Folgen Sie mir auf: 
CNC-Bearbeitung oder 3D-Druck für Ihr Projekt?
Vor etwa zehn Jahren beherrschten Meldungen über 3D-gedruckte Schusswaffen die Schlagzeilen der Fachpresse, und 3D-Druck ist auch heute noch ein heißes Thema. Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technik ist die 3D-Drucktechnologie immer ausgereifter geworden, und die hergestellten Kunststoff- oder Metallteile finden in verschiedenen Bereichen Anwendung. Sie haben jedoch die traditionellen Fertigungsverfahren wie CNC-Bearbeitung, Vakuumgießen und Spritzgießen noch nicht vollständig ersetzt. Dies führt bei Konstrukteuren zu Unsicherheit. Wie wähle ich die am besten geeignete Bearbeitungstechnologie für einen Prototyp oder ein Kleinserienprojekt? In diesem Beitrag gebe ich Ihnen einige technische Hinweise zur CNC-Bearbeitung und zum 3D-Druck, um Ihnen die Unterschiede in Bezug auf Genauigkeit, Material, Kosten, Qualität, Effizienz und Geschwindigkeit zu verdeutlichen und Ihnen bei der Entscheidung zwischen CNC-Bearbeitung und 3D-Druck für Ihr Projekt zu helfen.
1，Subtraktive und additive Fertigung
Der Hauptunterschied zwischen den beiden besteht darin, dass die CNC-Bearbeitung eine subtraktive Fertigung ist, während der 3D-Druck eine additive Fertigung ist.
CNC-Bearbeitung. Wie allgemein bekannt, ist die CNC-Bearbeitung ein subtraktives Fertigungsverfahren , das mit einem massiven Werkstück (oft als Rohling bezeichnet) beginnt und anschließend mithilfe eines Werkzeugs überschüssiges Material abträgt, um ein Werkstück zu erzeugen. Sie zählt zu den beliebtesten Fertigungsmethoden für Prototypen und die Serienfertigung von Klein- bis Großserienteilen und zeichnet sich durch Wiederholgenauigkeit, hohe Maßgenauigkeit, hohe Oberflächengüte und Kompatibilität mit vielen Materialien wie Holz, Metall und Kunststoff aus.
3D-Druck. Der 3D-Druck funktioniert in umgekehrter Richtung und ist ein additives Fertigungsverfahren. Obwohl CAD- und CAM-Software ebenfalls zum Zeichnen und Erstellen von Bauteilen verwendet wird, beginnt er nicht mit dem Schneiden von Material, sondern mit dem Auftragen von Kunststofffilament (FDM), Harz (SLA/DLP), Kunststoff- oder Metallpulver (SLS/DMLS/SLM) usw. Das Material wird Schicht für Schicht aufgetragen und ausgehärtet, bis das fertige Produkt entsteht. Der 3D-Druck ermöglicht die Herstellung komplexer Geometrien, hohe Genauigkeit, kurze Lieferzeiten und in manchen Fällen geringere Bauteilkosten.
Mal ganz vom Thema abweichend : Wäre es nicht naheliegend, CNC-Maschinen und 3D-Drucker zu kombinieren und daraus ein Gerät zu entwickeln, das die Vorteile beider vereint? Anwender, die diese ungewöhnliche Idee bereits verfolgt haben, wie beispielsweise mit dem ZMorph 2.0 SX, der sowohl als 3-Achs-CNC-Fräsmaschine vermarktet wird als auch als 3D-Drucker genutzt werden kann. Darüber hinaus haben mehrere Unternehmen kürzlich erfolgreiche Kickstarter-Kampagnen mit solchen Kombinationsmaschinen abgeschlossen, wie beispielsweise Mooz mit seinem 3-in-1-3D-Drucker. Aktuell befindet sich ein solches kompatibles Gerät jedoch noch in der Entwicklungsphase.
2. Vergleich der verwendeten Materialien.
Sowohl die CNC-Bearbeitung als auch der 3D-Druck sind mit einer Vielzahl von Materialien kompatibel, einschließlich Kunststoffen und Metallen. Der 3D-Druck ist eher auf die Herstellung von Kunststoffteilen ausgerichtet. Dies ändert sich derzeit, da Hersteller wie 3D Systems, Arcam, Desktop Metal und Markforged bessere und kostengünstigere Möglichkeiten für den 3D-Druck von Metallen entwickeln.
CNC-Bearbeitung. Zu den am häufigsten verwendeten Kunststoffen in der CNC-Bearbeitung gehören unter anderem ABS, Nylon (PA66), Polycarbonat (PC), Acryl (PMMA), Polypropylen (PP), POM und PEEK. Aluminium ist das am weitesten verbreitete Material in der CNC-Bearbeitung. Laut Martin, einem Ingenieur bei DDPROTOTYPE, einem fortschrittlichen Prototypenhersteller in China, „besteht unser Material zu 70 % aus Aluminium, und die von uns gefertigten Teile werden in verschiedenen Branchen eingesetzt.“ Aluminium ist ein recycelbarer Werkstoff mit guten Eigenschaften und einfacher Verarbeitung. Weitere häufig verwendete Metalle sind Edelstahl, Magnesiumlegierungen, Zinklegierungen, Titanlegierungen, Kupfer usw.
3D-Druck. Gängige Thermoplaste für den 3D-Druck sind ABS, PLA, Nylon, ULTEM und andere Photopolymere. 3D-Drucker können auch Teile aus Keramik und sogar Implantate für den menschlichen Körper herstellen. Zu den am häufigsten verwendeten Metallen im 3D-Druck zählen Aluminium, Edelstahl, Titan und Inconel. Es ist wichtig zu beachten, dass teure industrielle 3D-Druckmaschinen (vermutlich ab 100,000 US-Dollar) benötigt werden. Einige Materialien, wie z. B. Superlegierungen oder TPU (flexible Materialien), können nicht CNC-bearbeitet werden, weshalb Fertigungsverfahren wie 3D-Druck oder Rapid Tooling zum Einsatz kommen müssen. Holz kann nicht im 3D-Druckverfahren verarbeitet werden, da kein Material echtes Holz simulieren kann.
Vergleich häufig verwendeter Materialien.
Herstellungsprozess | Kunststoff | Metall |
CNC-Bearbeitung | ABS, Nylon, Polycarbonat, PEEK, PC, PMMA, PP, POM PEEK usw. | Aluminium, Edelstahl, Magnesiumlegierung, Zinklegierung, Titanlegierung, Kupfer usw. |
3d Drucken | ABS, PLA, Nylon, ULTEM, ASA, TPU (flexibles Material) usw. | Aluminium, Edelstahl, Titan, Inconel usw. |
Datenquelle DDPROTOTYPE.
3. Genauigkeit und Größe der bearbeiteten Teile
Laut dem DDPROTOTYPE-Team, basierend auf umfangreicher Erfahrung, „ist die CNC-Bearbeitung allen 3D-Druckverfahren, sogar DMLS, in Bezug auf Toleranzen überlegen.“ Wenn Ihre Teile enge Toleranzen aufweisen müssen, ist der 3D-Druck möglicherweise nicht die beste Wahl.
CNC-Bearbeitung. Die CNC-Bearbeitung kann sehr enge Toleranzen und eine bessere Oberflächenveredelung erreichen, z. B. 0.005 mm, und kann für sehr große bis sehr kleine Teile genau bearbeitet werden. Aufgrund der abgerundeten Natur des Werkzeugs haben die Innenecken immer einen Radius, aber die Außenflächen können sehr scharfe Kanten haben.
3d Drucken. Unterschiedliche 3D-Drucker bieten unterschiedliche Maßhaltigkeit. Die Mindestwandstärke wird durch die Größe der Endausführung (z. B. Düsendurchmesser bei FDM oder Laserpunktgröße bei SLS) begrenzt. Da Teile Schicht für Schicht aufgebaut werden, kann das endgültige Teil Schichtlinien aufweisen, insbesondere bei gekrümmten Teilen. Maschinen in Industriequalität können Teile mit sehr guten Toleranzen herstellen. Wenn enge Toleranzen erforderlich sind, ist eine spanende Bearbeitung während der Nachbearbeitung erforderlich. Dies fügt einen zusätzlichen Schritt hinzu und ist weniger effizient als die CNC-Bearbeitung.
Die folgende Tabelle listet Toleranzen, Wandstärken und maximale Teilegrößen für verschiedene Technologien auf
Herstellungsprozess | Toleranz | Mindest. Schichtdicke | max. Volumen aufbauen |
CNC | ± 0.005 – 0.125 mm | Schnitttiefe 0.01 mm | Bis zu 2000 x 800 x 1000 mm |
SLS | ± 0.3 mm | 0.1-1.5 mm | Bis zu 340 x 340 x 605 mm |
FDM | ± 0.3 mm | 0.2-0.8 mm | bis zu 914 x 610 x 914 mm |
MJF | ± 0.3 mm | 0.08mm | bis zu 380 x 284 x 380 mm |
Dmls | ± 0.1 mm | 0.4 mm | Bis zu 230 x 150 x 150 mm |
Datenquelle DDPROTOTYPE.
Wie Sie dem Symbol entnehmen können, kann die CNC-Bearbeitung größere und präzisere Teile herstellen als herkömmliche 3D-Drucktechniken wie FDM, SLS oder MJF usw. Für Teile in medizinischen Geräten, der Luft- und Raumfahrt und anderen Bereichen, die eine hochpräzise CNC-Bearbeitung erfordern ist eine ideale Wahl.
4. Schnelligkeit
3D-Druckverfahren wie MJF und FDM eignen sich hervorragend für die schnelle Fertigung kleinerer Stückzahlen, abhängig von Geometrie und Größe des Bauteils. Sobald die 3D-Datei erstellt ist, müssen lediglich Ausrichtung, Füllung und Stützstrukturen ausgewählt und der Druckvorgang gestartet werden. Anschließend sind keine weiteren Einstellungen erforderlich, und die Fertigstellung des Bauteils dauert in der Regel nur wenige Stunden. Die Nachbearbeitung hängt vom Bearbeitungsprozess und den Anforderungen der 2D-Datei ab.
CNC-Bearbeitung. Im Vergleich zum 3D-Druck ist die CNC-Bearbeitung arbeitsintensiver und erfordert mehr Bediener und Einstellungen. Erfahrene CNC-Bearbeiter wählen Materialien, Maschinen, Programmierung, Werkzeuge und deren Drehzahlen sowie die Schnittwege aus, positionieren Vorrichtungen manuell und fertigen mitunter sogar kundenspezifische Vorrichtungen im Voraus an. Dies verlängert die Bearbeitungszeit. Zusätzlich können hier Nachbearbeitungstechniken wie Anodisieren, Elektrophorese usw. durchgeführt werden, die weitere Zeit in Anspruch nehmen.
Martin sagte: „Wenn Sie bei DDPROTOTYPE ABS für die Bearbeitung von 50 Stück mittelkomplexer Teile wählen, beträgt die Bearbeitungszeit mit der FDM-Technologie durchschnittlich 1 Arbeitstag, während die Bearbeitungszeit für die CNC-Bearbeitung 3 Tage beträgt. Wenn Sie mehr als 500 Teile herstellen müssen, kommt die Fertigungseffizienz der CNC-Bearbeitung ins Spiel, die aufgrund der Wiederholbarkeit der CNC-Bearbeitung viel schneller ist als der 3D-Druck.“ Während einige Drucker auf dem Markt beeindruckende Druckgeschwindigkeiten haben, wird beim 3D-Druck im Allgemeinen mehr für das Prototyping als für die Produktion verwendet. Einige einfach strukturierte Teile können auf einer CNC in Minuten bearbeitet werden, auf einem 3D-Drucker jedoch Stunden dauern.
5，Modellkomplexität
3D-Druck. Mit 3D-Druck lassen sich Teile beliebiger Form mit wenigen geometrischen Einschränkungen herstellen. Die meisten 3D-Technologien wie FDM oder SLM/DMLS benötigen Stützstrukturen, die in der Nachbearbeitung entfernt werden können. Freiformige Kunststoffteile lassen sich problemlos mit Pulverschmelzverfahren wie SLS oder Multi Jet Fusion (MJF) fertigen, ohne dass Stützstrukturen erforderlich sind. Die Fähigkeit des 3D-Drucks, hochkomplexe Geometrien herzustellen, ist bemerkenswert.
CNC-Bearbeitung. Selbstverständlich lassen sich mit CNC-Maschinen auch recht komplexe Teile bearbeiten. Um solche Teile herzustellen, ist es oft notwendig, das Werkstück während des Bearbeitungsprozesses zu wenden und die Position zu fixieren, da selbst bei 5-Achs-CNC-Maschinen das Werkzeug manchmal nicht alle Oberflächen des Bauteils erreicht.
6. Kosten
Nur über den Preis zu diskutieren, der Unterschied zwischen CNC-Fräsen und 3D-Druck scheint nicht zu einem genauen Schluss zu führen. Dies variiert mit verschiedenen Faktoren, wie Material, Menge, Verarbeitungsschwierigkeiten usw.
Unabhängig davon, ob Sie 1 Teil oder 100 Teile herstellen, die Kosten für ein einzelnes Teil, das durch 3D-Druck hergestellt wird, bleiben im Wesentlichen gleich und sind normalerweise niedriger als bei der CNC-Bearbeitung. Bei größeren Teilemengen, z. B. 100+, ist die CNC-Bearbeitung wirtschaftlicher. Laut Martin ist eines unserer häufigsten Missverständnisse, dass CNC-Bearbeitungsdienste teuer sind. Tatsächlich kann das CNC-Prototyping bereits bei etwa 20 US-Dollar pro Teil beginnen, wobei die Stückpreise dramatisch sinken, wenn mehr Stückzahlen hergestellt werden.
7. Umweltschutz
Die CNC-Bearbeitung beginnt mit einem Rohling und verwendet verschiedene Werkzeuge, um überschüssiges Material zu entfernen. Dadurch bleiben große Mengen an Feinstaub und kleinen Materialstückchen zurück, die nicht wiedergewonnen werden können und gereinigt und entsorgt werden müssen. Beim 3D-Druckverfahren hingegen werden dem Drucker Rohstoffe zugeführt, um das Teil Schicht für Schicht aufzubauen. Dieses Verfahren erfordert nur die Verwendung von Rohstoffen, kein Durcheinander oder Abfall, daher ist es ein umweltfreundlicheres Herstellungsverfahren.
8. Fallstudien
Wir untersuchen den Unterschied zwischen CNC-Bearbeitung und 3D-Druck anhand von zwei Beispielen, die intuitiver und verständlicher erscheinen. Dies sind 2 Projekte, die DDPROTOTYPE im Jahr 2021 durchgeführt hat. Wir nehmen die Verarbeitung von Kunststoffschalen und die Verarbeitung von Metallhalterungen als Beispiele.
Prototyp eines Kunststoffgehäuses. Die Herstellung von Kunststoffgehäusen für Elektronik ist ein entscheidender Schritt vor der Serienproduktion. Schnelle Fertigung, niedrige Kosten und kurze Entwicklungszeiten sind die Anforderungen der Kunden. Das Elektronikgehäuse enthält Schnappverschlüsse, Filmscharniere, Verriegelungsverbindungen und andere Befestigungselemente. Diese Funktionen lassen sich durch CNC-Bearbeitung oder 3D-Druck (FDM oder SLS) realisieren. Hochpräzise und ästhetisch ansprechende Kunststoffprototypen können sowohl mit CNC als auch mit SLS hergestellt werden, wobei Desktop-FDM kürzere Bearbeitungszeiten und geringere Kosten bietet. DDPROTOTYPE fasst den Vergleich der beiden Verfahren in der Tabelle zusammen.
CNC-Bearbeitung | Desktop-FDM | SLS | |
Cost | $$ | $ | $$ |
Häufig verwendetes Material | ABS, Nylon | PLA, ABS, Nylon | Kunststoffbälle |
Lieferung | 5 Tage | 1.5 Tage | 2Days |
Genauigkeit | ± 0.121mm | ± 0.485 mm | ± 0.287 mm |
Kostengünstiger Gehäuseprototyp, hergestellt mit FDM 3D-Druck
Metallprototyp eines Laufrads. Metalllaufräder sind für den Einsatz unter hohen Belastungen und Temperaturen ausgelegt und müssen präzise in Wellen passen. Der Kunde fordert präzisere Abmessungen und eine höhere Materialqualität des Laufrads.
CNC-Bearbeitung | SLM/DMLS | Binderdüsen | |
Kosten | $$ | $ $ $ $ | $ $ $ |
Gemeinsame Materialien | Aluminium, Edelstahl, Messing | Edelstahl, Aluminium, Titan, Inconel-Kobalt-Chrom | Edelstahl, Inconel-Kobalt-Chrom, Wolfram, Hartmetall |
Genauigkeit | ± 0.022 mm | ± 0.108 mm | ± 0.214 mm |
Mechanisches Verhalten | Sehr gut | Sehr gut | Gut |
9. Kurze Zusammenfassung
Es gibt keine klare Antwort, keine Technologie, die mit allen Vorteilen ausgestattet ist, und sowohl die CNC-Bearbeitung als auch der 3D-Druck haben ihre einzigartigen Vor- und Nachteile, die von Faktoren wie Material, Vorlaufzeit, geometrischer Komplexität, Präzision, Menge und Budget abhängen . DDPROTOTYPE hat sorgfältig eine Vergleichstabelle als Referenz zusammengefasst.
CNC-Bearbeitung | 3d Drucken | |
Mechanische Eigenschaften | ⭐⭐⭐ | ⭐ |
Prototyping | ⭐ | ⭐⭐⭐ |
Kosten | Günstiger für mittlere bis große Serien | Günstiger für Kleinserien |
Seitenwechsel | ⭐ | ⭐⭐⭐ |
Polymerauswahl | ⭐⭐ | ⭐⭐⭐ |
Komplexität des Designs | ⭐⭐ | ⭐⭐⭐ |
Maßhaltigkeit | ⭐⭐⭐ | ⭐ |
Einzelheiten und Auflösung | ⭐⭐⭐ | ⭐⭐ |
Große Teilegröße | ⭐⭐⭐ | ⭐ |
Gut-⭐ Besser-⭐⭐ Am besten-⭐⭐⭐ | ||
10. Tipps zur Wahl des richtigen Herstellungsverfahrens
Bevor Sie sich für das richtige Herstellungsverfahren entscheiden, lesen Sie bitte die Tipps, bevor Sie die endgültige Entscheidung treffen.
Wie wirkt sich die Menge auf die Wahl des Herstellungsverfahrens aus? Die Wahl des 3D-Drucks ist eine Überlegung wert, wenn Sie kleine Chargen von Teilen (weniger als 50 Stück) benötigen. Wenn die Menge 100 bis 1000 Stück erreicht, wäre die CNC-Bearbeitung besser.
Sind die hergestellten Teile komplex? Für kleine Mengen, aber hochkomplexe kundenspezifische Teile ist der 3D-Druck oft billiger und schneller. Die CNC-Bearbeitung erfordert mehr Bediener und Einrichtung und kostet im Allgemeinen mehr als der 3D-Druck.
Welche Materialien werden benötigt? Da die CNC-Bearbeitung eine ausgereiftere Technologie ist, gibt es eine größere Auswahl an kompatiblen Materialien. Aber für sehr schwer zu verarbeitende metallische Superlegierungsmaterialien wie Titan oder flexibles TPU ist es klüger, sich für den 3D-Druck zu entscheiden.
