧПУ требует детального программирования и настройки для каждой партии, 3D-печать может начать производство с минимальной подготовкой, что делает ее более эффективной для небольших объемов. Основное различие заключается в способе обработки материала. Аддитивное производство создает детали путем послойного добавления материала, что позволяет создавать сложные геометрии и внутренние структуры без необходимости использования специализированной оснастки или пресс-форм. Этот процесс обеспечивает значительную гибкость проектирования и позволяет создавать сложные конструкции, которые было бы сложно или невозможно выполнить традиционными методами. В отличие от этого, при обработке с ЧПУ материал с заготовки удаляется с помощью режущих инструментов, что может ограничить сложность конструкции детали и потребовать использования специализированных режущих инструментов. Это фундаментальное различие влияет на гибкость конструкции, время производства и стоимость производственного процесса.

1. Преимущества 3D-печати: преодоление ограничений традиционного производства

Наиболее существенное отличие 3D-печати от традиционной обработки на станках с ЧПУ заключается в способе формирования деталей. Станок с ЧПУ требует тщательной настройки и программирования для каждой новой детали, что может отнимать много времени и быть менее эффективным при мелкосерийном производстве. Обработка на станках с ЧПУ - это получение деталей путем разрезания материалов и их классификации как субтрактивный производственный процесс, в то время как 3D-печать создает изделия путем послойной укладки материалов. Это различие дает 3D-печати ряд уникальных преимуществ:

(1) Геометрические фигуры имеют больше степеней свободы

Инструменты и оснастка, ограничение на обработку с ЧПУ и сложные полые, сетчатые, бионические структуры или топологические оптимизированные конструкции не могут быть быстро обработаны. 3D-печать не подвержена влиянию традиционных инструментов. Она может напрямую изготавливать очень сложные детали, такие как внутренние каналы, сотовые структуры и т. д., что имеет решающее значение для аэрокосмической промышленности, медицинского оборудования, автомобильных легких конструкций и других отраслей.

(2) Быстрое прототипирование

Традиционная обработка с ЧПУ требует программирования, выбора инструмента и фиксированной заготовки, в то время как 3D-печать требует только импорта CAD-моделей для печати и придания формы без сложного программирования и проектирования приспособлений. Это приводит к значительному сокращению циклов разработки изделий и подходит для быстрого прототипирования, что помогает компаниям быстрее проверять дизайн.

(3) Сокращение отходов материалов

Обработка на станках с ЧПУ - это процесс производства из уменьшенного количества материалов, при котором в процессе резки образуется много отходов. В то же время 3D-печать - это аддитивное производство, при котором для изготовления используются только необходимые материалы, что позволяет сократить количество отходов. При обработке наиболее дорогостоящих материалов (таких как титановый сплав, платина и нержавеющая сталь) преимущества 3D-печати проявляются более ярко, помогая снизить производственные затраты.

(4) Персонализация и персонализированное производство

3D-печать особенно подходит для мелкосерийного производства и индивидуальной настройки, например, медицинских имплантатов, зубных ортезов, художественных изделий, специальных инструментов и т.д. В отличие от этого, обработка на станках с ЧПУ является более дорогостоящей для мелкосерийного производства, особенно если требуются сложные приспособления или специальные инструменты.

2. Преимущества традиционной обработки с ЧПУ: точность и гарантия массового производства

Несмотря на то, что 3D-печать имеет множество уникальных преимуществ, традиционная обработка с ЧПУ остается доминирующей, особенно в высокоточном и крупносерийном производстве. Традиционные производственные процессы, включая обработку на станках с ЧПУ, необходимы для достижения высокой точности и эффективности крупносерийного производства. Этот процесс обеспечивает значительную гибкость проектирования и позволяет создавать сложные конструкции, которые было бы сложно или невозможно выполнить с помощью традиционных технологий производства. К его ключевым преимуществам относятся:

(1) Высокая точность обработки

В настоящее время точность обработки при 3D-печати обычно составляет около ±0,1 ммВ то время как обработка с ЧПУ позволяет достичь Точность ±0,005 мм или даже выше. Обработка с ЧПУ по-прежнему незаменима для деталей, требующих высокой точности (например, пресс-форм, авиационных деталей и точного оборудования).

(2) Лучшее качество поверхности

Поверхность 3D-печатных деталей обычно имеет явное расслоение, требующее дополнительных процессов постобработки, таких как шлифовка, полировка, напыление и т.д., а обработка с ЧПУ позволяет напрямую получить высококачественную гладкую поверхность, которая имеет решающее значение для уплотнительной поверхности, сопрягаемой поверхности, функциональной поверхности и т.д.

(3) Подходит для массового производства

Обработка с ЧПУ больше подходит для крупносерийного производства благодаря предсказуемости и повторяемости процесса резки. В то же время 3D-печать, как правило, более идеальна для мелкосерийного или штучного производства из-за более низкой скорости формовки.

(4) Более широкие возможности адаптации материалов

Обработка с ЧПУ позволяет обрабатывать практически любые твердые материалы, такие как алюминиевый сплав, нержавеющая сталь, медь, титановый сплав, инженерные пластики, композитные материалы и т. д.. В то же время 3D-печать по-прежнему сталкивается с проблемой высокой стоимости и ограниченности типов материалов для печати по металлу.

3. Варианты материалов и механические свойства

Как аддитивное производство, так и обработка с ЧПУ предлагают различные варианты материалов, включая металлы, пластики и композиты. Однако механические свойства материалов, используемых в этих процессах, могут существенно отличаться. Аддитивное производство позволяет создавать детали со сложной внутренней структурой и геометрией, что может улучшить механические свойства материала. Например, детали, созданные с помощью 3D-печати с использованием лазерного порошкового напыления (LPBF), могут иметь более высокую плотность и меньший риск образования внутренних пустот, что приводит к улучшению механических свойств. И наоборот, обработка с ЧПУ позволяет создавать детали с исключительной точностью и аккуратностью, но процесс резки может повлиять на механические свойства материала. Понимание этих различий очень важно для выбора подходящего метода производства для конкретных задач.

4. Эффективность затрат и сроки выполнения заказа

Экономическая эффективность и сроки выполнения работ при аддитивном производстве и обработке на станках с ЧПУ зависят от области применения и объема производства. Традиционные производственные процессы обычно выигрывают за счет эффекта масштаба, что делает их более экономичными для крупносерийного производства, чем 3D-печать. Напротив, аддитивное производство зачастую более экономично для мелкосерийного производства и создания прототипов, поскольку исключает необходимость в специализированной оснастке и пресс-формах. Это преимущество делает его идеальным для быстрого создания прототипов и специализированного малосерийного производства. Однако обработка с ЧПУ может быть более рентабельной для крупносерийного производства благодаря вышеупомянутому эффекту масштаба. Что касается сроков выполнения заказа, то аддитивное производство обычно обеспечивает более быстрое выполнение заказа при мелкосерийном производстве, при этом время наладки минимально и не требует специальной оснастки. И наоборот, механическая обработка с ЧПУ может быть оптимизирована для высокоскоростного производства, что приводит к ускорению выпуска крупных партий продукции.

5. Воздействие на окружающую среду и устойчивость

Как аддитивное производство, так и обработка с ЧПУ оказывают различное воздействие на окружающую среду и обеспечивают устойчивое развитие. Аддитивное производство позволяет значительно сократить отходы материалов и потребление энергии за счет изготовления деталей за один этап, не требуя специализированной оснастки или пресс-форм. Такая эффективность может привести к более устойчивому производственному процессу. Однако производство станков для аддитивного производства и энергия, необходимая для их работы, могут оказывать заметное влияние на окружающую среду. Обработка на станках с ЧПУ также может быть оптимизирована с точки зрения экологичности, при этом образуются значительные отходы материалов и потребление энергии, особенно при крупносерийном производстве. Обработка с ЧПУ может способствовать более устойчивому производству за счет использования переработанных материалов и минимизации отходов. Понимание экологических последствий каждого метода необходимо для принятия обоснованных решений в обрабатывающей промышленности.

6. Металлическая 3D-печать и ее применение

Металлическая 3D-печать совершает революцию в производственной отрасли, предлагая возможности, с которыми не могут сравниться традиционные методы производства. Одним из важнейших преимуществ 3D-печати по металлу является ее способность создавать сложные геометрические формы и сложные структуры, которые зачастую невозможно получить с помощью традиционных технологий производства. Это делает ее идеальным решением для аэрокосмической, автомобильной и медицинской промышленности, где постоянно растет спрос на сложные и высокопроизводительные детали.

В аэрокосмической отрасли с помощью 3D-печати на металле создаются такие компоненты, как двигатели и спутники, требующие исключительной прочности и долговечности. Процесс послойной 3D-печати позволяет создавать сложные внутренние структуры, улучшая механические свойства конечного продукта. В результате детали получаются не только прочными, но и легкими, что очень важно для аэрокосмической отрасли.

Металлическая 3D-печать также приносит значительную пользу автомобильной промышленности. Сложные компоненты, такие как детали двигателей и коробок передач, могут быть изготовлены с повышенной прочностью и долговечностью. Создание индивидуальных высокопроизводительных деталей по требованию снижает потребность в обширных запасах и минимизирует количество отходов, делая производство более эффективным и рентабельным.

В здравоохранении металлическая 3D-печать преобразует производство индивидуальных имплантатов и протезов. Технология позволяет создавать индивидуальные имплантаты со сложной геометрией, идеально соответствующие анатомии пациента. Такой уровень кастомизации улучшает прилегание и функциональность медицинских устройств, что приводит к улучшению состояния пациентов.

3D-печать металлов обладает многочисленными техническими и экономическими преимуществами по сравнению с традиционными методами производства. Она позволяет выпускать небольшие партии изделий, снижая потребность в больших запасах и минимизируя количество отходов. Это делает ее привлекательным решением для отраслей с небольшими объемами производства, но высокой сложностью и индивидуальностью.

7. Выбор правильного метода производства

Выбор подходящего метода производства имеет решающее значение для оптимизации эффективности производства, стоимости и качества продукции. На выбор между традиционными методами, такими как обработка на станках с ЧПУ и литье под давлением, и аддитивными методами, такими как 3D-печать, влияют несколько ключевых факторов.

Объем производства: Традиционные методы производства, такие как обработка на станках с ЧПУ и литье под давлением, часто являются более экономичными для крупносерийного производства. Эти методы выигрывают за счет эффекта масштаба, что делает их идеальными для массового производства. Однако аддитивное производство может быть более подходящим для мелкосерийного производства или создания прототипов для мелкосерийного производства или создания прототипов. 3D-печать устраняет необходимость в специализированной оснастке и пресс-формах, сокращая время и затраты на установку.

Сложность и персонализация: Если изделие требует сложной геометрии и замысловатых внутренних структур, предпочтительнее использовать аддитивное производство. 3D-печать отлично справляется с изготовлением очень сложных деталей и персонализацией, которых зачастую сложно или невозможно достичь с помощью традиционных технологий производства. С другой стороны, если изделие требует высокой точности и аккуратности, больше подойдут традиционные методы производства, такие как обработка на станках с ЧПУ. Станки с ЧПУ могут достигать исключительной точности, что делает их идеальными для деталей, требующих жестких допусков.

Стоимость: Хотя аддитивное производство может быть дорогостоящим, особенно в случае 3D-печати металлов, оно обеспечивает экономию средств за счет сокращения отходов материалов и потребления энергии. Традиционные методы производства могут иметь более высокую первоначальную стоимость из-за необходимости в специализированной оснастке и пресс-формах, но они могут быть более экономичными при крупносерийном производстве. При выборе метода производства необходимо учитывать общую стоимость продукции, включая затраты на материалы, рабочую силу и постобработку.

В заключение следует отметить, что выбор подходящего метода производства зависит от конкретных требований к продукту, включая объем производства, сложность, индивидуальность и стоимость. Производители могут выбрать наиболее подходящий метод для достижения оптимальных результатов, тщательно проанализировав эти факторы.

8. Как 3D-печать влияет на обработку на станках с ЧПУ?

Хотя 3D-печать не может полностью заменить обработку на станках с ЧПУ, она повлияла на ее применение несколькими способами. Хотя 3D-печать не может полностью заменить традиционное производство, она предлагает ряд уникальных преимуществ, которые делают ее ценным дополнением к производственному ландшафту.

(1) Гибридное производство

• В настоящее время многие производственные компании применяют гибридный метод производства: 3D-печать + ЧПУ-обработка, то есть:

• Первые используют 3D-печать для производства сложных объектов инфраструктуры, экономя материалы и время обработки;

• А затем через ЧПУ механической обработки для высокоточной обработки поверхности, чтобы обеспечить качество и допуск конечного продукта.

• Этот метод очень ценен в аэрокосмической промышленности, медицине, производстве пресс-форм и других областях. Например, с помощью 3D-печати можно сначала изготовить заготовки для авиационных деталей из титанового сплава, а затем с помощью ЧПУ обработать ключевые поверхности для обеспечения точности.

(2) Обработка с ЧПУ с помощью 3D-печати

• 3D-печать позволяет изготавливать нестандартные приспособления, заготовки и инструменты, значительно сокращая время обработки на станках с ЧПУ. Например:

• Приспособление для печати: используется для фиксации деталей уникальной формы и повышения стабильности обработки.

• Печатный хвостовик или опорная конструкция: Повышение жесткости при обработке композитных материалов.

• Печатные каналы охлаждения: Для оптимизации потока смазочно-охлаждающей жидкости и увеличения срока службы инструмента.

(3) Оптимизация производственного процесса и снижение затрат

3D-печать позволяет напрямую изготавливать функциональные прототипы, сократить отходы на пробные вырезки с ЧПУ и повысить эффективность производства. Многие компании используют 3D-печать для изготовления пресс-форм, литых моделей и прототипов, сочетая ее с обработкой на станках с ЧПУ для финишной обработки, чтобы снизить производственные затраты.

9. Тенденция будущего развития: интеграция 3D-печати и ЧПУ

С развитием технологий сочетание 3D-печати и обработки на станках с ЧПУ будет становиться все более тесным, и в будущем возможны следующие тенденции:

Благодаря своей экономичности и эффективности традиционные производственные процессы, такие как обработка на станках с ЧПУ и литье под давлением, часто лучше подходят для крупносерийного производства.

Более совершенное гибридное производственное оборудование: В будущем могут появиться интегрированные обрабатывающие центры, объединяющие 3D-печать и обработку с ЧПУ, способные выполнять весь производственный процесс на одном устройстве.

Более широкая применимость материалов: Разрабатываются новые технологии металлической 3D-печати (такие как лазерное плавление и электронно-лучевое плавление), что еще больше расширяет область применения.

Более высокий уровень интеллекта и автоматизации: Развитие искусственного интеллекта, роботов и "умных" фабрик позволит 3D-печати и обработке с ЧПУ достичь более высокой степени автоматизации и оптимизировать эффективность производства.

10. Вывод: 3D-печать и обработка с ЧПУ дополняют друг друга, а не заменяют

3D-печать и обработка на станках с ЧПУ - это не противоположные технологии, а взаимодополняющие методы производства. Для высокоточного массового производства обработка на станках с ЧПУ по-прежнему незаменима, а для сложных конструкций, изготовления небольших партий и быстрой разработки прототипов 3D-печать имеет очевидные преимущества. В то время как аддитивное производство позволяет создавать сложные геометрические формы, традиционные процессы, такие как обработка на станках с ЧПУ, обеспечивают непревзойденную точность и универсальность материалов.