Die Entwicklung stärkerer 3D-Druck-Materialien hat Hersteller in allen Branchen dazu ermutigt, CNC- und 3D-Druck zu vergleichen und Wege zu finden, funktionale Teile, die zuvor CNC-gefertigt wurden, in 3D zu drucken. Mit dem 3D-Druckverfahren können Hersteller viel Zeit und Geld sparen und gleichzeitig die für die industrielle Produktion erforderliche Qualität erzielen.

Hersteller, die sich für den Umstieg entscheiden, können mithilfe von 3D-Drucksoftware innerhalb eines Tages Prototypen erstellen und Teile produzieren, und zwar zu einem Bruchteil der Kosten der herkömmlichen CNC-Bearbeitung. Dennoch gibt es einige Schlüsselbereiche, in denen die CNC-Bearbeitung immer noch die richtige Wahl sein kann.

Von den physischen bis zu den finanziellen Aspekten wollen wir einige der wichtigsten Bereiche durchgehen, die vor der Entscheidung zwischen CNC und 3D-Druck zu prüfen sind.

Feature-Größe: Sowohl CNC- als auch 3D-Druckverfahren sind durch die Werkzeuggröße eingeschränkt; im Falle von CNC gibt der Werkzeugdurchmesser das kleinste negative Merkmal vor, das erzeugt werden kann. Beim 3D-Druck hingegen bestimmt der Düsendurchmesser das kleinste positive Merkmal, das erzeugt werden kann. Der Düsendurchmesser für 3D-Drucker auf Extrusionsbasis liegt in der Regel zwischen 0,25 mm und 0,8 mm, und die Mindestfeaturegröße für diese Maschinen beträgt das Vierfache davon, was zu einer Mindestfeaturegröße zwischen 1,0 mm und 3,2 mm führt.

Weitere Einzelheiten zur Mindestfeaturegröße für Endlosfaserverstärkung finden Sie in unserem Leitfaden zu Mindestfeaturegrößen für Fasern.

Oberflächengüte: Mit den richtigen Werkzeugen sind CNC-Maschinen in der Lage, viel glattere Oberflächen zu produzieren als 3D-Drucker. 3D-Drucker sind in der Lage, Teile in Bezug auf Passform und Finish zu produzieren, aber für Teile, die eine außergewöhnliche Glätte für die Verbindung mit anderen Präzisionskomponenten erfordern, kann die CNC-Bearbeitung vorzuziehen sein.

Toleranzen: Einige der besten 3D-Drucker für Verbundwerkstoffe können Maßtoleranzen von bis zu +/- 0,005″ einhalten und haben in der Regel eine nachgiebige Oberfläche für Presspassungen. Merkmale mit engen Toleranzen an 3D-gedruckten Teilen können nachbearbeitet werden. Je nach den anderen Merkmalen des Teils kann es jedoch einfacher sein, das ganze Teil zu bearbeiten. Ihre Ergebnisse können je nach Maschine, Material und Teilegeometrie variieren.

Ausrichtung: Nicht-strukturelle Teile sind in der Regel ein leichtes Ziel für den konventionellen 3D-Druck. Strukturelle Teile, die erheblichen physischen Belastungen standhalten müssen, können mit Endlosfaserverstärkung oder durch CNC-Bearbeitung hergestellt werden. Zwar kann die Endlosfaserverstärkung die Festigkeit gegenüber anderen 3D-gedruckten Teilen erheblich verbessern, doch sind Verbundwerkstoffteile in zwei Achsen (X, Y) stärker als in Z und weisen keine isotropen Eigenschaften wie Metallteile auf. 

Sowohl der 3D-Druck als auch die CNC-Bearbeitung sind in der Lage, Teile aus Metallen und Polymeren herzustellen. Die Entscheidung hängt also davon ab, welches Verfahren für die Formung des von Ihnen benötigten Materials besser geeignet ist.

Temperatur: Sowohl der 3D-Druck als auch die CNC-Bearbeitung sind in der Lage, Teile aus Metallen und Polymeren herzustellen. Die Entscheidung hängt also davon ab, welches Verfahren für die Formung des von Ihnen benötigten Materials besser geeignet ist. Die Gebrauchstemperatur eines bestimmten Metalls steht in der Regel in einem gewissen Verhältnis zu seiner Schmelztemperatur. “Reine Metalle werden in der Regel bei etwa der Hälfte des Schmelzpunkts auf der absoluten Temperaturskala (Schmelzpunkt in Grad F plus 459) stark geschwächt. Legierungen können den Nutzbereich in der Regel höher ansetzen, in einigen Fällen bis zu 65 % der Schmelztemperatur.

3D-gedruckte Verbundwerkstoffe und Polymere haben eine niedrigere Gebrauchstemperatur als Metalle. Markgeschmiedete Materialien sollten in der Regel nicht über längere Zeit bei höheren Temperaturen als 150 °C verwendet werden.

Luftfeuchtigkeit: Einige Polymerfilamente absorbieren Feuchtigkeit und können bei längerer Einwirkung oder Untertauchen an Festigkeit verlieren. Eine Beschichtung, wie z. B. Liquitex, kann erforderlich sein. Feuchtigkeit wirkt sich normalerweise nicht auf Aluminium aus, kann aber bei Stahl zu Rost führen.

Chemikalien: Wenn Ihr Teil Chemikalien ausgesetzt sein wird, prüfen Sie die chemische Verträglichkeit Ihres Materials mit den Chemikalien. Viele Metalle eignen sich zwar für die Verwendung mit einer Vielzahl von Chemikalien, aber prüfen Sie immer die Kompatibilität, bevor Sie ein neues Material oder eine neue Umgebung einführen. Markforged-Materialien auf Nylonbasis sind chemisch beständig und werden von den meisten Petrochemikalien nicht angegriffen. Sie sind nicht für den Einsatz in Umgebungen mit starken Säuren oder Basen geeignet.

Inhouse-Bearbeitung: Wenn das Teil sofort benötigt wird, es keine anderen Verzögerungen gibt und Sie eine Maschine, einen Bediener, Material und eine Spannvorrichtung zur Verfügung haben, sollten Sie Ihr Teil CNC-bearbeiten. Wenn es dringendere Aufgaben gibt oder das Teil warten kann, können Sie mit dem 3D-Druck in der Regel schon am nächsten Tag ein Teil in Händen halten, so dass dem Bediener mehr Zeit für wichtigere Aufgaben bleibt.

Die CNC-Bearbeitung ist in der Regel in der Lage, Material viel schneller abzutragen als der 3D-Druck es aufbringen kann. Bei der Bearbeitung spielt die Größe in der Regel keine so große Rolle wie bei der Zeitbeschränkung; die Menge des erforderlichen Materialabtrags ist viel entscheidender. Wenn das Verhältnis zwischen Teilevolumen und Materialvolumen sehr gering ist (der Materialabtrag ist hoch), kann der 3D-Druck eine gute Option sein.

Beim 3D-Druck wirkt sich die Größe des Teils auf die Zeit aus; größere Teile brauchen länger zum Drucken. Wenn ein Teil in Ihre Handfläche passt, können Sie es in der Regel noch am selben Tag erhalten. Bei kleineren Teilen kann der 3D-Druck oft schneller sein als die Bearbeitung. Bei einer CNC-Maschine müssen Sie Zeit aufwenden, um das Rohmaterial zu beschaffen, den G-Code zu schreiben, die Werkstückaufnahme zu bestimmen, die Werkzeuge einzurichten und danach aufzuräumen. Einige Teile können in der Zeit gedruckt werden, die man braucht, um eine CNC-Maschine vorzubereiten.

Out-of-house Bearbeitung: Der Prozess der Auslagerung von bearbeiteten Komponenten an CNC-Bearbeitungsdienste erfordert in der Regel mindestens mehrere Tage, von der Prüfung der Teile über die Erstellung von Zeichnungen bis hin zur Angebotsabgabe und der Abstimmung mit dem Einkauf. Zusammen mit dem Versand und der Vorlaufzeit der Werkstatt kann dies zu einem sehr langwierigen Prozess führen. In diesem Fall kann das Drucken ein geeigneter Weg sein, um die Passform und das Finish zu überprüfen oder ein Teil am nächsten Tag fertig zu haben, während ein festes Teil geschnitten wird.

Wenn man die Kosten für maschinell bearbeitete Teile in kleinen Stückzahlen aufschlüsselt, entfällt der Großteil der Kosten auf die Zeit, die für die Programmierung und das Einrichten benötigt wird; die tatsächliche Zeit für das Schneiden von Metall ist im Allgemeinen recht kurz. Die Steigerung des Produktionsvolumens wird im Allgemeinen durch größere Aufspannungen erreicht, um mehr Teile unbeaufsichtigt zu schneiden. Wenn die Komplexität der Teile und die Anzahl der Merkmale zunimmt, können auch die Programmierzeit und die Anzahl der erforderlichen Aufspannungen steigen. Die Kosten für zusätzliche Einheiten sinken jedoch recht schnell. Je nach Geometrie lassen sich die CNC-Kosten pro Einheit gut auf Hunderte oder gar Tausende von Einheiten pro Monat skalieren, da die Programmierung und Einrichtung wiederverwendet werden kann.

Beim 3D-Druck erfolgt die Programmierung (Slicing) in wenigen Minuten, und die Komplexität hat kaum Auswirkungen auf die Programmierzeit. Während die Kosten und der Aufwand für die erste Einheit gering sind, werden die Kosten pro Einheit durch das Volumen nicht wesentlich beeinflusst. Eine Steigerung des Produktionsvolumens wird in der Regel dadurch erreicht, dass mehr Maschinen in Betrieb genommen werden.

CNC-Maschinen können unbeaufsichtigt laufen, wenn sie richtig eingerichtet sind, aber in der Regel sind geschulte Vollzeit-Bediener und Programmierer entscheidend für den Erfolg. Die Maschinen sind für die Eigentümer nicht immer einfach zu warten, was teure Wartungspläne erfordert.

3D-Drucker können problemlos völlig unbeaufsichtigt betrieben werden, die Bediener müssen nur minimal geschult werden, und die Programmierung wird durch Software erleichtert. Maschinen sind in der Regel einfach zu warten und haben weit weniger teure Wartungskosten.

Die Preise für CNC-Maschinen und 3D-Drucker variieren je nach Ausstattung und Bauqualität, aber in der Regel sind die Investitionskosten für einen 3D-Drucker deutlich geringer als für eine CNC-Maschine.

Die Anschaffungs- und Betriebskosten der additiven Fertigung sind niedrig, so dass sie sich ideal für Anwendungen mit geringen Stückzahlen wie Prototyping und Werkzeugbau eignet. Bei der Skalierung auf höhere Stückzahlen sind jedoch die subtraktive Fertigung und die Umformung kostengünstiger.

Der Fall ist selten so einfach wie ein Eins-zu-Eins-Ersatz von Prozessen, und der 3D-Druck wird nicht alle Ihre Produktionsprobleme über Nacht lösen. Wirtschaftliche Zwänge beschränken die kosteneffektive Teilemenge für den 3D-Druck auf geringe Stückzahlen, und die Material- und Prozessbeschränkungen können den Anwendungsbereich begrenzen. Bei der CNC-Bearbeitung hingegen ergeben sich günstige Skaleneffekte, sobald die Stückzahlen etwas höher sind, in der Regel in der Größenordnung von Hunderten von Einheiten pro Monat.