Wird der 3D-Druck die maschinelle Bearbeitung ersetzen?

Der 3D-Druck hat sich über seinen anfänglichen Nutzen hinaus entwickelt, der meist auf die Herstellung von Prototypen beschränkt war. Da die 3D-Drucktechnologien immer besser werden, werden sie zu einer praktischen Alternative zur maschinellen Bearbeitung. Deshalb fragst du dich vielleicht, ob der 3D-Druck die maschinelle Bearbeitung (z. B. CNC) ersetzen kann oder wird.

Der 3D-Druck wird die maschinelle Bearbeitung wahrscheinlich nicht in dem Maße ersetzen, dass sie als überflüssig angesehen wird. Sowohl der 3D-Druck als auch die CNC-Bearbeitung, wie z.B. Fräsen und Drehen, haben ihre Stärken und Schwächen, z.B. in Bezug auf Genauigkeit, Kosten, Vorlaufzeit, Materialien und Produktionsumfang.

Der 3D-Druck bietet ein paar Vorteile, die die maschinelle Bearbeitung nicht bieten kann. Ebenso kann die CNC-Bearbeitung alle Desktop- und industriellen 3D-Drucktechnologien, die derzeit verfügbar sind, ausstechen und übertreffen. Lies weiter, um herauszufinden, warum der 3D-Druck die maschinelle Bearbeitung nicht ersetzen wird, sondern die beiden Technologien nebeneinander existieren werden.

3D-Druck vs. Zerspanung: Was ist besser?

Theoretisch kannst du additive 3D-Drucktechnologien mit jedem subtraktiven Bearbeitungsverfahren vergleichen, auch mit dem 5-Achs-CNC-Fräsen. Allerdings hat ein solcher Vergleich aufgrund der Einschränkungen sowohl der additiven als auch der subtraktiven Fertigung möglicherweise keine durchschlagenden praktischen Auswirkungen.

Sowohl der 3D-Druck als auch die maschinelle Bearbeitung bieten einzigartige Vor- und Nachteile. Welche Option die bessere ist, hängt von dem Produkt, der Produktionsgröße und den verwendeten Materialien ab.

Der pragmatische Ansatz besteht also darin, die Vor- und Nachteile des 3D-Drucks gegenüber der maschinellen Bearbeitung zu bewerten, damit du je nach deinen Zielen und Prioritäten entscheiden kannst, was für dich besser ist. Im Folgenden wollen wir die Vor- und Nachteile der beiden Verfahren untersuchen:

3D-Drucktechnologien sind stärker automatisiert als die CNC-Bearbeitung

3D-Drucktechnologien erfordern wenig bis gar keine Eingriffe, nachdem ein Entwurf fertiggestellt, geschnitten und in die Maschine eingespeist wurde.

Dies gilt für alle Arten von 3D-Drucktechnologien, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die folgenden:

• Thermoplastische Kunststoffe oder Filamente: FDM/FFF
• Photopolymere oder Harz: DLP, LCD, SLA
• CDLM: Kontinuierliche digitale Lichtfertigung
• SLM: Selektives Laserschmelzen
• SLS: Selektives Laser-Sintern
• DMLS: Direktes Metall-Laser-Sintern

Auch die CNC-Bearbeitung ist weitgehend automatisiert, erfordert aber einige manuelle Eingriffe während des Herstellungsprozesses, wie z. B. die Neuausrichtung, Neuorientierung oder Neupositionierung des Rohlings. Außerdem muss im Gegensatz zur CNC-Bearbeitung niemand den laufenden 3D-Druck überwachen oder beaufsichtigen.

Die maschinelle Bearbeitung erfordert in der Regel eine längere Vorlaufzeit als der 3D-Druck

Sowohl beim 3D-Druck als auch bei der Bearbeitung müssen Designer/innen, Ingenieur/innen und Hersteller/innen Betriebsanweisungen über Software bereitstellen. Bei der maschinellen Bearbeitung ist dieser Prozess jedoch in der Regel länger.

3D-Drucker können die erforderlichen Betriebswege für die Extruder, Laser und andere Teile konfigurieren. Bei der CNC-Bearbeitung muss der/die Bediener/in diese Details für die jeweiligen Werkzeuge beurteilen und die notwendigen Änderungen für ein bestimmtes Projekt vornehmen, bevor er/sie den gesamten Prozess abschließt.

Die Bearbeitung erfordert also eine längere Vorlaufzeit. Allerdings ist die Durchlaufzeit nur dann deutlich kürzer, wenn du etwas Einfaches oder Kleines druckst. Auch komplizierte Entwürfe können eine längere Vorlauf- oder Vorbereitungszeit für 3D-Drucker erfordern.

3D-Druck ist besser für Prototypen und kleinere Produktionsgrößen

Die meisten 3D-Drucker haben nicht das Bauvolumen, das bei der maschinellen Fertigung möglich ist. Deshalb eignet sich der 3D-Druck besser für Prototypen und die Herstellung kleinerer Teile. Der Produktionsmaßstab ist also viel kleiner als bei der maschinellen Bearbeitung.

Betrachte die Standardkapazitäten der Bearbeitung. Beim CNC-Fräsen kannst du ein Bauvolumen oder einen Arbeitsraum von 78,74 Zoll x 31,5 Zoll x 39,37 Zoll (2.000 mm x 800 mm x 1.000 mm) erreichen. CNC-Drehmaschinen können Teile mit einem Durchmesser von bis zu 508 mm (20 Zoll) und manchmal sogar noch größer bearbeiten.

Hier siehst du, wie sich die Kapazitäten und maximalen Bauvolumen der meisten 3D-Druckerbetten oder -platten vergleichen lassen:

• Desktop FDM und SLS: 11,81 Zoll x 11,81 Zoll x 11,81 Zoll (300 mm x 300 mm x 300 mm)
• Desktop SLA (groß): 13,2 Zoll x 7,9 Zoll x 11,8 Zoll (335 mm x 200 mm x 300 mm)
• Industrielle FDM oder FFF: 35,43 Zoll x 23,62 Zoll x 35,43 Zoll (900 mm x 600 mm x 900 mm)
• SLM (Multi-Laser): 11,02 Zoll x 11,02 Zoll x 14,37 Zoll (280 mm x 280 mm x 365 mm)

Die maschinelle Bearbeitung liefert eine bessere Genauigkeit oder Toleranz als der 3D-Druck

Die Genauigkeit oder Toleranz beim 3D-Druck kann je nach Material und Technologie zwischen 100 Mikrometer (0,1 mm) und 500 Mikrometer (0,5 mm) oder mehr liegen. Die CNC-Bearbeitung bietet eine außergewöhnliche Genauigkeit oder Toleranz von nur 5 Mikrometern (0,00508 mm).

Außerdem kann es beim 3D-Druck zu Schichtungsproblemen kommen, z. B. zu schlechter Verarbeitung und sichtbaren Ungenauigkeiten, die bei gekrümmten Teilen und anderen feineren Details oder Elementen eines Designs deutlicher werden. Bei der maschinellen Bearbeitung treten solche Probleme nicht auf, weil es sich um ein subtraktives Verfahren handelt, nicht um ein additives.

3D-Druck ist für komplexe Geometrien geeignet, CNC-Bearbeitung nicht

Die CNC-Bearbeitung ist nicht ideal für komplexe Geometrien, weil die Werkzeuge bestimmte Teile eines Rohlings nicht erreichen können. Der 3D-Druck baut eine Schicht nach der anderen auf, unabhängig von der Höhe oder Dicke. Daher sind fast alle 3D-Drucktechnologien für komplexe Geometrien besser geeignet als die CNC-Bearbeitung.

Der größte Unterschied wird deutlich, wenn du die Topologieoptimierung betrachtest. Wenn du eine komplexe Geometrie mit der Topologieoptimierung für ein bestimmtes Bauteil oder Produkt kombinierst, ist es unwahrscheinlich, dass die maschinelle Bearbeitung erfolgreich ist. Du könntest sogar Schwierigkeiten haben, den Weg der Werkzeuge mit der CNC zu berechnen.

CNC-Bearbeitung bietet bessere mechanische Eigenschaften als der 3D-Druck

Beim 3D-Druck kann kein Material seine vollen oder optimalen isotropen Eigenschaften erreichen. Da es sich bei einem additiven Verfahren standardmäßig um eine gerichtete Fertigungstechnik handelt, sind die isotropen Eigenschaften nicht identisch mit denen desselben Materials, wenn es maschinell bearbeitet wird.

Außerdem sind die mechanischen und physikalischen Eigenschaften von maschinell gefertigten Teilen deutlich zuverlässiger und stärker als die Eigenschaften von 3D-gedruckten Bauteilen. Dieser Aspekt ist nach wie vor der wichtigste Faktor für funktionale Bauteile, vor allem im Hinblick auf die Sicherheit.

3D-Druck ist finanziell rentabler als maschinelle Bearbeitung in kleinem Maßstab

Die CNC-Bearbeitung erfordert eine größere Investition für die Einrichtung. Bei der maschinellen Bearbeitung wird auch mehr Material verbraucht als beim 3D-Druck, was zu Verschwendung führt. Ein Großteil des Materials, das beim 3D-Druck verschwendet wird, wird recycelt und wiederverwendet, was bei der Bearbeitung nicht unbedingt der Fall ist.

Außerdem sind die Herstellungskosten pro Einheit beim 3D-Druck aufgrund der kürzeren Vorlaufzeit und des schnelleren Prozesses geringer. Bei mittleren bis großen Stückzahlen ist die maschinelle Fertigung jedoch finanziell rentabler. Außerdem ist die Wiederholbarkeit bei gleicher Genauigkeit bei der maschinellen Fertigung besser vorhersehbar als beim 3D-Druck.

CNC-Bearbeitung ist für einige Materialien und Superlegierungen nicht ideal oder geeignet

Bei der maschinellen Bearbeitung wird mehr Material verschwendet als beim 3D-Druck, daher ist sie nicht ideal, wenn du mit einem teuren Rohling arbeitest. Außerdem ist die CNC-Bearbeitung im Gegensatz zum 3D-Druck nicht für Superlegierungen geeignet. Und einige flexible Materialien lassen sich im 3D-Drucker leichter bearbeiten als in der CNC-Bearbeitung.

Fazit

Während es für die Bearbeitung von Superlegierungen Umgehungslösungen gibt, ist der 3D-Druck noch in der Entwicklung, um mit der immer länger werdenden Liste von Materialien so einwandfrei wie gewünscht zu arbeiten. Wenn man alle Vor- und Nachteile bedenkt, werden 3D-Druck und maschinelle Bearbeitung in absehbarer Zukunft nebeneinander bestehen und sich gegenseitig ergänzen.