Synergien entdecken: CNC-3D-Teile und Metallbearbeitung

Die Kombination aus 3D-Druck und CNC-Bearbeitung definiert die Fertigung neu, da sie einzigartige Möglichkeiten für die Herstellung neuer oder die Verbesserung bestehender Teile und Systeme bietet. Die „Entweder CNC“- oder „3D-gedruckt“-Mentalität ist Geschichte. Produkte können nun von den passgenauen Lösungen der Hybridfertigung profitieren. Durch eine flexiblere und optimale Integration von CNC- und 3D-Komponenten im Prozess lassen sich effizientere und reproduzierbare Vorrichtungen, Werkzeuge und Maschinenbauteile herstellen. Diese Arbeit befasst sich mit der Integration der beiden Technologien in der Konstruktionsphase. Sie untersucht, wie synergetische Beziehungen die Systembetriebseffizienz steigern und die Produktprogrammierung im Kontext komplexester Designziele verbessern. Sie erfahren, wie diese neuen Strategien für 3D-Druck und CNC-Bearbeitung die Zukunft der Fertigungsindustrie verändern – egal, ob Sie Ingenieur, Maschinist oder einfach nur an fortschrittlicher Fertigung interessiert sind.

Wie arbeiten 3D-Druck und CNC-Bearbeitung zusammen?

3D-Druck und CNC-Bearbeitung sind unterschiedliche Technologien, die in verschiedenen Situationen kombiniert werden können, um Fertigungsprozesse zu verbessern. 3D-Druck eignet sich besonders für die schnelle Herstellung von Bauteilprototypen und komplexen Designs, während CNC-Bearbeitung für die Herstellung hochwertiger Präzisionsteile aus zahlreichen Materialien unverzichtbar ist. Mit der richtigen Integration können Hersteller 3D-Druck nutzen, um erste Designs oder filigrane Details zu entwickeln und CNC-Bearbeitung zum Schneiden und Polieren von Volumen oder zur Verbesserung von Designs und Bearbeitungen einzusetzen. Ein solcher integrierter Ansatz verkürzt die Dauer der Serienproduktion, reduziert Ausschuss und verbessert die Fertigung. Dadurch wird er sowohl für die Kleinserienfertigung als auch für die Replikation hocheffizient. Kurz gesagt: Die Kombination beider Technologien schafft Mehrwert und Chancen in der Fertigung.

Den CNC-3D-Teileprozess verstehen

3D-Druck, offiziell „Additive Fertigung“, ist eine bahnbrechende Technik zur schichtweisen Herstellung dreidimensionaler Objekte auf Basis digitaler Modelle. Der Prozess beginnt mit der Erstellung eines digitalen 3D-Modells mithilfe von CAD-Software (Computer-Aided Design). Diese digitale Datei wird so gestaltet, dass die gewünschten Abmessungen erreicht werden. Anschließend wird die Datei in ein vom Drucker druckbares Format (üblicherweise STL/OBJ) umgewandelt.

Fused Deposition Modeling (FDM), Stereolithografie (SLA) und Selektives Lasersintern sind die gängigsten Technologien im 3D-Druck. Jede Technologie hat einen spezifischen Anwendungsfall, der sich an den Material- und Präzisionsanforderungen orientiert. FDM wird beispielsweise aufgrund seiner Benutzerfreundlichkeit und Kosteneffizienz vor allem zur Herstellung von Prototypen und Funktionsteilen eingesetzt. SLA hingegen eignet sich für die Herstellung hochpräziser Komponenten mit glänzender Optik.

Schätzungen zufolge wird der globale 3D-Druckmarkt, der voraussichtlich rasant wachsen wird, im Jahr 15 ein Volumen von 2021 Milliarden US-Dollar erreichen. Bis 68.71 könnte er auf 2030 Milliarden US-Dollar anwachsen, bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 18.1 %. Dieses Wachstum ist auf technologische Fortschritte und Know-how zurückzuführen, das in verschiedenen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Konsumgüterindustrie und dem Gesundheitswesen Anwendung findet.

Wesentliche Vorteile der 3D-Drucktechnologie sind günstige Produktionszeiten, verbesserte Recyclingmöglichkeiten durch Rohstoffeinsparungen und die Möglichkeit, Geometrien zu erstellen, die mit herkömmlichen Technologien nicht realisierbar wären. Im Gesundheitssektor werden beispielsweise Patientenimplantate und Prothesen besonders erfolgreich hergestellt. Gleichzeitig werden Leichtbauteile in der Luft- und Raumfahrt verbessert, um die Treibstoffnutzung zu verbessern.

Das Wissen um die einzelnen Schritte des 3D-Druckprozesses, die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten und die damit verbundenen Vorteile birgt großes Potenzial. Der 3D-Druck steht vor einem bevorstehenden technologischen Wandel mit ambitionierten Plänen, wie dem Einsatz künstlicher Intelligenz (KI) und neuer Materialien. Es wird erwartet, dass sich Design und Herstellung von Produkten weltweit positiv verändern werden.

Die Rolle von CNC-Maschinen in der Metallverarbeitung

Geräte, die Computerprogramme zur Steuerung von Werkzeugen und Maschinen nutzen – Computer Numerical Control (CNC) – werden besonders in der Metallverarbeitung bevorzugt, da sie bei der Bearbeitung Genauigkeit, Geschwindigkeit und Wiederholbarkeit des Prozesses gewährleisten. Zu solchen Maschinen gehören in der Regel CNC-Maschinen (ein Akronym für Computer Numerically Controlled Machines), computergesteuerte Maschinen zum Schneiden, Bearbeiten, Bohren usw. verschiedener Materialien. Angesichts der nahezu unmöglichen Präzision und der nahezu unmöglichen Teileherstellung auf andere Weise ist es notwendig, CNC-Fräsmaschinen anzubieten, beispielsweise in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Medizintechnik und allen Bereichen, in denen Materialien und Qualitätsteile verarbeitet werden. Durch den Einsatz von CNC-Maschinen können Hersteller und Ingenieure menschliche Fehler eliminieren und so die Gesamteffizienz der Anlagen, insbesondere in der Massenproduktion, verbessern und gleichzeitig eine hohe Qualität gewährleisten.

Vorteile der Kombination von 3D-gedruckten Teilen mit CNC

1. Verbesserte Designflexibilität

Die Kombination von 3D-Druck und CNC-Fräsen ermöglicht unglaubliche Design-Feinheiten. 3D-Druck ermöglicht präzise geometrische Strukturen und interne Komponenten, die auf andere Weise, wenn überhaupt, nur schwer realisierbar sind. Im Gegensatz dazu zeichnet sich CNC-Fräsen durch eine besondere Vorliebe für filigrane und raffinierte Details und Oberflächen aus, die präzises Feingefühl und Variationen erfordern. Die Kombination der beiden – oder genauer gesagt der drei Bearbeitungsverfahren – eröffnet dem Designer einzigartige Möglichkeiten, die bisher nicht realisierbar waren.

2. Kostengünstiges Prototyping und Produktion

 3D-Druck bietet viele Vorteile, wie Zeit- und Kostenersparnis bei der Herstellung von Erstteilen und der endgültigen Fertigung mittels CNC-gesteuerter Tischbearbeitung. Die Technologie schont Rohstoffe und reduziert Ausschuss, minimiert Materialüberschüsse beim Prototyping und hilft bei der Überprüfung der Teilequalität. Der letzte Produktionsschritt ist in der Regel die hochpräzise Fertigung mit CNC-Fräsen, Drehen, Bohren, Schneiden usw.

3. Reduzierte Vorlaufzeiten

Die Kombination dieser Technologien beschleunigt die Prototypenerstellung. Die Herstellung komplexer Teile mit 3D-Druck und CNC-Bearbeitung ist nun möglich. Dabei ist ein Arbeitsgang nach dem anderen schneller als jeder Arbeitsgang allein, wenn man die Produktions- oder Nachbearbeitungszeit berücksichtigt.

4. Verbesserte Materialeffizienz

Beim 3D-Druck hingegen wird die benötigte Materialmenge für die Herstellung eines Werkstücks berechnet, wodurch deutlich weniger Abfall entsteht. Darüber hinaus erfordert die CNC-Bearbeitung keine Änderungen der endgültigen Abmessungen. Sie bietet hohe Präzision und hilft so, Zeit zu sparen und die Ausschussrate zu reduzieren.

5. Optimale Kraft und Leistung

3D-Druck eignet sich gut für leichtere Materialkonfigurationen, während CNC-Bearbeitung für Konsistenz bei engen Toleranzen und besseren Oberflächen sorgt. Diese Kombination ermöglicht die Herstellung leichter Komponenten ohne Einbußen bei Festigkeit oder Funktion.

Welche Vorteile bietet die Verwendung 3D-gedruckter Teile in CNC?

1. Kosteneffizienz

Vorläufige Komponenten können mithilfe der 3D-Drucktechnologie hergestellt werden, wodurch die Möglichkeit von Materialverschwendung in der Wertschöpfungskette reduziert wird. Materialien werden in einem einzigen Prozess geformt oder hergestellt, wodurch Materialverlust und Zeitverlust durch die Bearbeitung weitgehend vermieden werden.

2. Design-Flexibilität

Mit 3D-Druck lassen sich Formen herstellen, die mit herkömmlichen Methoden grundsätzlich nicht realisierbar sind. Diese Modelle können dann anhand von Fehlern, die bei der CNC-Fräsprogrammierung auftreten können, verbessert werden.

3. Prototyping und Testen

F&E und frühzeitige Einreichung helfen bei der Überarbeitung überlagerter Designs, halten die Ausführungszeiten niedrig und führen zu einer effektiven und effizienten Ressourcennutzung.

4. Reduzierte Vorlaufzeiten

Durch die Integration von 3D-Druck und CNC können Projekte in kürzerer Zeit abgeschlossen werden und gleichzeitig qualitativ hochwertige Endprodukte erzielt werden.

Dabei sind die unterschiedlichen Qualitäten der Komponenten Stärken für die langanhaltende Wirksamkeit des Produktes.

Verbesserung von Präzision und Oberflächengüte

CNC-Bearbeitung verbessert Präzision und Oberflächengüte in Prozessen mithilfe von 3D-Druck. Dies ist möglich, da 3D-Druck komplexe Formen und Gestalten mit mittlerer Genauigkeit erzeugen kann und CNC diese weiter verfeinert. Wie beispielsweise eine moderne Bearbeitungsstudie zeigt, erreicht die CNC-Bearbeitung oft Toleranzen von ca. ±0.005 Zoll, was sehr niedrig ist. Daher besteht ein hoher Genauigkeitsbedarf in der Industrie. Darüber hinaus trägt der Einsatz mehrerer Prozesse dazu bei, die Oberflächengüte auf einen brauchbaren Standard zu bringen – wobei sichergestellt wird, dass die Rauheit (Ra) selten über 1.6 µm liegt, was hauptsächlich durch CNC-Bearbeitung erreicht wird.

Auch die Endqualität und die Fehlerquote im Endbearbeitungsprozess ließen sich durch Verbesserungen der 3D-Drucktechnologie, wie beispielsweise benutzerdefinierte Werkzeugwege und Echtzeit-Überwachungstools in CNC-Maschinen, verbessern. Derselbe Bericht prognostiziert, dass bis 70 Präzisionstechniken bei der Herstellung von mehr als 2025 % aller Industrieprodukte zum Einsatz kommen werden. Die gemeinsame Nutzung von Präzisionsbearbeitung und additiver Fertigung reduziert nicht nur den Materialverbrauch, sondern verbessert auch die strukturelle Festigkeit und führt zu ansprechenden und gleichzeitig hochfunktionalen Elementen. Diese Technik ist in Sektoren, die eine hohe Genauigkeit und hochwertige Endbearbeitung erfordern, noch ausgeprägter, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und der Automobilindustrie, wo andere allgemeine Leistungskriterien noch wichtiger sind.

Kosteneffizienz im Herstellungsprozess

Effiziente Fertigung bedeutet, die eigenen Kapazitäten optimal zu nutzen, Prozesse zu vereinfachen und neue Technologien einzusetzen. Sie folgen dem logischen Argument, dass die strikte Einhaltung der Relationengesetze durch die Konzentration auf schlanke Produktionstechniken einen Großteil der Verschwendung reduzieren und die Produktivität steigern würde. Mit anderen Worten: Durch die Entwicklung solcher Lösungen können wir alle Hindernisse für eine exzellente Produktion mit Kostenbeschränkungen in Einklang bringen.

Anpassung und komplexe Teile

Die Branche hat einen erheblichen Wandel durchgemacht. Verschiedene Branchen, wie die Luft- und Raumfahrt, der Automobilbau und das Gesundheitswesen, benötigen maßgeschneiderte und komplexe Komponenten. Der globale Markt für maßgeschneiderte Produktion wird von 10.2 bis 2023 voraussichtlich um 2030 % (CAGR) wachsen. Dies unterstreicht die positive Resonanz auf die maßgeschneiderte Fertigung.

Zu den aktuellen Fertigungstechnologien zählen 3D-Druck, CNC-Bearbeitung und Mehrachsenmaschinen, die für die Herstellung komplexer Komponenten mit hoher Präzision von entscheidender Bedeutung sind. So lassen sich beispielsweise komplexe Designs durch 3D-Druck realisieren, wodurch der Formeinsatz der Hersteller reduziert wird. Dies wiederum senkt die Produktionskosten und verkürzt die Herstellungszeit um etwa 70 %.

Darüber hinaus verbessert die Einführung modularer Strategien wie Lean Manufacturing die Fähigkeit, flexible Fertigungslösungen anzubieten. Industrielle Praktiken haben gezeigt, dass Lean Manufacturing die meisten Ausfälle um 40 Prozent reduziert und gleichzeitig die Möglichkeit verbessert hat, viele einzigartige Designs einzuführen. Dank technologischer Fortschritte wie KI-gestützter Software und generativem CAD können Hersteller komplizierte Teile und komplexe Geometrien herstellen, ohne dabei an Produktivität einzubüßen und die Fehlerfreiheit zu beeinträchtigen.

Wie entwirft man effektives 3D-gedrucktes CNC-Zubehör?

Wenn Sie nach hochwertigem 3D-gedrucktem CNC-Zubehör suchen, stellen Sie sicher, dass Sie das Konzept und die Grenzen Ihrer CNC-Maschine korrekt berechnet haben. Verwenden Sie CAD-Programme, um präzise Modelle mit den richtigen Maßen zu erstellen und Ihr Werkstück proportioniert zu gestalten. Komfort und Verschleißfestigkeit sind grundlegende Aspekte, und die Materialwahl hängt wiederum von der beabsichtigten Funktion und der Belastung des jeweiligen Zubehörs ab. Kunden können ihr Gewicht auch in ein anderes Gewicht einbeziehen, wenn sie nur die Verwendung der Wand im Design berücksichtigen. Vergessen Sie nicht die Bedeutung der Netzkonfiguration bei der Veränderung der Wandstärke. Es ist ratsam, nach dem Bau des Testfahrzeugs die Zukunft zu überdenken und gegebenenfalls Verbesserungen vorzunehmen.

Wichtige Überlegungen zu Design und Geometrie

1. Dimensionale Genauigkeit

Stellen Sie sicher, dass das Modell korrekt gemessen und die Skalierungswerte angewendet werden, damit die gewünschte Funktion erreicht wird. Die Toleranzen müssen auf der Schrumpfung des Materials basieren. Der Bereich liegt bei den meisten Verfahren zwischen 0.1 mm und 0.3 mm.

2. Wandstärke

Die Wandstärke muss gut eingehalten werden, um Haltbarkeit und Materialdichtheit zu gewährleisten. Die meisten Teile benötigen eine Wandstärke von mindestens 0.8 mm bis 1.2 mm, wobei die in der Anwendung angegebenen Tragfähigkeitsanforderungen teilweise beeinträchtigt werden.

3. Überhänge und Stützstrukturen

Um übermäßigen Einsatz von Stützmaterial zu vermeiden, sollten die Scherüberhänge auf 45° oder weniger begrenzt sein. Die Schnitte sollten ein einfaches Entfernen der Stützen ermöglichen, ohne die Vollständigkeit des Endprodukts zu beeinträchtigen oder dessen Form zu verzerren.

4. Rundungen und Fasen

An allen scharfen Ecken sind Korridore vorgesehen, um eine gleichmäßige Spannungsentspannung zu gewährleisten und so Brüche zu vermeiden. Fasen sind nützlich, um in Löcher einzudringen; sie ermöglichen einen einfachen Zugang in Bereichen, in denen ständig montiert wird oder Teile präzise positioniert werden.

5. Löcher und Abstand

Daher sollten die Lochgrößen so angepasst werden, dass sie eine positive Ausdehnung bei belasteten Anwendungen ermöglichen. Wenn die Situation erfordert, dass Bereiche ohne zu große Reibung ineinander gleiten, sollte in der Praxis ein typischer Abstandswert von 0.1 bis 0.2 mm verwendet werden.

Auswahl geeigneter Materialien und Metallteile

Die Bildauswahl und das Design mechanischer Strukturen müssen mit Bedacht erfolgen, da eine schlechte Materialauswahl die gewinnbringende Nutzung der mechanischen Festigkeit, Lebensdauer und Funktionalität der Konstruktion beeinträchtigen kann. In diesem Zusammenhang können neue Fortschritte und Trends dazu beitragen, qualitätsorientierte Entscheidungen hinsichtlich der Materialauswahl und der entsprechenden Normen zu treffen.

1. Materialeigenschaften

Die folgenden Materialeigenschaften spielen bei der Materialwahl meist eine entscheidende Rolle. Aluminium beispielsweise ist für seine geringe Dichte und hohe Korrosionsbeständigkeit bekannt. Es weist ein geringes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis auf und wird im Fahrzeug- und Flugzeugbau eingesetzt. Edelstahl hingegen bietet eine hohe Zugfestigkeit und hohe Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß und Hitze und wird daher in anspruchsvolleren Umgebungen oder bei höheren Temperaturen eingesetzt.

2. Umwelterwägungen

Neben der mechanischen Konstruktion konzentriert sich die Materialauswahl nun auf die Anwendung von Fähigkeiten im Rahmen des jeweiligen Umfangs. Somit wird das Problem der Verwendung von Materialien für Einträge und Stände durch alternative Materialien gelöst. Zu Westons zahlreichen Werten gehört, dass sich Statistiker tendenziell auf einen Bereich der Produktionswelt konzentrieren und einen interessanten Kontrast zur Urbanisierungsforschung in der Region bieten. Orientation und andere werden aufgrund ihres Spaltenorientierungsziels bis zum Ende der Beobachtung als Schwesterorganisationen betrachtet.

3. Kosten und Verfügbarkeit

Obwohl die Verwendung von Materialien wie Titan praktische Vorteile bietet, ist es angesichts der Kosten solcher Materialien unerlässlich, die Leistungsanforderungen mit den Aspekten des Ressourcenmangels abzuwägen. Hochfester Stahl beispielsweise ist ohne andere Materialien wirtschaftlicher und dürfte in Strukturanwendungen eine bevorzugte Alternative darstellen. Historische regionale Daten aus Fachzeitschriften zeigen, dass die Höchstpreise bestimmter Industriematerialien, darunter Aluminium und Stahl, im Jahr 2023 angesichts der Aussetzung des weiteren Rückgangs der Lieferketten eine leichte Dynamik erlangten.

4. Test und Validierung

Praktische Einschränkungen erfordern eine gründliche Prüfung und Verifizierung bzw. Validierung der mechanischen Eigenschaften der Metallstruktur, wie Zugfestigkeit, HT-Skalen, Ermüdungstests usw. Der Konstrukteur greift zudem auf bewährte Messwerte der Materialhersteller zurück, die ggf. in umfassenden Normen wie ASTM- und ISO-Zertifikaten erfasst sind und bei der sicheren Auswahl des am besten geeigneten Materials sehr hilfreich sind. Die Wände oder sonstigen Ummantelungen aus quarzfaserverstärktem Harz sind Verbrauchsmaterial oder Einwegartikel oder werden gemäß der üblichen Nutzung regelmäßig ausgetauscht.

5. Anwendungsspezifische Anleitung

Bei mechanischen Systemen mit hohen mechanischen Belastungen werden Chromstähle (Chrom und Molybdän) bevorzugt. Kupfer und seine Legierungen hingegen bieten hervorragende Stromflusseigenschaften, insbesondere in Stromkreisen. Bei solchen Strukturen und der Verwendung verschiedener Materialien könnte eine Gewichtsreduzierung des Verbundwerkstoffs, selbst bei Zivilflugzeugen, die Effizienz des Flugzeugs um etwa 15–20 % steigern.

Durch die Berücksichtigung dieser Faktoren und der besonderen Anforderungen eines bestimmten Projekts können die besten Materialien und Metallkomponenten entsprechend den gewünschten Erwartungen und unter Einhaltung der neuen Design- und Nachhaltigkeitsprinzipien ermittelt werden.

Optimierung der Werkzeugkompatibilität und -toleranz

Um die geforderte Präzision einzuhalten, müssen Werkzeuge vermieden werden, die möglicherweise nicht funktionieren oder zu schwer zu handhaben sind. Ein ausgeprägtes Unterscheidungsvermögen für verschiedene Materialien und ein hohes Maß an handwerklichem Geschick sind stets erforderlich, da dies den neuesten Entwicklungen zur Optimierung von Effektivität und Effizienz entspricht.

Was sind die Herausforderungen beim 3D-Metalldruck und CNC?

Kategorie	Herausforderungen beim 3D-Metalldruck	Herausforderungen bei der CNC-Bearbeitung
Materielle Probleme	Hohe Porosität beeinträchtigt die Festigkeit der Teile	Schwierigkeiten bei der Materialauswahl
Strukturelle Probleme	Rissbildung beim Abkühlen	Werkzeugbruch während der Bearbeitung
Prozessprobleme	Eigenspannungen verursachen Verzug	Komplexe Programmieranforderungen
Oberflächenqualität	Raue Oberflächen müssen nachbearbeitet werden	Oberflächenunregelmäßigkeiten
Kostenfaktoren	Hohe Material- und Maschinenkosten	Teure Werkzeuge und Einrichtung
Präzision	Dichteinkonsistenzen in Teilen	Einhaltung enger Toleranzen
Einrichtung	Komplexe Druckerparameter-Abstimmung	Herausforderungen bei der Maschinenkalibrierung

Behebung mechanischer Eigenschaften und Oberflächenprobleme

Bei der Fertigung dürfen mechanische Eigenschaften und Oberflächenqualität nicht vernachlässigt werden, insbesondere bei modernen Fertigungsverfahren wie der additiven Fertigung (AM) und der Präzisionsbearbeitung. Um diese Eigenschaften zu verbessern, ist ein umfassendes Wissen über die Einflussfaktoren auf die Materialauswahl, die Prozessparameter und die nachträglichen Verfahren erforderlich.

1. Verbesserung mechanischer Eigenschaften

Die bestmöglichen mechanischen Eigenschaften werden häufig durch eine Feinabstimmung der Materialbestandteile und des Herstellungsprozesses erreicht. Entwicklungen deuten beispielsweise darauf hin, dass eine Änderung der Wärmebehandlung beim 3D-Druck von Metall zur Verbesserung der Zugspannungs-Dehnungs- und Duktilitätswerte mehr als nur geringe Vorteile mit sich bringt. Eine Forschungsveröffentlichung im Journal of Materials Processing Technology stellt fest, dass die Anpassung der Schichtdicke und der Bauausrichtung beim 3D-Druck die Teilequalität verbessert, indem der innere Luftspalt, der durch die aus der gesinterten Keramik entstehenden Luftblasen entsteht, verringert wird. Auch die Materialeigenschaften werden voraussichtlich aufgrund verschiedener anderer Faktoren wie dem Neuro-Fuzzy-System, dem genetischen Algorithmus und der Partikelgröße verbessert. Moderne Verbundwerkstoffe wie kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe sind sehr leicht und eignen sich daher für die Luft- und Raumfahrt- sowie die Automobilindustrie.

2. Verbesserung der Oberflächenqualität

Die Verschärfung von Unebenheiten ist ein Thema, das bei modernsten technologischen Prozessen, insbesondere im 3D-Druck und in der CNC-Bearbeitung, gelegentlich auf Interesse stößt. Unter Berufung auf eine 2023 in ScienceDirect veröffentlichte Studie wurde festgestellt, dass Nachbearbeitungstechniken wie Schleifen, Polieren und Laserfinishing die Oberflächenrauheit um bis zu 50 % verbessern konnten. Darüber hinaus können während der Produktionsprozesse installierte In-situ-Überwachungssysteme dazu beitragen, die Anzahl der Nachbearbeitungsvorgänge zu reduzieren. Für Prozesse, die eine exzellente Oberflächenbeschaffenheit erfordern, wie beispielsweise bei medizinischen Implantaten oder optischen Geräten, gibt es Methoden wie elektrochemisches Polieren oder fortschrittliche Beschichtungen.

Die Industrie kann die Festigkeits- und Oberflächeneigenschaften von Bauteilen durch Fortschritte bei Materialeigenschaften sowie Bearbeitungs- und Fertigungsverfahren deutlich verbessern. Daher werden in Forschung und Entwicklung kontinuierlich Anstrengungen unternommen, um die zuvor genannten Techniken effizienter, wirtschaftlicher und zuverlässiger zu gestalten, insbesondere für Hightech-Anwendungen.

Verwaltung des Herstellungsprozesses und des Volumens

Eine überlegene und effiziente Kontrolle der Parameter des Fertigungsprozesses erfordert die optimale Nutzung moderner Automatisierungstools, digitaler Technologien und einer effektiven Logistikpolitik, um auf Forderungen nach Produktionsmengen mit den geringstmöglichen Kosten und minimalem Abfall reagieren zu können.

Wie können Sie 3D-gedruckte Teile in Ihrer CNC-Bearbeitungsanlage implementieren?

Die Integration von 3D-gedruckten Materialien in Ihre CNC-Fabrik ermöglicht einen reibungslosen Betrieb und reduzierte Wartungskosten. Es ist außerdem wichtig sicherzustellen, dass einige Komponenten oder Werkzeuge, wie z. B. Vorrichtungen, Schablonen oder Prototypen in passender Größe, werksintern per 3D-Druck hergestellt werden können. Dieser Schritt ist entscheidend, da hier ein 3D-Drucker angeschafft und die für die Prozesse relevanten Materialien ausgewählt werden. Da es spezielle Anwendungen gibt, ist es hilfreich, nach der Anmietung eines Druckers einen einheitlichen Produktionszeitplan zu erstellen, beispielsweise, wenn möglich, den 3D-Druck für schnelle Konzepttests oder spezifische Prototypen in kleinen Stückzahlen zu nutzen. Verbessern Sie regelmäßig die Kompetenzen Ihres Teams, indem Sie Ihre Mitarbeiter in Echtzeit im Umgang mit Technologien wie 3D-Druck und CNC schulen. So können Sie alle Aufgaben mithilfe der 3D-Fertigung effizienter erledigen.

Einrichten von Inhouse-Systemen für 3D-Druck und CNC

Kategorie	3D-Druck-Setup	CNC-Einrichtung
Platzbedarf	Belüfteter Bereich mit ebenen Flächen	Eigener, vibrationsfreier Arbeitsbereich
Macht braucht	Stabile Stromversorgung, ähnlich wie bei einem Kühlschrank	Hohe Leistung für Schwerlastmaschinen
Equipment	Wählen Sie einen Drucker basierend auf den Materialanforderungen	Wählen Sie die Maschine nach Material und Präzision
Software	CAD-Software für 3D-Modellierung	CAM-Software zur Werkzeugwegprogrammierung
Sicherheit	Belüftung für Dämpfe, Handschuhe für die Handhabung	Schutzschilde, richtiger Umgang mit Werkzeugen
Nachbearbeitung	Werkzeuge zum Reinigen und Aushärten von Teilen	Finishing-Werkzeuge zur Oberflächenveredelung
Training	Mitarbeiterschulung zur Druckerbedienung	Schulungen zu CNC-Programmierung und Sicherheit
Zusammenarbeit	Verwenden Sie eine Managementsoftware für den Workflow	Teamkoordination für ein komplexes Projekt

Auswahl der richtigen Technologie und des richtigen Druckers

Verschiedene Aspekte wie Materialbedarf, Menge, Genauigkeit, Produktionsvolumen und Kosten spielen bei der Auswahl der passenden Technologie und des passenden Druckers eine wichtige Rolle. Die Entwicklung von 3D-Druck- und CNC-Bearbeitungstechnologien macht es für Unternehmen unerlässlich, die spezifischen Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologien zu untersuchen.

1. Materialverträglichkeit

Verschiedene Arten des 3D-Drucks und der CNC-Bearbeitung unterstützen die Verarbeitung unterschiedlicher Materialien. Fused Deposition Modeling-Systeme eignen sich beispielsweise hervorragend für Thermoplaste wie PLA und ABS, während sich Stereolithografie am besten für fein detaillierte Harzmaterialien eignet. CNC-Maschinen hingegen können große Teile herstellen, da sie ein breiteres Spektrum an Materialien wie Metallen (Aluminium, Messing) und zähen Harzen verarbeiten können. Neben der Flexibilität in den Produktionsprozessen wird sie häufig zur Aufrüstung von Maschinen eingesetzt, insbesondere bei hohen Festigkeitsanforderungen.

2. Genauigkeit und Toleranzen

3D-Drucker verfügen üblicherweise über Schichtauflösungen von 100 Mikrometern oder weniger, die sich für die Konstruktion von Prototypen mit akzeptablen Toleranzen eignen. Die Weiterentwicklung moderner SLA-Technologien ermöglicht eine noch höhere Präzision mit einer Auflösung von 25 Mikrometern, die sich für sehr komplizierte Modelle eignet. Dies ist beispielsweise bei CNC-Fräsmaschinen der Fall, bei denen die erreichbaren Toleranzen im Bereich von ±0.001 Zoll liegen, was bei der Bearbeitung hochpräziser Bauteile entscheidend ist.

3. Produktionsgeschwindigkeit und -umfang

Mit FDM-Druckern lassen sich sofort konstruktionsgetreue Teile zu relativ geringen Kosten herstellen. Die CNC-Bearbeitung hingegen ist für die Massenproduktion vorteilhafter, da sie einen Hochgeschwindigkeitsprozess mit Stahlkomponenten ermöglicht.

4. Kostenüberlegungen

Hierbei geht es darum, wie viel der Verbraucher bereit ist, für das Drucksystem, die Materialien und den Service zu zahlen. Dies ist in diesem Fall der wichtigste Punkt bei der Analyse der potenziellen Rentabilität des 3D-Druckermarktes. Was die spezifische Ausrüstung betrifft, variieren die Kosten von 3D-Druckern erheblich, von etwa 200 US-Dollar für einen einfachen Extrusions-Desktop-FDM-3D-Drucker bis zu 5,000 US-Dollar für einen industriellen SLA-3DP. Der Angriff auf die Bearbeitungstechnologie bringt mehrere Kosten mit sich. Der erste besteht darin, dass in die Anschaffung von CNC-Maschinen ein erheblicher Betrag investiert werden muss. Die billigsten Maschinen sind je nach Kapazität für nicht weniger als 5000 bis 10000 US-Dollar zu haben. Kosten wie die Kosten für Rohstoffe, Werkzeuge und Wartung der Maschinen müssen in der endgültigen Kostenanalyse ebenfalls berücksichtigt werden.

5. Aktuelle Markttrends

Laut neuesten Branchenberichten wird der 3D-Druckmarkt von 23.3 bis 2023 voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 2030 % wachsen. Gleichzeitig steigt die Nachfrage nach CNC-Fertigung aufgrund des Produktionsbedarfs an maßgeschneiderten Teilen in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und anderen Fertigungsindustrien.

Die Kombination dieser Elemente soll Unternehmen helfen, die optimale Technologie und den passenden Drucker für ihre Ziele und ihr Budget zu finden. Sie bietet zudem strategische Einblicke in die Konzeption von 3D-Druck- und CNC-Bearbeitungstechnologien für verschiedene neue Anwendungen, die deren inhärente Einschränkungen umgehen. Da sich 3D-Drucker perfekt für alle Anwendungen eignen, die eine gewisse Leistungsflexibilität erfordern, und CNC-Bearbeitung ideal für Anwendungen ist, die extrem präzise und langlebige Lösungen erfordern, bietet die Kombination beider Verfahren einen Mehrwert und erfüllt die meisten Anwendererwartungen.

Schulung Ihres Teams für effiziente Fertigungsmethoden

Um Mitarbeiter in einem Unternehmen weiterzuentwickeln, ihr Wissen zu erweitern und die erforderlichen Kompetenzen eines Einzelnen zu entwickeln, muss den Mitarbeitern im Außendienst die Möglichkeit gegeben werden, praktische Erfahrungen im Umgang mit 3D-Druck und CNC-Maschinen zu sammeln, um Design und Orientierung zu gewährleisten, sowie mit anderen Softwareanwendungen und Schutzkleidung, um sicherzustellen, dass die Ressourcen optimal genutzt werden und in kürzester Zeit qualitativ hochwertige Ergebnisse erzielt werden.

Referenzen

1. Entwicklung eines 3D-Druckers und einer CNC-Fräs-Desktop-Maschine für Fertigungslabore
   Weiterlesen auf ASEE

2. Vergleichsstudie von 3- und 5-Achsen-CNC-Zentren für die Freiformbearbeitung schwer zerspanbarer Materialien
   Lesen Sie auf ScienceDirect

3. Automatische Teilelokalisierung im Koordinatensystem einer CNC-Maschine mithilfe von 3D-Scans
   Weiterlesen Springer

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Was ist der Unterschied zwischen 3D-Druck und CNC-Bearbeitung?

A: 3D-Druck ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem Teile Schicht für Schicht aufgebaut werden. CNC-Bearbeitung ist ein subtraktiver Prozess, bei dem Material von einem massiven Block entfernt wird, um Teile herzustellen. Jede Methode hat ihre Vorteile, abhängig von der Teilekomplexität und der Produktionsmenge.

F: Wie funktioniert ein 3D-Drucker bei der Teileproduktion?

A: Ein 3D-Drucker arbeitet, indem er Material, wie beispielsweise Polymerfilamente, schichtweise aufträgt, um 3D-gedruckte Teile zu erstellen. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung komplexer Formen, die mit herkömmlicher CNC-Bearbeitung nur schwer zu erreichen sind.

F: Kann ich einen CNC-Fräser für 3D-gedruckte Teile verwenden?

A: Eine CNC-Fräse kann 3D-gedruckte Teile schneiden und formen, insbesondere wenn zusätzliche Nachbearbeitungs- oder Montagefunktionen erforderlich sind. Die ursprüngliche Erstellung der Teile erfolgt jedoch weiterhin über einen 3D-Drucker.

F: Welche Vorteile bietet die Nutzung von CNC-Bearbeitungsdiensten gegenüber dem 3D-Druck?

A: CNC-Bearbeitung bietet Präzision und die Möglichkeit, mit verschiedenen Materialien zu arbeiten. Aufgrund der Fähigkeit, robuste und langlebige Komponenten herzustellen, empfiehlt sich die CNC-Bearbeitung für größere Teile oder wenn isotrope Eigenschaften erforderlich sind.

F: Welche Rolle spielt der Controller beim CNC- und 3D-Druck?

A: Die Steuerung in CNC- und 3D-Drucksystemen steuert die Bewegungen der Fräse oder des 3D-Druckers. Sie interpretiert die Konstruktionsdateien und stellt sicher, dass die Maschine präzise arbeitet, um das Teil wie vorgesehen zu fertigen.

F: Welchen Einfluss haben Skaleneffekte auf die Wahl zwischen 3D-Druck und CNC-Bearbeitung?

A: Skaleneffekte spielen bei der Produktionsauswahl eine wichtige Rolle. CNC-Bearbeitung kann bei größeren Stückzahlen aufgrund schnellerer Produktionsraten kostengünstiger sein, während 3D-Druck bei kleineren Auflagen oder stark individualisierten Teilen vorteilhaft sein kann.

F: Welche Arten von Materialien können für 3D-gedruckte Teile verwendet werden?

A: Zu den gängigen Materialien für 3D-gedruckte Teile gehören verschiedene Polymerfilamente und in einigen Fällen Metallpulver für anspruchsvollere Anwendungen. Die Materialwahl hängt von den gewünschten Eigenschaften des Endteils ab.

F: Welche Einschränkungen gibt es beim 3D-Druck im Vergleich zur CNC-Bearbeitung?

A: Zu den Einschränkungen des 3D-Drucks zählen geringere Produktionsgeschwindigkeiten bei größeren Teilen und eine potenziell geringere Oberflächenqualität im Vergleich zur CNC-Bearbeitung. Darüber hinaus lassen sich bestimmte komplexe Geometrien mit CNC-Methoden möglicherweise leichter realisieren.

F: Gibt es bestimmte Anwendungen, bei denen sich CNC und 3D-Druck ergänzen?

A: CNC- und 3D-Druck können sich in der Teileproduktion ergänzen. Beispielsweise können mit 3D-Druck komplexe Designs oder Prototypen erstellt werden, während CNC-Bearbeitung für die Endfertigung oder Veredelung dieser Teile eingesetzt werden kann.