Ist nach dem Metall-3D-Druck eine CNC-Präzisionsbearbeitung erforderlich?

1. Der Kern der Technologie: die Fähigkeit additiver und subtraktiver Materialien, zusammenzuarbeiten
Der Hauptunterschied zwischen CNC-Präzisionsbearbeitung und Metall-3D-Druck besteht darin, wie sie im Herstellungsprozess zusammenarbeiten:
Verschiedene Arten zu formen
Beim Metall-3D-Druck werden Dinge hergestellt, indem Metallpulver Schicht für Schicht geschmolzen wird. Die Oberfläche zeigt typische Schichtmuster und Schmelzbadspuren. Möglicherweise liegen Probleme mit der Mikrostruktur vor, z. B. nicht verschmolzenes Pulver und Mikroporen. Bei der CNC-Präzisionsbearbeitung wird Material durch Werkzeugschneiden entfernt, wodurch ein Spiegeleffekt mit einem Ra von 0,8 μm oder weniger erzeugt wird. Maßtoleranzen können mit einer Genauigkeit von ± 0,01 mm eingehalten werden.
Grenze der Prozessfähigkeiten
Der 3D-Druck hat einige Vorteile. Beispielsweise können damit komplizierte Strukturen hergestellt werden, die mit älteren Methoden nur schwer herzustellen sind, etwa konforme Kühlkanäle, Gitterstrukturen zur Gewichtsreduzierung und Hohlräume mit vielen Winkeln. Beispielsweise wird bei einem bestimmten Flugzeugtriebwerksblatt der 3D-Druck verwendet, um die Innenseite hohl zu machen, was das Gewicht um 40 % senkt und gleichzeitig die Festigkeit der Struktur beibehält.
Vorteile der CNC-Bearbeitung: Effizientere Bearbeitung gängiger Formen wie Ebenen und Zylinder und keine Notwendigkeit, sich mit übrig gebliebenen Stützstrukturen herumzuschlagen. Durch CNC-Fräsen wurde beispielsweise die Oberflächenrauheit einer bestimmten Autogetriebewelle auf Ra0,4 μm gebracht, was den Verschleißfestigkeitsanforderungen für Hochgeschwindigkeitsrotationen entsprach.
Der Trend zur Hybridfertigung
Das Hybridverfahren „3D-Druck + CNC-Präzisionsbearbeitung“ wird in der Branche zum Standard. Beispielsweise nutzt ein Unternehmen, das Präzisionsformen herstellt, den 3D-Druck, um einen Formkern mit drei Schichten innerer Kühlkanäle herzustellen. Anschließend nutzen sie eine CNC-Bearbeitung, um den Kühlprozess um 30 % effizienter zu gestalten und die Lieferzeit von 14 Tagen auf 5 Tage zu verkürzen.
2. Branchenbedarf: Verschiedene Kriterien für die Oberflächenrauheit
Verschiedene Branchen haben unterschiedliche Anforderungen an die Oberflächenqualität, was sich direkt auf den Bedarf an CNC-Präzisionsbearbeitung auswirkt:
Bereich Luft- und Raumfahrt
Teile müssen rauen Bedingungen standhalten (hohe Temperaturen, hoher Druck und hohe Beanspruchung), und Oberflächenfehler können zu Ermüdungsrissen führen.
Ein gängiges Beispiel ist, dass die CNC-Bearbeitung die Rauheit der Dichtfläche von Ra12 μm auf Ra0,8 μm reduziert, wenn eine bestimmte Art von Raketentriebwerksdüse in 3D gedruckt wird. Dies verlängert die Dichtungslebensdauer bei hohen Temperaturen vom 50-fachen auf das 200-fache.
Auswahl eines Prozesses: Wichtige Teile, wie z. B. Dichtflächen und Passflächen, müssen CNC-präzisionsbearbeitet werden. Nicht-tragende Oberflächen können gedruckte Texturen beibehalten, um Gewicht zu sparen.
Bereich medizinische Implantate
Wesentliche Voraussetzung: Die Oberflächenrauheit beeinflusst die Wahrscheinlichkeit der Anlagerung von Knochenzellen und der Bakterienvermehrung.
Eine Hüftgelenkprothese aus Titanlegierung muss eine Oberflächengüte von Ra1,5–2,5 μm aufweisen, damit der Knochen hineinwachsen kann. Ein bestimmtes Unternehmen stellt Körperprothesen im 3D-Druck her. Um die Oberfläche dann auf Ra0,8 μm zu glätten, verwenden sie eine Kombination aus chemischem Polieren und CNC-Polieren. Dadurch bleibt die durch den Druck erzeugte mikroporöse Struktur erhalten, was den Körper verträglicher mit Lebewesen macht.
Auswahl des richtigen Verfahrens: Die Funktionsoberfläche muss präzise CNC-gefräst werden, während die Strukturoberfläche die gedruckte Textur beibehalten kann.
In der Welt der Unterhaltungselektronik
Die Glätte der Oberfläche ist ein entscheidender Faktor, der das Aussehen und die optische Wirkung des Produkts beeinflusst.
In einem typischen Szenario verringerte die CNC-Bearbeitung die Oberflächenrauheit einer 3D-gedruckten Handy-Kamerahalterung von Ra3,2 μm auf Ra0,05 μm. Dadurch reflektierte die Halterung mehr sichtbares Licht, von 85 % auf 92 %, was Laserkommunikationssysteme benötigen.
Auswahl eines Prozesses: Die optische Oberfläche muss mit CNC-Präzision bearbeitet werden, während die strukturelle Oberfläche die gedruckte Textur beibehalten kann.
Energie- und Formenbau: Die Oberflächenqualität muss ein Gleichgewicht zwischen Korrosionsbeständigkeit und einfacher Bearbeitbarkeit herstellen.
Zur Herstellung eines konformen Kühlkanals wurde ein 3D--gedruckter Spritzgusskern für ein Auto verwendet. Anschließend wurde es sandgestrahlt, um die Oberfläche weniger rau zu machen, von Ra15 μm auf Ra6,3 μm. Dadurch erhöhte sich die Lebensdauer der Form von 100.000 Einsätzen auf 500.000 Einsätze.
Auswahl eines Verfahrens: Für Oberflächen, die sich nicht berühren, können Sie kostengünstige-Methoden wie Sandstrahlen verwenden. Für Oberflächen, die sich berühren, ist eine CNC-Präzisionsbearbeitung erforderlich.
3. Kosten-effektivität: Die wirtschaftliche Logik der Auswahl eines Prozesses
Um zu entscheiden, ob Sie die CNC-Präzisionsbearbeitung nutzen möchten, müssen Sie die technische Machbarkeit, den Lieferzyklus und die Produktionskosten sorgfältig prüfen.
Beurteilung der technischen Machbarkeit
Strukturelle Komplexität: Wenn das Produkt Merkmale aufweist, die mit CNC nur schwer herzustellen sind (z. B. Querlöcher auf der Innenseite oder dünnwandige Strukturen), kann der 3D-Druck die einzige Wahl sein. Durch den 3D-Druck wird beispielsweise die komplette Brennkammer eines bestimmten Flugzeugtriebwerks hergestellt, wodurch die Spannungskonzentrationsschwierigkeiten vermieden werden, die bei herkömmlichen Schweißmethoden auftreten können.
Genauigkeitsanforderung: Eine CNC-Präzisionsbearbeitung ist erforderlich, wenn die Toleranzanforderung höher ist als die Möglichkeiten des 3D-Drucks (z. B. ± 0,01 mm). Beispielsweise wird ein Rohling für ein hochpräzises Zahnrad per 3D-Druck hergestellt und durch CNC-Schleifen wird die Zahnprofilgenauigkeit von IT8-Niveau auf IT5-Niveau erhöht.
Optimierung des Lieferzyklus
Bei dringenden Bestellungen kann der 3D-Druck den Schritt der Formentwicklung überspringen und schnell auf die „Lieferung des Designdrucks“ reagieren. Beispielsweise nutzte ein Unternehmen für neue Energiefahrzeuge den 3D-Druck, um einen Prototyp einer Batteriepackhalterung herzustellen. Der gesamte Vorgang, vom Entwurf bis zur Montage, dauerte nur 48 Stunden.
Wenn die Losgröße groß ist (mehr als 1000 Stück), kann die CNC-Bearbeitung für die Serienfertigung günstiger sein. Ein Unternehmen, das Standardteile herstellt, kann mithilfe der CNC-Stapelverarbeitung von Verbindungen aus Aluminiumlegierungen ein einzelnes Element 60 % günstiger herstellen als 3D-Druck.
Kontrolle der Gesamtkosten der Lieferung
Bei der CNC-Bearbeitung müssen Sie an implizite Kosten wie Programmierung, Spannen und Formentests denken. Andererseits kann der 3D-Druck die Werkzeugkosten und das Risiko von Design-Iterationen senken. Beispielsweise kann der 3D-Druck ein kompliziertes Strukturteil auf einmal herstellen und so den Zeitaufwand für den Wechsel von Werkzeugen und Prozesspfaden um 70 % verkürzen.
Materialausnutzungsgrad: Die CNC-Bearbeitung verbraucht normalerweise 50 bis 70 % des Materials, während beim 3D-Druck mehr als 90 % verbraucht werden können. Beim 3D-Druck wird beispielsweise ein bestimmtes Element aus einer Titanlegierung hergestellt, das 40 % weniger kostet als das CNC-Fräsen.