Выбор правильного метода изготовления:объяснение 3D-печати и обработки на станке с ЧПУ

3D-печать против обработки на станке с ЧПУ. Будучи инженером-конструктором, вы, вероятно, столкнетесь с выбором, какая технология производства лучше всего подходит для вашего проекта? Выбор неправильного маршрута может привести к потере времени, перерасходу средств или даже к выходу продукта из строя.

Для принятия обоснованного решения о том, нужен ли субтрактивный метод, такой как обработка на станке с ЧПУ, или аддитивный метод, такой как 3D-печать, требуется четкое понимание того, как каждый из них работает, какие материалы и допуски они поддерживают, и в чем каждый из них действительно хорош.

Этот блог призван упростить это решение. Мы познакомим вас с основными принципами обоих процессов, сравним их по ключевым факторам и выделим реальные варианты использования, чтобы помочь вам решить, какой метод лучше всего подходит для вашего случая использования.

Что такое обработка с ЧПУ?

Обработка на станках с ЧПУ — это модернизация старого способа создания вещей с использованием ручных инструментов. Прототип станка с ЧПУ, в частности фрезерного станка, был построен в 1952 году группой исследователей Массачусетского технологического института.

По своей природе Обработка на станке с ЧПУ представляет собой субтрактивный метод производства, означающий, что твердому блоку материала придается окончательная форма н. Резка происходит автоматически с помощью запрограммированной системы ЧПУ, которая использует G-коды и M-коды, полученные из 3D-модели.

Обработка с ЧПУ охватывает более широкий спектр процессов, включая фрезерование, токарную обработку, сверление и шлифование, каждый из которых имеет свой собственный набор инструментов и стратегии обработки, подходящие для конкретных задач.

Плюсы:

• Высокая точность размеров и жесткие допуски.
• Превосходное качество поверхности.
• Масштабируемость для больших тиражей.
• Отличная совместимость с металлами и пластиками.

Минусы :

• Более высокая стоимость инструментов и установки.
• Материальные потери выше из-за субтрактивного характера.

Что такое 3D-печать (3PD)?

3D-печать или 3D-прототипирование — относительно современная технология, появившаяся в 1980-х годах. Это технология аддитивного производства, при которой изделие создается слой за слоем, а не вырезается из цельного блока.

Если говорить о его самой простой и доступной форме, то это моделирование методом наплавления (FDM). В FDM термопластичная нить нагревается и выдавливается через сопло, которое движется по запрограммированной траектории, укладывая по одному слою за раз. По мере затвердевания каждого слоя поверх него накладывается следующий, постепенно образуя целостный объект.

Как и в случае с обработкой на станке с ЧПУ, существует несколько методов 3DP, каждый из которых основан на способе осаждения или сплавления материала. Известные из них включают FDM, SLS (селективное лазерное спекание), SLA (стереолитография) и DMLS (прямое лазерное спекание металла).

Плюсы:

• Большая гибкость дизайна; можно построить сложную геометрию.
• Снижение затрат на настройку прототипов.
• Минимум отходов материала.
• Ускоренная обработка прототипов.

Минусы :

• Низкоразмерная точность.
• В большинстве случаев механическая прочность может быть ниже.

3D-печать и обработка на станке с ЧПУ:объяснение 8 отличий

В предыдущем разделе был дан краткий обзор, но, возможно, он не ответил на все ваши вопросы о том, какой метод выбрать. 3D-печать и обработка на станках с ЧПУ различаются по рабочему процессу, точности, материалам, производственным возможностям, качеству отделки и стоимости. 

Итак, давайте углубимся, поместим оба метода рядом и посмотрим, что каждый из них привносит в различные аспекты.

 Обработка с ЧПУ 3D-печать Рабочий процесс Требуется настройка инструмента и опытный оператор; обработка автоматизирована.Минимальная настройка; в основном автоматизировано после начала печати.Совместимость материалов Металлы, такие как сталь, латунь, титан, алюминий, конструкционные сплавы и пластмассы. PLA, ABS, нейлон, ULTEM и некоторые металлыДопуск ±0,015–0,025 ммFDM:±0,2–0,5 мм, SLS:±0,3 мм, струйная обработка связующим:±0,2 мм.Геометрия  Ограничено доступом к инструментамБольшая свобода проектированияРазмер детали 4000×1500×600 мм (в RapidDirect) До 1000×1000×1000 мм (FDM)Отделка поверхности Очень гладкие линии слоев. ВидныСтоимость установки. 100 000 долларов США+. Настольные принтеры:от 500 000 долларов США до 100 000 долларов США.Цена за деталь Выше при небольших объемахДешевле при небольших объемах

1. Производственный процесс

Оба метода начинаются в одной и той же точке; 3D-проект создается в программном обеспечении CAD. Затем этот дизайн преобразуется с помощью программного обеспечения в необходимый формат, подходящий для механической обработки или 3D-печати.

Различия начинаются сразу после этого. Для станков с ЧПУ требуются специальные режущие инструменты, и обычно для их настройки, выбора правильных инструментов и обработки материала обычно требуется квалифицированный оператор, хотя сама обработка автоматизирована. 

С другой стороны, большинство 3D-принтеров работают с минимальным вмешательством. После начала печати процесс полностью автоматизирован и обычно не требует участия оператора.

2. Совместимость материалов

Оба метода универсальны с точки зрения выбора материала. Общее мнение таково, что система 3D-печати предназначена для пластмасс, а производство с ЧПУ — для металлов. Однако оба способны работать с широким спектром материалов, включая металлы и высокопроизводительные пластмассы.

Тем не менее, процесс с ЧПУ лучше всего подходит для обычно используемых металлов. Материалы для станков с ЧПУ включают сталь, латунь, титан, алюминий и конструкционные сплавы. Самое главное, что обработка с ЧПУ используется там, где требуются материалы, требующие высокой прочности, долговечности и термостойкости.

Напротив, материалы для 3D-печати включают PLA, TPU, ABS, ASA, нейлон и ULTEM, где механическая прочность менее важна или компенсируется конструкцией. Такие металлы, как алюминий, сталь, титан и биосовместимые сплавы, также можно печатать с помощью передовых технологий 3D-печати металлами, таких как SLS, Binder Jetting и SLM.

3. Размерный допуск

Как вы знаете, толерантность очень важна при производстве критически важных деталей. Детали, обработанные на станках с ЧПУ, неизменно превосходят все детали, изготовленные с использованием современных методов 3D-печати.

Точнее, обработка на станках с ЧПУ обычно предлагает диапазон допусков от ±0,025 мм до ±0,015 мм. Диапазон зависит от типа станка с ЧПУ и используемого процесса обработки. Например, диапазон допусков, который мы предлагаем для фрезерования с ЧПУ в RapidDirect, составляет около ±0,05 мм.

В 3D-печати допуск также варьируется от метода к методу. 3D-печать FDM обычно обеспечивает допуск от ±0,2 мм до ±0,5 мм, SLS — около ±0,3 мм, а Binder Jetting — около ±0,2 мм.

4. Геометрия и размер

Если говорить о свободе дизайна, то проекты 3D-печати предлагают большую гибкость по сравнению с обработкой на станке с ЧПУ. В случае с ЧПУ необходимо следовать определенным рекомендациям по проектированию ЧПУ. Существуют ограничения по толщине стенок, внутренним углам и, самое главное, общая геометрия должна соответствовать ограничениям используемых режущих инструментов и приспособлений.

Для сравнения, 3D-печать не использует физические режущие инструменты, поэтому она не ограничена традиционными ограничениями дизайна. Хотя вам может потребоваться включить опорные конструкции для свесов или мостов, вы все равно можете добиться очень сложной и органичной геометрии, которая была бы невозможна или непрактична при механической обработке.

Что касается размера детали, то система ЧПУ имеет преимущество. Блоки большего размера можно устанавливать на промышленные машины, что делает их более подходящими для производства более крупных деталей. Например, в RapidDirect у нас есть 5-осевые станки с ЧПУ, которые обрабатывают детали максимальными размерами 4000×1500×600 мм.  

3D-печатные модели более ограничены в размерах, часто ограниченных объемом сборки принтера. Среди всех технологий размер детали для принтеров FDM немного выше — около 1000 x 1000 x 1000 мм.

5. Обработка поверхности

Как упоминалось в разделе о допусках на размеры, обработка с ЧПУ обеспечивает гораздо лучшее качество конечной поверхности, чем то, что обычно достигается с помощью решений для 3D-печати. Причина кроется в том, как работают эти два процесса. 

При обработке на станке с ЧПУ используются острые режущие инструменты, которые точно удаляют материал, оставляя гладкие поверхности сразу после станка. При правильном использовании инструмента и скорости подачи вы можете добиться отделки, практически не требующей постобработки.

При 3D-печати на качество поверхности влияет послойное построение детали. Каждый слой оставляет видимую линию, и разрешение 3D-принтера определяет, насколько тонкими будут эти линии. Даже при высоких настройках большинство напечатанных на 3D-принтере деталей имеют слегка текстурированную или ребристую поверхность.

6. Стоимость установки

С точки зрения стоимости установки оба метода находятся на совершенно разных концах спектра. 

3D-печать в настоящее время является наиболее доступной технологией:стоимость настольных принтеров начинается примерно с 500 долларов.  Промышленные 3D-принтеры, конечно, дороже, часто от нескольких тысяч до более 100 000 долларов, но даже в этом случае затраты на материалы и инструменты относительно ограничены. Большинству машин требуется только сам печатный материал, нить, смола или порошок и периодическое обслуживание.

Напротив, обработка с ЧПУ — это, прежде всего, промышленный процесс, и стоимость установки может легко исчисляться сотнями тысяч долларов. Сами станки дороги, и это без учета стоимости специализированных режущих инструментов, держателей инструментов, крепежных приспособлений, систем охлаждения и выделенной площади, необходимой для их эксплуатации. 

Кроме того, станки с ЧПУ требуют квалифицированных операторов, что увеличивает текущие затраты на рабочую силу. Все это делает ЧПУ гораздо более дорогостоящим вложением по сравнению с большинством установок 3D-печати.

7. Стоимость продукции

Если взять приблизительный общий взгляд, то 3D-печатные изделия зачастую дешевле производить по сравнению с деталями, обработанными на станках с ЧПУ, главным образом потому, что стоимость установки системы с ЧПУ намного выше. Для единичных или мелкосерийных деталей 3D-печать может оказаться более экономичным выбором.

Однако в долгосрочной перспективе или при серийном производстве 3D-печать становится менее жизнеспособной. Этот процесс занимает значительно больше времени на каждую деталь, а общая стоимость может превысить стоимость обработки на станке с ЧПУ при расширении производства. Станки с ЧПУ, однажды настроенные, могут производить детали гораздо быстрее и эффективнее в больших количествах.

Обработка с ЧПУ или 3D-печать:что выбрать и когда? 

Наконец, все сводится к решению, какую технику использовать для вашего проекта. Сравнение CNC и 3D-печати следует оценивать на основе потребностей дизайна, совместимости материалов, требований к точности и бюджета.

Выберите обработку с ЧПУ, если:

• Вам необходима произведенная партия продукции.
• Вы изготавливаете металлические детали стандартных размеров.
• Ваша конструкция требует очень жестких допусков.
• Деталь будет использоваться в функциональном применении, где она должна выдерживать термические нагрузки, механические нагрузки или износ.
• Вам нужно получить более качественную поверхность сразу после обработки.
• Материал широко доступен в стандартном виде, например, сталь, алюминий, латунь или титан.

Выберите 3D-печать, когда:

• Вы работаете над прототипами, особенно из пластика.
• Ваш дизайн включает в себя нестандартную или очень сложную геометрию.
• Вы используете материалы, которые сложно или дорого обрабатывать, например некоторые композиты или высокоэффективные полимеры.
• Вам быстро понадобится одноразовая деталь, не вкладывая средства в инструменты и приспособления.
• Прочность детали может быть достигнута за счет конструкции, а не свойств материала.

А в тех случаях, когда оба метода осуществимы, прежде чем принимать решение, взвесьте общую стоимость, время выполнения заказа и требуемое качество. Металлические прототипы могут быть более рентабельными, чем 3D-печать, особенно в сравнении с прототипированием на станке с ЧПУ по сравнению с 3D-печатью. 

Чем RapidDirect может помочь?

Как мы видели, обработка с ЧПУ и 3D-печать имеют свои сильные стороны, и оба могут играть жизненно важную роль в производстве в зависимости от требований проекта.

В RapidDirect мы предоставляем комплексные услуги по обработке с ЧПУ, включая фрезерование с ЧПУ, токарную обработку с ЧПУ, 5-осевую обработку и прецизионную обработку для критических отраслей промышленности, таких как аэрокосмическая промышленность. Мы обеспечиваем допуски до 0,001 дюйма, предлагаем более 100 вариантов материалов и более 20 вариантов обработки поверхности.

Наши услуги 3D-печати охватывают множество технологий, от SLA и SLS до HP MJF и SLM, при поддержке сети из более чем 300 профессиональных магазинов 3D-печати. Мы также предлагаем полную постобработку, чтобы ваши напечатанные детали были готовы к производству.

У вас есть проект, но вы все еще не уверены, какой метод лучше:3D-печать или обработка на станке с ЧПУ? Свяжитесь с командой экспертов RapidDirect сегодня и получите профессиональную консультацию и мгновенное ценовое предложение.