Выбор между 3D‑печатью и ЧПУ‑фрезерованием для прототипной лаборатории: практическое руководство

Для точной оценки нужд прототипной лаборатории первым делом решаем: 3D‑печать или ЧПУ‑фрезерование

Оба метода критичны для современного производства, каждый с преимуществами над традиционными методами. В конечном счете, выбор между 3D‑печатью и ЧПУ зависит от: бюджета, размера детали/прототипа, типа материалов.

Поэтому мы расставляем всё по местам и развеиваем недоразумения. Хотя 3D‑печать имеет свое место, важно не быть кратковзорыми при оценке ЧПУ‑фрезеров для промышленного прототипирования.

Далее — разбор определений, историй, применений, прогнозов для обоих процессов по мере эволюции производства. Надеемся, информация поможет решить, что именно нужно вашему бизнесу при создании прототипной лаборатории.

Определение 3D‑печати vs ЧПУ‑фрезерования

Просто: 3D‑печать — процесс создания 3D‑объектов аддитивным/слоистым наложением материалов. Поэтому также называют аддитивным производством.

По Investopedia: «Технология 3D‑печати уже повышает производительность и имеет потенциал масштабно изменить логистику и управление запасами — если получится использовать в серийном производстве и сделать производство более локальным».

ЧПУ: «Системы числового программного управления автоматизируют управление режущими инструментами через ПО во встроенном микрокомпьютере. Широко применяются для обработки металлов и пластиков».

Частое заблуждение: автоматизация ЧПУ стоит дорого — из‑за мифа о необходимости высококвалифицированного персонала. Реальность: ЧПУ ушло далеко от этих исходных истин.

3D‑печать: краткая история

Современные приложения уходят корнями в ранние 1980‑е. История — быстрая эволюция. После зачатия 3D‑печати в 1981 г. — 1984: стереолитография (создание моделей/прототипов/выкройок/серийных деталей слой за слоем фотохимическими процессами: свет сцепляет мономеры в полимеры).

Медицина быстро освоила 3D‑печать: 1999 — Wake Forest Institute (д-р Энтони Атала) успешно напечатал и вырастил ткань мочевого пузыря, имплантированную пациентам с минимальным риском отторжения (собственная клеточная структура).

2016 — институт напечатал живые тканевые структуры (ухо, кость, мышца) на спец. 3D‑принтере, разработанном за десятилетие. При имплантации животным они созрели в функциональные ткани с кровеносной системой.

Сейчас: «Самое передовое ожидаемое применение — биопечать сложных органов. Оценка: менее 20 лет до полностью функционального печатаемого сердца».

Промышленное быстрое прототипирование: «Производители увеличивают зависимость от 3D‑печати в стратегиях, производственное использование выросло до 51% опрошенных от 38,7% в 2018 г.».

Неудивительно, учитывая Forbes «The State of 3D Printing, 2019»:

8 отраслей в исследовании: Промтовары (13,6%), High Tech (10,6%), Услуги (9,9%), Товары народного потребления (8,6%), Здравоохранение (6,2%), Авто (5,7%), Аэрокосмос/оборона (5,5%), Образование (4,9%) — разнообразие потенциала 3D‑печати.

Однако в «Битве производства: Аддитивное vs Субтрактивное» ЧПУ царит: «Хотя аддитивное делает впечатляющие вroads в аэро и авто, ЧПУ остается главным выбором для подавляющего большинства производителей».

Как появились ЧПУ‑фрезеры

История ЧПУ 100: изначально NC‑станки — «управлялись сложной электрической схемой. Читали и исполняли одну строку кода из программы, مثقوبной на бумажной или миларной ленте».

С развитием малых компьютеры начали управлять инструментами — рождение ЧПУ. От первой строки кода — к хранению сотен программ.

Для глубокой истории — Encyclopedia.com. Ключевые вехи:

• Столярные токарные — библейские времена, но 1800 — Генри Модслей изобрел металлообрабатывающий токарный.
• 1818 — Илай Уитни (изобретатель轧棉机) представил первую фрезерную машину.
• Оба требовали оператора — человеческие ошибки в деталях.
• После WWII — Джон Т. Парсонс внедрил первый современный фрезер с ранним IBM компьютером.
• 1960‑е — снижение цен, доступность, интеграция в новые приложения/отрасли.
• С развитием интегральной электроники бумажная/миларная лента ушла, современные читают данные из памяти программы.

Сейчас: «Распространенные процессы с ЧПУ: гибка, сверление, пробивка, клеение, шлифовка, лазерная/плазменная/газовая резка, фрезеровка, пик‑плейс, ультразвуковая сварка и др. Фрезеры, токарные, ЭРО, водорезы часто работают на ЧПУ».

Краткий обзор историй обоих показывает потенциал оптимизации ваших процессов при создании прототипной лаборатории.

Оценка аддитивных vs субтрактивных процессов

Чтобы определить, нужно ли 3D‑печать или ЧПУ, сначала решите: ваши продукты лучше доставляются аддитивным или субтрактивным способом.

Ключевое преимущество субтрактивного над аддитивным: «Помимо устранения слоистости аддитивных процессов, субтрактивные дают разнообразие чистот поверхности, устраняя «ступенчатые» поверхности многих аддитивных процессов. Чистота может быть функционально важна (детали должны скользить) и косметически — для маркетинговых прототипов».

Помогает рассмотреть типы приложений.

Понимание аддитивных vs субтрактивных приложений

Хотя новичок, «аддитивное уже используется для впечатляющего массива продуктов». В основном: аэрокосмос, авто, здравоохранение, разработка продуктов.

Несмотря на тренд 3D‑печати, факт: «Субтрактивное дает возможность проектировать, прототипировать и производить из конечных материалов. Подходит для малых и крупных серий, для получения конкретных чистот или механических свойств».

Поэтому «Субтрактивные процессы широко используются в производстве… Токарная, фрезерная, сверление, пила, резьбление, зубонарезание — примеры субтрактивных процессов резания металла, традиционно на спец. станках».

Помимо приложений, есть другие факторы при взвешивании 3D‑печати и ЧПУ.

Шум и вибрация

Базовые инструменты ЧПУ: фреза, токарная, плазма, ЭРО, мультишпиндельный, водорез — не трудно представить, что субтрактивное производит больше шума и вибрации на месте, чем аддитивное (3D‑печать). Зависит от локации — это определит оптимальную лабораторию.

Что проще: 3D‑принтеры или ЧПУ?

Обычно 3D‑печать считается проще. Причина: «после подготовки файла выбираете ориентацию, заполнение, поддержку если нужно. После старта печати надзор не нужен — принтер работает до конца».

ЧПУ более трудоемко, отсюда миф о необходимости наладчика. Раньше так было, но времена меняются.

Наши станки DATRON имеют функции для легкой наладки. Машина проведет новичка через весь 8‑шаговый процесс наладки ЧПУ впервые. В среднем 1–2 дня обучения — чтобы чувствовать уверенно.

Интерфейс как смартфон, с камерой и механическим зондом, автоматически регистрирующим деталь — не нужен квалифицированный техник для ввода данных. Интегрированные решения закрепления и режущий инструмент в комплекте — весь процесс in‑house, без закупки компонентов у сторонних.

Знайте ограничения: точность, размер, геометрическая сложность

Josh Biggs: «ЧПУ — отличный вариант для высокой размерной точности. Работает с материалами, неподдающимися печати (дерево). ЧПУ побеждает 3D‑печать при металлах и равноценно с пластиками».

«ЧПУ дает более точные результаты. Лучше для очень узких деталей или сверхтугих допусков. Ничто не сравнится с 0,01 мм допусками».

Даже команда 3Dnatives (посвящена аддитивному) признает: «По допускам ЧПУ превосходит все 3D‑процессы».

Но при высокой геометрической сложности — преимущество у 3D‑печати.

Взвешивание затрат: 3D‑печать vs ЧПУ

Производство — не одно решение. Бюджет зависит от продукта, размера, количества.

По простому cost‑benefit анализу Biggs:

Interesting Engineering развенчал миф о дороговизне ЧПУ.

Очевидно, самый выгодный путь определяется вашими конкретными дизайнами и планами.

У 3D‑принтеров опции, размеры, цены — широкий разброс, так и материалы. Плюс неизвестные затраты на материалы, обучение операторов резидентным экспертом — инвестиции в обучение штата.

С оборудованием DATRON: станки обрабатывают пластик, дерево, алюминий, сталь от любого поставщика — можно заранее оценить затраты на материалы. Никакого продвинутого обучения не нужно — экономия на штате, делая DATRON ЧПУ более costeffective.

Без отходов к желаемому

Учитывая природу субтрактивного — снос слоев для создания продукта — неудивительно, что ЧПУ может оставить грязь.

Energy.gov в обзоре 2015 «Инновации чистых энергетических технологий в передовитном производстве» выделил плюс аддитивного: «потенциал экономии энергии за счет устранения производственных этапов, использования значительно меньше материала, повторного использования побочных продуктов, производства более легких изделий».

Отчет продолжается:

Введение чистого акта

В DATRON доводим высокоскоростное оборудование до устранения грязи: готовые детали снимаются без зачистки и дегуазирования.

Кроме того, инструменты и аксессуары DATRON дают максимальные RPM в самом компактном станке на рынке — наша зеленая инициатива.

Типичные промышленные ЧПУ‑фрезеры имеют крупные двигатели, генерирующие много тепла, требующие масла для охлаждения/смазки. Утилизация масла риск для экологии (крупные разливы в прошлом).

Мы не нуждаемся в таком количестве тепла, масла или флуд‑охлаждения — лучшая энергоэффективность от меньшего фуутпринта.

Вердикт: 3D‑печать vs ЧПУ

Что нужно в вашей прототипной лаборатории — 3D‑печать или ЧПУ — лучше всего определяется вашим продуктом. Надеемся, информация дала ясность, но правда: оба могут работать — или дополнять друг друга, исходя из производственных нужд.

Фактически, есть кейсы для объединения 3D‑печати и ЧПУ, в основном из‑за допусков, времени и/или крупногабаритных заготовок; более того, «Объединение не требует сложного воркфлоу, которое вы можете вообразить. Не менее важно, это может дать несколько значимых выгод для вашей производственной компании».

Для глубокого обсуждения идеального процесса или комбинации для вашей прототипной лаборатории — свяжитесь с нами. Быстро отвечаем, с удовольствием делимся экспертизой.