Следуйте за мной на: 
CNC-обработка или 3D-печать для вашего проекта?
Примерно десять лет назад новости о 3D-печатном огнестрельном оружии доминировали в заголовках производственной прессы, и 3D-печать до сих пор остается актуальной темой. С развитием науки и техники технология 3D-печати становится все более зрелой, и изготовленные из пластика или металла детали используются в различных областях, но они не полностью заменили традиционные производственные процессы, такие как обработка на станках с ЧПУ, вакуумное литье, литье под давлением и т. д. Это создает путаницу для дизайнеров. Если у меня есть прототип или мелкосерийный проект, как мне выбрать наиболее подходящую технологию обработки? В этой статье я поделюсь некоторыми техническими рекомендациями по обработке на станках с ЧПУ и 3D-печати, чтобы помочь вам понять, чем они отличаются по многим параметрам, таким как точность, материалы, стоимость, качество, эффективность и скорость, чтобы определить, что лучше выбрать для вашего проекта: обработка на станках с ЧПУ или 3D- печать.
1，Субтрактивное и аддитивное производство
Основное различие между ними заключается в том, что обработка с ЧПУ — это субтрактивное производство, а 3D-печать — аддитивное производство.
Обработка на станках с ЧПУ. Как известно, обработка на станках с ЧПУ — это процесс субтрактивного производства , который начинается с цельного куска материала (часто называемого заготовкой), а затем с помощью инструмента вырезается и удаляется излишки материала для создания детали. Это один из самых популярных методов производства прототипов и деталей для мелкосерийного и крупносерийного производства, отличающийся повторяемостью, высокой точностью размеров, высоким качеством поверхности и совместимостью со многими материалами, включая дерево, металл и пластик.
3D-печать. 3D-печать работает в обратном направлении и является процессом аддитивного производства. Хотя программное обеспечение CAD и CAM также используется для проектирования и создания деталей на заказ, процесс начинается не с резки материала, а с использования пластиковой нити (FDM), смолы (SLA/DLP), пластикового или металлического порошка (SLS/DMLS/SLM) и т. д. Материал добавляется и отверждается слой за слоем до создания конечного продукта. 3D-печать позволяет создавать сложные геометрические формы, обеспечивает высокую точность, быструю обработку и, в некоторых случаях, более низкую стоимость деталей.
Отвлеченная тема . Если объединить станки с ЧПУ и 3D-принтеры в устройство, обладающее преимуществами обоих типов станков, разве это очевидное решение? Есть специалисты, которые выдвинули эту безумную идею, например, ZMorph 2.0 SX, который позиционируется как 3-осевой фрезерный станок с ЧПУ и может использоваться как 3D-принтер. Кроме того, несколько компаний недавно успешно завершили кампании на Kickstarter, используя эти комбинированные устройства, например, 3D-принтер Mooz «3 в 1». В настоящее время создание подобного совместимого устройства все еще находится на стадии исследования.
2. Сравнение используемых материалов.
И обработка с ЧПУ, и 3D-печать совместимы с широким спектром материалов, включая пластики и металлы. 3D-печать больше ориентирована на изготовление пластиковых деталей. В настоящее время ситуация меняется: такие производители, как 3D Systems, Arcam, Desktop Metal и Markforged, разрабатывают более совершенные и более дешевые способы 3D-печати металлами.
Обработка на станках с ЧПУ. К наиболее часто используемым пластикам в обработке на станках с ЧПУ относятся ABS, нейлон (PA66), поликарбонат (PC), акрил (PMMA), полипропилен (PP), POM и PEEK, а также другие. Алюминий является наиболее широко используемым материалом в обработке на станках с ЧПУ. По словам Мартина, инженера компании DDPROTOTYPE, производителя передовых прототипов в Китае: «70% нашего материала — это алюминий, и различные детали, которые мы производим, используются в различных отраслях промышленности». Алюминий — это перерабатываемый материал с хорошими свойствами и легкостью обработки; к другим часто используемым металлам относятся нержавеющая сталь, магниевые сплавы, цинковые сплавы, титановые сплавы, медь и т. д.
3D-печать. К наиболее часто используемым термопластам для 3D-печати относятся ABS, PLA, нейлон, ULTEM и другие фотополимеры. 3D-принтеры также могут печатать детали для керамики и даже имплантатов для человека. К наиболее часто используемым металлам в 3D-печати относятся алюминий, нержавеющая сталь, титан и инконель. Важно отметить, что для этого требуются дорогостоящие промышленные 3D-принтеры (вероятно, стоимостью более 100 000 долларов). Некоторые материалы, такие как суперсплавы или TPU (гибкие материалы), не могут быть обработаны на станках с ЧПУ, поэтому необходимо использовать такие производственные процессы, как 3D-печать или быстрое изготовление оснастки. 3D-печать не может обрабатывать древесину, поскольку ни один материал не может имитировать настоящую древесину.
Сравнение часто используемых материалов.
Производственный процесс | пластик | Металл |
Обработка с ЧПУ | ABS, нейлон, поликарбонат, PEEK, PC, PMMA, PP, POM PEEK и т. д. | Алюминий, нержавеющая сталь, магниевый сплав, цинковый сплав, титановый сплав, медь и т.д. |
3D печать | ABS, PLA, нейлон, ULTEM, ASA, TPU (гибкий материал) и т. д. | Алюминий, нержавеющая сталь, титан, инконель и т. д. |
Источник данных DDPROTOTYPE.
3. Точность и размер обрабатываемых деталей
По словам команды DDPROTOTYPE, основанной на значительном опыте, «в отношении допусков обработка с ЧПУ превосходит все процессы 3D-печати, даже DMLS». Если ваши детали должны иметь жесткие допуски, 3D-печать может быть не лучшим выбором.
ЧПУ обработки. Обработка на станках с ЧПУ позволяет добиться очень жестких допусков и лучшей обработки поверхности, например 0.005 мм, а также позволяет точно обрабатывать очень большие и очень маленькие детали. Из-за закругления инструмента внутренние углы всегда имеют радиус, но внешние поверхности могут иметь очень острые края.
3D печать. Разные 3D-принтеры предлагают разную точность размеров. Минимальная толщина стенки ограничена размером концевого исполнения (например, диаметром сопла в FDM или размером лазерного пятна в SLS). Поскольку детали строятся слой за слоем, окончательная деталь может иметь линии слоев, особенно на криволинейных деталях. Станки промышленного класса могут изготавливать детали с очень хорошими допусками. Если требуются жесткие допуски, требуется механическая обработка во время постобработки. Это добавляет дополнительный шаг и менее эффективно, чем обработка с ЧПУ.
В таблице ниже указаны допуски, толщина стенок и максимальные размеры деталей для различных технологий.
Производственный процесс | Отказоустойчивость | Мин. Толщина слоя | Максимум. построить объем |
ЧПУ | ± 0.005 – 0.125 мм | глубина резания 0.01 мм | До 2000 х 800 х 1000 мм |
SLS | ± 0.3 мм | 0.1–1.5 мм | До 340 х 340 х 605 мм |
FDM | ± 0.3 мм | 0.2–0.8 мм | до 914 х 610 х 914 мм |
МЖФ | ± 0.3 мм | 0.08 мм | до 380 х 284 х 380 мм |
ДМЛС | ± 0.1 мм | 0.4 мм | До 230 х 150 х 150 мм |
Источник данных DDPROTOTYPE.
Как видно из значка, обработка с ЧПУ может производить более крупные и более точные детали, чем обычные методы 3D-печати, такие как FDM, SLS или MJF и т. д. Для деталей медицинского оборудования, аэрокосмической и других областей, требующих высокой точности, обработка с ЧПУ это идеальный выбор.
4. скорость
Технологии 3D-печати, такие как MJF и FDM, известны своей эффективностью в быстром изготовлении небольших партий деталей, в зависимости от геометрии и размера детали. Это объясняется тем, что после подготовки 3D-файла, выбора ориентации, заполнения и опор, а также нажатия кнопки, дополнительная настройка не требуется, и обычно изготовление детали занимает всего несколько часов. Постобработка зависит от процесса механической обработки и требований 2D-файла.
Обработка на станках с ЧПУ. По сравнению с 3D-печатью, процесс обработки на станках с ЧПУ является трудоемким и требует большего количества операторов и настроек. Квалифицированные операторы выбирают материалы, станки, программное обеспечение, инструменты и их скорость вращения, траектории резания, вручную позиционируют приспособления и даже заранее изготавливают нестандартные приспособления. Это увеличивает время обработки. Кроме того, здесь могут быть выполнены такие постобработки, как анодирование, электрофорез и т. д., что может потребовать больше времени.
Мартин сказал: «В DDPROTOTYPE, если вы выбираете ABS для обработки 50 деталей средней сложности, время обработки с технологией FDM составляет в среднем 1 рабочий день, а для обработки с ЧПУ время обработки составляет 3 дня. Если вам нужно изготовить более 500 деталей, в игру вступает эффективность обработки с ЧПУ, которая намного быстрее, чем 3D-печать, благодаря воспроизводимости обработки с ЧПУ». В то время как некоторые принтеры на рынке имеют впечатляющую скорость печати, 3D-печать обычно больше используется для прототипирования, чем для производства. Некоторые детали простой конструкции можно обработать за считанные минуты на станке с ЧПУ, но на 3D-принтере это может занять несколько часов.
5，Сложность модели
3D-печать. 3D-печать позволяет изготавливать детали любой формы с минимальными геометрическими ограничениями. Большинство 3D-технологий, таких как FDM или SLM/DMLS, требуют наличия опорных конструкций, которые можно удалить в процессе постобработки. Любая пластиковая деталь произвольной формы может быть легко изготовлена с использованием процессов сплавления порошков, таких как SLS или Multi Jet Fusion (MJF), и опоры не требуются. Возможность 3D-печати создавать очень сложные геометрические формы.
Обработка на станках с ЧПУ. Конечно, на станках с ЧПУ можно обрабатывать и довольно сложные детали. Часто для изготовления сложных деталей необходимо переворачивать и фиксировать положение во время обработки, поскольку даже на 5-осевых станках с ЧПУ инструмент иногда не может достичь всех поверхностей детали.
6. Стоить
Простое обсуждение цены, разница между фрезерованием с ЧПУ и 3D-печатью, похоже, не приводит к точному выводу. Это зависит от различных факторов, таких как материал, количество, сложность обработки и т. д.
Независимо от того, изготавливаете ли вы 1 деталь или 100 деталей, стоимость одной детали, изготовленной с помощью 3D-печати, остается в основном одинаковой и обычно ниже, чем при обработке на станках с ЧПУ. Для большего количества деталей, например, более 100, обработка с ЧПУ более экономична. По словам Мартина, одно из самых распространенных заблуждений заключается в том, что услуги по обработке с ЧПУ стоят дорого. Фактически, изготовление прототипов с ЧПУ может начинаться всего с 20 долларов за деталь, при этом цены за единицу резко падают по мере увеличения количества произведенных изделий.
7. Защита окружающей среды
Обработка с ЧПУ начинается с заготовки и использует различные инструменты для удаления лишнего материала. В результате остается большое количество мелкой пыли и мелких частиц материала, которые невозможно восстановить и которые требуют очистки и утилизации. С другой стороны, в процессе 3D-печати сырье подается в принтер для построения детали слой за слоем. Этот процесс требует только использования сырья, без беспорядка или отходов, поэтому это более экологически чистый производственный процесс.
8. Тематические исследования
Мы изучаем разницу между обработкой с ЧПУ и 3D-печатью на двух примерах, которые кажутся более интуитивными и понятными. Это 2 проекта, которые компания DDPROTOTYPE реализовала в 2021 году. В качестве примеров мы возьмем обработку пластиковых оболочек и обработку металлических скоб.
Прототип пластикового корпуса. Изготовление пластикового корпуса для электроники — критически важный этап перед массовым производством. Быстрое изготовление, низкая стоимость и сокращенное время разработки — вот требования заказчика. В корпусе электроники могут быть защелки, шарниры, замковые соединения и другие крепежные элементы. Все эти функции могут быть реализованы с помощью станков с ЧПУ или 3D-печати (FDM или SLS). Высокоточные и эстетически привлекательные пластиковые прототипы могут быть изготовлены как с помощью станков с ЧПУ, так и с помощью SLS, но настольная технология FDM имеет более короткое время обработки и более низкую стоимость. DDPROTOTYPE приводит сводную таблицу сравнения каждого процесса.
CNC-обработка | Настольный FDM | SLS | |
Стоимость | $$ | $ | $$ |
Обычно используемый материал | АБС, нейлон | ПЛА, АБС, нейлон | нейлон |
и сроки сдачи | 5 дней | 1.5 дней | 2Days |
Точность подачи | ± 0.121mm | ± 0.485 мм | ± 0.287 мм |
Прототип недорогого корпуса, изготовленный с помощью 3D-печати FDM
Металлический прототип рабочего колеса. Металлические рабочие колеса могут работать при высоких нагрузках и температурах и должны устанавливаться на прецизионные валы. Заказчик требует более точных размеров рабочего колеса и лучшего качества материала.
Обработка с ЧПУ | УУЗР/ДМЛС | Связующее струйное | |
Стоимость | $$ | $ $ $ $ | $ $ $ |
Общие материалы | Алюминий, нержавеющая сталь, латунь | Нержавеющая сталь, алюминий, титан, кобальтовый хром Inconel | Нержавеющая сталь, инконель, кобальт, хром, вольфрам, карбид |
Точность подачи | ± 0.022 мм | ± 0.108 мм | ± 0.214 мм |
Механическое поведение | Хорошо | Хорошо | Хорошо |
9. Краткое резюме
Нет четкого ответа, нет технологии, обладающей всеми преимуществами, и как обработка с ЧПУ, так и 3D-печать имеют свои уникальные преимущества и недостатки, которые будут зависеть от таких факторов, как материал, время выполнения заказа, геометрическая сложность, точность, количество и бюджет. . DDPROTOTYPE тщательно обобщил сравнительную таблицу для справки.
CNC-обработка | 3D печать | |
Механические свойства | ⭐⭐⭐ | ⭐ |
Макетирования | ⭐ | ⭐⭐⭐ |
Стоимость | Дешевле для средней крупной серии | Дешевле для небольших серий |
Время оборота | ⭐ | ⭐⭐⭐ |
Выбор полимера | ⭐⭐ | ⭐⭐⭐ |
Сложность дизайна | ⭐⭐ | ⭐⭐⭐ |
Точность измерения | ⭐⭐⭐ | ⭐ |
Детали и разрешение | ⭐⭐⭐ | ⭐⭐ |
Большой размер детали | ⭐⭐⭐ | ⭐ |
Хорошо-⭐ Лучше-⭐⭐ Лучше-⭐⭐⭐ | ||
10. Советы по выбору правильного метода производства
Прежде чем выбрать правильный производственный процесс, ознакомьтесь с советами, прежде чем принять окончательное решение.
Как количество влияет на выбор метода производства? Выбор 3D-печати стоит рассмотреть, когда вам нужны небольшие партии деталей (менее 50 штук). Когда количество достигает от 100 до 1000 штук, обработка с ЧПУ будет лучше.
Изготовленные детали сложны? Для небольшого количества, но очень сложных нестандартных деталей 3D-печать часто дешевле и быстрее. Обработка с ЧПУ требует больше операторов и настроек и обычно стоит больше, чем 3D-печать.
Какие материалы требуются? Поскольку обработка с ЧПУ является более зрелой технологией, существует более широкий спектр совместимых материалов. Но для материалов из металлических суперсплавов, которые очень трудно обрабатывать, таких как титан или гибкий ТПУ, разумнее выбрать 3D-печать.
