3D-печать и обработка на станках с ЧПУ

Введение

Обработка на станках с ЧПУ – это обычное субтрактивное производство. технологии. В отличие от 3D-печати, процесс обычно начинается со сплошного блока материала (заготовки) и удаляется материал для достижения требуемой окончательной формы с использованием различных острых вращающихся инструментов или резаков.

ЧПУ является одним из самых популярных методов производства как для небольших разовых работ, так и для производства средних и больших объемов. Он предлагает превосходную воспроизводимость, высокую точность и широкий спектр материалов и отделки поверхности.

Процессы аддитивного производства (AM) или 3D-печати создают детали, добавляя материал по одному слою за раз. Процессы АП не требуют специальных инструментов или приспособлений, поэтому затраты на первоначальную настройку сведены к минимуму.

В этой статье мы представляем ключевые аспекты технологии, чтобы помочь вам выбрать правильную технологию для вашего приложения. Мы фокусируемся на функциональных частях и прототипах. из металла или пластмассы. Процессы 3D-печати, наиболее подходящие для этой цели, — это SLS или FDM для пластмасс и SLM/DMLS или Binder Jetting для металлов.

Выбор правильной технологии

При выборе между ЧПУ и аддитивным производством (АП) есть несколько простых рекомендаций, которые можно применить в процессе принятия решения.

Как правило, все детали, которые могут быть изготовлены с ограниченными усилиями с помощью вычитающего процесса, обычно должны обрабатываться на станках с ЧПУ. Обычно использование 3D-печати имеет смысл только в следующих случаях:

• Когда традиционные методы не могут дать часть, например для очень сложных, оптимизированных по топологии геометрия.
  
• При быстром изменении время имеет решающее значение; Детали, напечатанные на 3D-принтере, могут быть доставлены в течение 24 часов.
  
• Когда недорого важно; для небольших объемов 3D-печать обычно дешевле, чем ЧПУ.
  
• При наличии небольшого количества требуется одинаковых деталей (менее 10).
  
• Когда материалы требуются труднообрабатываемые материалы, такие как металлические суперсплавы или гибкий ТПУ.
  
  

ЧПУ обеспечивает большую точность размеров и производит детали с лучшими механическими свойствами во всех трех измерениях, но это обычно обходится дороже, особенно при небольших объемах.

Если требуется большее количество деталей (сотни и более), то ни ЧПУ, ни AM не могут быть конкурентоспособными по стоимости вариантами. Традиционные технологии формовки, такие как литье по выплавляемым моделям или литье под давлением, как правило, являются наиболее экономичными из-за механизмов экономии за счет масштаба (см. рисунок).

Рекомендуемая справочная таблица процессов

Нет. частей	1	10	100	1000
Пластик	3D-печать	3D-печать (например, ЧПУ)	ЧПУ (рассмотреть:литье под давлением)	Литье под давлением
Металл	3D-печать и ЧПУ*	ЧПУ (рассмотрите возможность 3D-печати)	ЧПУ (рассмотреть:литье по выплавляемым моделям)	Выплавка или литье под давлением

^{*:сильно зависит от геометрии детали}

Хотите узнать стоимость станков с ЧПУ и 3D-печати? Загрузите свои файлы САПР в мгновенную цитату прямо сейчас!

Получить расценки на ЧПУПолучить расценки на 3D-печать

Характеристики процесса

Точность размеров

Обработка с ЧПУ обеспечивает жесткий допуск и отличная повторяемость . Детали от очень больших до очень маленьких могут быть точно обработаны на станках с ЧПУ. Из-за формы режущего инструмента внутренние углы всегда будут иметь радиус, но внешние поверхности могут иметь острые края и могут быть обработаны очень тонко.

Различные системы 3D-печати предлагают разную точность размеров. Промышленные машины могут производить детали с очень хорошими допусками. . Если требуются узкие зазоры, критические размеры могут быть напечатаны на 3D-принтере увеличенного размера, а затем обработаны во время постобработки.

Минимальная толщина стенки. 3D-печатных деталей ограничен размером концевого эффектора (например, диаметром сопла в FDM или размером лазерного пятна в SLS). Поскольку детали изготавливаются послойно, линии слоев могут быть видны, особенно на изогнутых поверхностях. максимальный размер части относительно невелика, так как обработка 3D-печати часто требует тщательного контроля окружающей среды.

<тд>0,75 мм <тд>0,7 - 1,0 мм <тд>0,8 - 1,0 мм <тд>0,40 мм

	Допуск	Мин. толщина стенки	Максимальный размер элемента
ЧПУ	± 0,025 - 0,125 мм *	Фрезерование:2000 x 800 x 1000 мм Токарный станок:Ø 500 мм
SLS	± 0,300 мм	300 х 300 х 300 мм
FDM	Промышленный:± 0,200 мм Настольный:± 0,500 мм	Промышленные:900 x 600 x 900 мм Настольные:200 x 200 x 200 мм
SLM/DMLS	± 0,100 мм	230 х 150 х 150 мм
Выброс связующего	± 0,200 мм	2,0 мм	380 x 355 x 735 мм

^{* :В соответствии с указанным уровнем допуска.}

Материалы

ЧПУ в основном используется для обработки металлов. Его также можно использовать для обработки термопластов, акрила, хвойных и твердых пород дерева, пенопласта для лепки и воска для обработки.

• Отличные механические и термические свойства при полностью изотропном поведении.
• Ограничения по размеру из-за размера бланка (использование бланка нестандартного размера повысит стоимость).

	Обычные материалы для станков с ЧПУ
Пластмасса	ABS, нейлон, поликарбонат, PEEK
Металлы	Алюминий, нержавеющая сталь, титан, латунь

3D-печать в основном используется для пластика. и в меньшей степени для металлов. Некоторые технологии позволяют производить детали из керамики, воска, песка и композитов. Материалы для 3D-печати — это сложная тема, которая обсуждается в специальных статьях базы знаний.

• Широкое разнообразие материалов с широким диапазоном физических свойств.
• Материалы, которые трудно обрабатывать (такие как ТПУ и металлические суперсплавы), можно напечатать на 3D-принтере.
• Может иметь худшие механические свойства по сравнению с деталями, изготовленными с ЧПУ (обычно они не полностью изотропны).

	Распространенные материалы для 3D-печати
Пластмасса	Нейлон, PLA, ABS, ULTEM, ASA, TPU
Металлы	Алюминий, нержавеющая сталь, титан, инконель

Сложность модели

Существует ряд ограничений, которые необходимо учитывать при проектировании деталей для обработки с ЧПУ, в том числе доступ к инструменту и зазоры, точки фиксации или крепления, а также невозможность обработки квадратных углов из-за геометрии инструмента.

Некоторые геометрические формы невозможны для станков с ЧПУ (даже с 5-осевыми системами ЧПУ), поскольку инструмент не может получить доступ ко всем поверхностям компонента. Для большинства геометрий требуется вращение детали для доступа к разным сторонам. Изменение положения увеличивает время обработки и работы, а также могут потребоваться специальные приспособления и приспособления, что повлияет на окончательную цену.

3D-печать имеет очень мало ограничений по геометрии по сравнению с ЧПУ. Вспомогательные структуры требуются для большинства технологий, таких как FDM или SLM/DMLS, и удаляются во время постобработки.

Пластик органической формы произвольной формы могут быть легко изготовлены с помощью процессов сплавления в порошковом слое полимера, таких как SLS или Multi Jet Fusion (MJF), поскольку они не требуют поддержки. Возможность создавать очень сложные геометрические формы — одна из сильных сторон 3D-печати.

Производственный процесс

Вот что происходит за кулисами при размещении заказа на ЧПУ или 3D-печать:

В ЧПУ опытный оператор или инженер должен сначала рассмотреть выбор инструмента, скорость шпинделя, траекторию резания и изменение положения детали. Все эти факторы сильно влияют на качество конечной детали и время сборки. Производственный процесс трудоемкий, так как блок должен устанавливаться в машину вручную. После механической обработки компоненты готовы к использованию или постобработке.

При 3D-печати оператор станка сначала подготавливает цифровой файл (выбирает ориентацию и добавляет поддержку), а затем отправляет его на станок, где он печатается с минимальным вмешательством человека. Когда печать завершена, деталь необходимо очистить и подвергнуть постобработке, что является наиболее трудоемким аспектом производственного процесса 3D-печати.

Постобработка

Ряд методов постобработки может применяться как к деталям с ЧПУ, так и к 3D-печатным деталям, которые улучшают функциональность или эстетику готового компонента. Ниже перечислены наиболее распространенные методы постобработки:

	Методы постобработки
ЧПУ	Дробеструйная обработка, анодирование (тип II или тип III), порошковое покрытие
3D-печать	Пескоструйная обработка, шлифовка и полировка, микрополировка, металлизация

Пример из практики:создание прототипа пластикового корпуса

При разработке нового электронного устройства изготовление прототипов корпуса является ключом к окончательной доработке продукта перед его массовым производством. Чтобы сократить время разработки, быстрое время выполнения и низкая стоимость являются основными целями.

Электронные корпуса часто имеют защелки, живые петли или другие блокирующие соединения и застежки. Все эти элементы могут быть изготовлены на станке с ЧПУ или напечатаны на 3D-принтере с помощью FDM или SLS.

CNC и SLS можно использовать для создания прототипов с высокой точностью и эстетической привлекательностью, но FDM для настольных ПК требует гораздо более короткого времени выполнения и более низкой стоимости. Поскольку механические характеристики не являются основной целью этого проекта, преимущества ЧПУ и SLS обычно не стоят дополнительных затрат и времени.

	ЧПУ	FDM на рабочем столе	SLS
Стоимость	$$	$	$$
Общие материалы	АБС, нейлон	ПЛА, АБС, нейлон	Нейлон
Время выполнения	1–2 недели	1–3 дня	Меньше недели
Точность	± 0,125 мм	± 0,500 мм	± 0,300 мм

Пример из практики:производство металлических кронштейнов и компонентов

Металлические кронштейны и другие механические компоненты могут выдерживать высокие нагрузки и работать при повышенных температурах. В этом случае точность размеров и хорошие свойства материала являются основными целями.

Если геометрия модели проста (как компоненты изображения выше), то ЧПУ — лучший вариант с точки зрения точности, механических свойств и стоимости.

Когда геометрическая сложность увеличивается или когда требуются более экзотические материалы, необходимо рассмотреть возможность 3D-печати металлом. Компоненты, оптимизированные по весу и прочности (например, кронштейны на изображении ниже), имеют органическую структуру, которую очень сложно и дорого обрабатывать.

ЧПУ и 3D-печать металлом можно комбинировать для производства деталей как органической формы, так и с очень жесткими допусками в критических местах.

	ЧПУ	SLM/DMLS	Сброс связующего
Стоимость	$$	$$$$	$$$
Общие материалы	Алюминий Нержавеющая сталь Латунь	Нержавеющая сталь Алюминий Титан Инконель Кобальт-хром	Нержавеющая сталь Инконель Кобальт-хром Карбид вольфрама
Точность	± 0,025 мм	± 0,100 мм	± 0,200 мм
Механические свойства	Очень хорошо	Очень хорошо	Хорошо

Практические правила

Выбор правильной технологии для вашего приложения имеет решающее значение и может быть сведен к следующим практическим правилам:

• ЧПУ лучше всего подходит для средних и больших объемов (менее 250–500 деталей) и относительно простых геометрических форм.
  
• 3D-печать обычно лучше всего подходит для небольших партий (или единичных прототипов) и изделий сложной геометрии.
  
• Что касается металлов, ЧПУ может быть конкурентоспособным по цене даже при небольших количествах, но все же действуют ограничения по геометрии.
  
• При больших количествах (более 250–500 деталей) более подходящими являются другие технологии формования.