3D-печать против ЧПУ-обработки: ключевые различия

ЧПУ-обработка и 3D-печать — чрезвычайно заметные производственные методы сегодня, не только здесь в Xometry, но и глобально. Хотя они отличаются почти во всём, они — прямые конкуренты за создание твёрдых деталей, и среди их крупнейших различий то, что один метод работает удалением материала, а другой — добавлением его слой за слоем. Давайте узнаем подробнее.

Определение 3D-печати и сравнение с ЧПУ-обработкой

Также известная как аддитивное производство, 3D-печать фактически относится к семейству процессов, работающих похоже. Модель проектируется на компьютере, а затем нарезается на разные части. Толщина устанавливается в соответствии с используемой машиной и настройками, и принтер берёт эту информацию и строит каждый слой до завершения всей детали. Вот как она может превратить серию 2D-шагов в 3D-объект — прикрепляя каждый слой к тому, что под ним, и связывая их внутренне тоже. Эти машины обычно могут работать с множеством разных материалов, некоторые из которых включают экструдируемые полимерные нити, светочувствительные смолы, лазерно-плавимые порошки, порошковую загрузку, волны и биологические материалы.

Для производства деталей аддитивным производством вам понадобится больше, чем просто принтер. Вам также понадобится САПР-пакет (computer-aided design) для создания дизайна и сохранения его как STL-файла (stereolithography). Пакет слайсер-софта затем использует этот STL-файл, чтобы дать принтеру серию 2D-инструкций для изготовления детали. 3D-системы печати впервые начали проникать на рынок в конце 1980-х, хотя нигде близко к такой эффективности и широкой совместимости с материалами, как современные 3D-принтеры. На следующем изображении пример FDM 3D-принтера:

Узнайте больше в нашем полном руководстве «Что такое 3D-печать?».

Есть несколько причин, почему 3D-печать так популярна, начиная с того, что её относительно быстро настроить, и она не стоит безумных сумм для изготовления сложных форм. Она также не требует никакого вмешательства во время процесса — вы можете просто позволить ей сделать своё дело до завершения. Кроме того, многие 3D-принтеры дружелюбны к офису и дружелюбны к новичкам.

Некоторые потенциальные недостатки, однако, в том, что 3D-напечатанные детали могут значительно варьироваться в прочности, особенно по сравнению с прочностью исходного материала. Например, если бы вы использовали FFF (fused filament fabrication) для печати детали из ABS (акрилонитрил-бутадиен-стирол), она могла бы быть только около 10% такой же прочной, как цельный ABS. Но что-то вроде SLS (selective laser sintering) с нейлоном может дать близко к 100% прочности от цельного нейлона. Также 3D-печать хороша для размерной точности, но может быть сложной, когда речь идёт об экстремально точных деталях и особенностях, и она борется с гладкими поверхностями, особенно когда речь идёт о Z-разрешении (высоте слоя), которое может создавать видимые ступеньки на наклонных или изогнутых поверхностях.

Каковы преимущества 3D-печати по сравнению с ЧПУ-обработкой?

Преимущества 3D-печати по сравнению с ЧПУ-обработкой:

1. 3D-печать доставляет детали близкой к нетто форме быстро, тогда как ЧПУ-обработка требует индивидуальной настройки и (обычно) ручного программирования плюс надзора.
2. 3D-печать — обычно метод более низкой стоимости, чем другие способы изготовления сложных нетто-форм. Она требует минимальной настройки и операционного вмешательства. Обычно ЧПУ-компоненты в 10 раз дороже 3D-напечатанных деталей.
3. 3D-принтеры, дружелюбные к офису и требующие только скромных навыков настройки и обслуживания, всё чаще встречаются. Они также всё чаще способны удовлетворять большинство потребностей. ЧПУ остаётся тяжёлой инженерией и высококвалифицированным процессом, требующим постоянно обновляемых навыков у операторов.

Каковы недостатки 3D-печати по сравнению с ЧПУ-обработкой?

Недостатки 3D-печати по сравнению с ЧПУ-обработкой:

1. Различные процессы 3D-печати предлагают вариативную прочность по сравнению с «родными» свойствами материалов. Например, сообщается о всего 10% от предельного напряжения материала для FFF в ABS, и до 100% для SLS нейлона. ЧПУ-обработка производит детали в неповреждённых родных материалах, поэтому прочность обычно высока.
2. 3D-печать может достигать хорошей размерной точности, но где требуется высокая точность, это может быть сложно. ЧПУ-обработка высокая точна и позволяет улучшить точность более медленной обработкой.
3. 3D-печать обычно поражена процессной механикой касательно поверхностной отделки. Z-разрешение в частности приносит ступенчатые поверхности и визуальные нарушения. Поверхностная отделка ЧПУ — как обработанная; она может быть экстремально равномерной и высокоточной, если пути резака запрограммированы для гладкой отделки.

Определение ЧПУ-обработки и сравнение с 3D-печатью

Компьютеризированный производственный процесс, ЧПУ (computer numerical control) обработка использует заранее запрограммированные софт и коды для управления движением нескольких режущих и формирующих инструментов вроде токарных, фрезерных и шлифовальных станков и создания разнообразных деталей ЧПУ-обработки. Идея зачтена Джеймсу Парсону, который пытался найти лучший способ изготовления вертолётных и авиационных лопаток. В 1958 году Ричард Кегг вместе с инженерами MIT создал первый ЧПУ-фрезерный станок. Хотя процесс может быть довольно дорогим и сложным для настройки, оно того стоит, если вы хотите делать высококачественные и долговечные детали с гладкими поверхностями. Вы можете узнать больше о ЧПУ-обработке, прочитав нашу посвящённую статью. Вот как выглядит ЧПУ-станок:

3D-печать предлагает преимущества в стоимости и времени построения деталей. ЧПУ-обработка, с другой стороны, может доставлять близкую корреляцию к характеристикам массового производства всякий раз, когда точность детали является критическим фактором.

Сравнение затрат на подготовку: 3D-печать против ЧПУ-обработки

ЧПУ-обработка несё все затраты на программирование и настройку и будет дорогой по сравнению с 3D-печатью — часто в пять-десять раз дороже. Однако всякий раз, когда требуется серия прототипов с небольшими корректировками, модифицированные ЧПУ-детали несут гораздо более низкие затраты на настройку, тогда как вторая 3D-напечатанная деталь будет стоить столько же, сколько первая.

Сравнение скорости: 3D-печать против ЧПУ-обработки

Подготовка к печати 3D-компонента требует мало времени на настройку перед началом печати. Хотя печать медленна по некоторым мерам, большинство печатей, вероятно, завершатся за несколько часов и будут готовы к использованию. ЧПУ-обработка, с другой стороны, требует квалифицированной подготовки программирования для выбора резака и пути резака. Она часто требует индивидуальных или модифицированных приспособлений для удержания детали во время обработки (включая возможное репозиционирование детали). Это может потреблять значительное время до первого реза. Резка, однако, обычно быстрая, и сложные детали обычно могут быть завершены за час или меньше фактической обработки. Общее время на подготовку и обработку может затянуться на день или больше, в зависимости от сложности.

Сравнение объёма: 3D-печать против ЧПУ-обработки

Когда обширные затраты на настройку могут быть распределены на множественные детали, ЧПУ-обработка может производить более рентабельные детали по сравнению с 3D-печатью. 3D-печать имеет меньше объёмных преимуществ, так как каждая деталь требует тех же затрат на материал и машину, независимо от объёма.

Сравнение материалов: 3D-печать против ЧПУ-обработки

В выборе материалов (и успешной доставке свойств материалов) ЧПУ предлагает лучшие варианты. По сути, выбор материала открыт для всех инженерных материалов, вплоть до искрового эрозионного ЧПУ-обработки предзакаленного инструментального стали. ЧПУ-обработанные детали доставляют родные свойства заготовки материала, в основном не нарушенные характеристиками обработки.

3D-напечатанные детали ограничены теми, что поддерживаются конкретными процессами. Методы строительства конкретной 3D-печатной технологии накладывают строгие ограничения на доставку свойств. Печати часто ослаблены анизотропной «структурой» в методе строительства, пористостью, плохой межслойной адгезией и замещением печатаемых, но не инженерных материалов.

Часто задаваемые вопросы о 3D-печати и ЧПУ-обработке

Каковы взаимные альтернативы 3D-печати и ЧПУ-обработки?

Да, конечно. Альтернатива, которая потенциально могла бы подойти для обоих — литьё под давлением, в том смысле, что это однопроцессный процесс, который может производить детали, идентичные их 3D-файлу. Но изготовление форм для этого может быть довольно дорогим и затратным по времени, поэтому это действительно стоит того только если вы делаете тонну деталей. Так что в конечном счёте, особенно по сравнению с повседневными задачами 3D-печати, литьё под давлением не так уж практично.

Каковы сходства между 3D-печатью и ЧПУ-обработкой?

3D-печать и ЧПУ-обработка похожи тем, что оба процесса могут производить функциональные продукты. В терминах процессов, однако, 3D-печать и ЧПУ-обработка не имеют ничего общего.

Каковы другие сравнения для 3D-печати помимо ЧПУ-обработки?

Некоторые типы 3D-печати используют лазеры, вроде SLS (selective laser sintering), DMLS (direct metal laser sintering) и SLM (selective laser melting), и, как и лазерная резка, это также используется во многих отраслях и работает со множеством разных металлов. Но лазерная резка использует тот же лазер для гравировки или отрезки материала от заготовки, а не наращивания. Вы можете прочитать больше в нашей статье «3D-печать против лазерной резки».

Каковы другие сравнения для ЧПУ-обработки помимо 3D-печати?

Подобно ЧПУ-обработке, литьё под давлением — ещё один отличный способ изготовления сложных металлических деталей. Но литьё под давлением действительно не дешево, особенно когда речь идёт о стоимости инструментального оснащения. Если вас интересуют огромные производственные серии, стоимость снижается, делая его более сравнимым вариантом.

Кэт де Наум

Кэт де Наум — писатель, автор, редактор и специалист по контенту из Великобритании с 20+ летним опытом письма. Кэт имеет опыт написания для различных производственных и технических организаций и любит мир инженерии. Помимо письма, Кэт была паралигалом почти 10 лет, семь из которых в судостроительном финансировании. Она писала для многих публикаций, как печатных, так и онлайн. Кэт имеет BA в английской литературе и философии, и MA в креативном письме от Кингстонского университета.

Читать другие статьи Кэт де Наум