3D-Metalldruck vs. CNC-Bearbeitung: Welches ist die beste Methode zur Herstellung von Metallteilen?

Spickzettel zur Wahl zwischen Metall-3D-Druck und CNC-Bearbeitung

Was ist 3D-Metalldruck?

Metall-3D-Druck , auch bekannt als additive Fertigung oder additiver Metalldruck, ist ein Herstellungsverfahren, bei dem dreidimensionale Objekte Schicht für Schicht aus Metallpulver aufgebaut werden. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung komplexer Metallkomponenten mit komplexen Geometrien, die mit herkömmlichen Produktionstechniken nur schwer oder gar nicht herstellbar wären.

Der 3D-Metalldruck bietet zahlreiche Vorteile, wie Designflexibilität, minimierten Materialabfall und die Möglichkeit, leichte und dennoch robuste Teile herzustellen. Er wird in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, dem Gesundheitswesen und dem Maschinenbau für Prototypen, Werkzeuge und die Produktion von Endverbrauchsteilen eingesetzt.

Arten des 3D-Metalldrucks

Metallpulverbettfusion

Zu dieser Kategorie gehören Verfahren wie Selektives Lasersintern (SLS), Selektives Laserschmelzen (SLM) und Direktes Metall-Lasersintern (DMLS). Diese Drucker erzeugen Teile durch das Schmelzen von feinem Metallpulver mithilfe eines Laser- oder Elektronenstrahls. Dabei wird eine dünne Pulverschicht auf die Bauplattform aufgetragen und anschließend selektiv verschmolzen, um die einzelnen Schichten des Objekts zu erzeugen. Die Plattform senkt sich ab, und der Vorgang wird wiederholt, bis das Teil fertig ist. Das Pulverbettschmelzen von Metall ist für seine feinen Details bekannt und wird häufig für komplexe, hochwertige Teile verwendet.

SLM 3D-gedruckte Verteiler bei 3DSPRO

Gerichtete Energieabscheidung (DED)

DED nutzt eine konzentrierte Energiequelle, einen Laser- oder Elektronenstrahl, um Metallpulver oder -draht zu schmelzen, während es in den Fokuspunkt des Strahls gelangt. Dies ist eine vielseitige Methode. Sie wird häufig zur Reparatur oder zum Hinzufügen von Material zu vorhandenen Komponenten sowie zum Bau von Teilen von Grund auf eingesetzt. DED kann eine breite Palette von Materialien verarbeiten und eignet sich besonders für großformatige Teile. Daher ist es eine lohnende Methode für verschiedene Anwendungen.

Metallfilamentextrusion

Diese Technik, ähnlich der Fused Filament Fabrication (FFF) im 3D-Kunststoffdruck, bietet Flexibilität. Dabei wird ein Metallfilament erhitzt und durch eine Düse extrudiert, wodurch das Bauteil Schicht für Schicht aufgebaut wird. Nach dem Druck durchläuft das Bauteil typischerweise einen Entbinderungsprozess, um das im Filament enthaltene Bindemittel zu entfernen, und wird anschließend gesintert, um die volle Dichte zu erreichen. Die Vielseitigkeit und Anpassungsfähigkeit dieser Methode machen sie zu einer zuverlässigen Wahl für eine Vielzahl von Projekten.

Material Jetting und Binder Jetting

Bei diesen Verfahren wird ein Bindemittel schichtweise auf ein Metallpulverbett aufgetragen, um ein Bauteil herzustellen. Nach dem Druck wird das Bauteil ausgehärtet und anschließend in einem Ofen gesintert. Dabei wird das Bindemittel entfernt und die Metallpartikel miteinander verschmolzen. Dieses Verfahren eignet sich gut für die Herstellung von Bauteilen mit komplexen Geometrien und wird auch zur Herstellung von Metallgussformen verwendet.

Was ist CNC-Bearbeitung?

CNC-Bearbeitung steht für Computer Numerical Control Machining (Computergestützte numerische Steuerung), ein subtraktives Fertigungsverfahren, bei dem computergestützte Steuerungen und Werkzeugmaschinen eingesetzt werden, um ein Werkstück in das gewünschte Endprodukt zu formen. Im Gegensatz zu additiven Fertigungsverfahren wie dem 3D-Druck wird bei der CNC-Bearbeitung Material von einem massiven Block – dem sogenannten Werkstück oder Rohling – mithilfe verschiedener Schneidwerkzeuge entfernt, um die gewünschte Geometrie zu erreichen.

Die CNC-Bearbeitung besteht aus:

● CNC-Fräsen : Beim CNC-Fräsen wird Material mithilfe rotierender Schneidwerkzeuge vom Werkstück entfernt. CNC-Fräsmaschinen können ihre Werkzeuge und Werkstücke in mehrere Richtungen bewegen, wodurch komplexe Formen und Merkmale entstehen.

● CNC-Drehen : Bei diesem Verfahren dreht sich das Werkstück, während ein stationäres Schneidwerkzeug Material entfernt, wodurch normalerweise zylindrische Teile entstehen.

Die Präzision der CNC-Bearbeitung und die Fähigkeit, Teile mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften herzustellen, machen sie zur ersten Wahl sowohl für den Prototypenbau als auch für die Produktion. Die Fähigkeit, große Stückzahlen zu bewältigen und gleichzeitig Teile mit engen Toleranzen und feiner Oberflächenqualität zu fertigen, unterstreicht ihre entscheidende Rolle in der modernen Fertigung.

Bildquelle: PROTOLABS NETWORK von Hubs

CNC-Fräsen und CNC-Drehen

CNC-Fräsen und CNC-Drehen sind zwei grundlegende Prozesse der CNC-Bearbeitung, die jeweils unterschiedliche Methoden und Anwendungen haben.

CNC-Fräsen zeichnet sich durch den Einsatz rotierender Schneidwerkzeuge zum Abtragen von Material von einem ruhenden Werkstück aus. Mit diesem vielseitigen Verfahren lassen sich verschiedenste Formen erzeugen, von einfachen flachen Oberflächen bis hin zu komplexen dreidimensionalen Strukturen. Die Schneidwerkzeuge der Fräsmaschine sind mehrachsig beweglich und ermöglichen so Bearbeitungen wie Bohren, Ausbohren und Schlitzen. CNC-Fräsmaschinen werden nach ihrer Achsenkonfiguration klassifiziert, z. B. in 3-, 4- oder 5-Achsen-Fräsen, die jeweils unterschiedliche Komplexitäts- und Präzisionsgrade bieten.

Beim CNC-Drehen hingegen wird das Werkstück in einem Spannfutter fixiert und gedreht, während ein stationäres Schneidwerkzeug in das Material eingeführt wird. Dieses subtraktive Verfahren eignet sich hervorragend zur Herstellung zylindrischer Teile mit Merkmalen wie Löchern, Nuten und Gewinden. Der Drehvorgang wird typischerweise auf einer CNC-Drehmaschine oder einem Drehzentrum durchgeführt, die von einfachen Zwei-Achsen-Maschinen bis hin zu anspruchsvolleren Mehr-Achsen-Konfigurationen reichen können.

Arten von CNC-Maschinen

CNC-Drehmaschinen

Diese Maschinen sind das moderne Äquivalent traditioneller Drehmaschinen. Sie drehen das Werkstück gegen ein Schneidwerkzeug, um es in symmetrische Objekte wie Kegel und Zylinder zu formen. CNC-Drehmaschinen werden für ihre Präzision und Effizienz bei der Herstellung von Teilen wie Schrauben und Automobilkomponenten geschätzt.

CNC-Fräsmaschinen

CNC-Fräsmaschinen sind für ihre Vielseitigkeit bekannt. Sie verwenden ein rotierendes Schneidwerkzeug, um Material von einem festen Werkstück zu entfernen. Sie können sich entlang mehrerer Achsen (drei, vier, fünf und sogar sechs Achsen) bewegen und verschiedene Formen, Schlitze, Löcher und komplizierte Details erzeugen. Diese Maschinen sind unverzichtbar für die Herstellung komplexer Teile mit hoher Präzision.

CNC-Bohrmaschinen

CNC-Bohrmaschinen dienen zum Bohren zylindrischer Löcher in Werkstücken. Sie verfügen über ein rotierendes Schneidwerkzeug, in der Regel einen Bohrer, und können verschiedene Bohraufgaben wie Anbohren, Reiben und Gewindeschneiden ausführen.

CNC-Schleifmaschinen

Die Schleifmaschine verwendet eine rotierende Schleifscheibe, um eine feine Oberfläche zu erzielen oder sehr präzise Schnitte oder Löcher zu erzeugen. Sie ist für die Endbearbeitung unerlässlich und wird häufig in der Metallverarbeitung eingesetzt.

CNC-Plasmaschneider

Der Plasmaschneider verwendet einen Plasmabrenner, um elektrisch leitfähige Materialien mit hoher Geschwindigkeit und Präzision zu schneiden. Er eignet sich besonders zum Schneiden von Blechen und wird häufig in der Fertigung und Autoreparatur eingesetzt.

CNC-Laserschneider

Mit einem Hochleistungslaser können diese Maschinen eine Vielzahl von Materialien mit äußerster Präzision schneiden und gravieren. CNC-Laserschneider sind in Branchen beliebt, in denen komplexe Designs und Details erforderlich sind, wie beispielsweise in der Elektronik- und Textilindustrie.

CNC-Fräser

CNC-Fräsen ähneln Fräsmaschinen, sind aber im Allgemeinen weniger robust. Sie werden zum Schneiden weicherer Materialien wie Holz, Kunststoff und Schaumstoff verwendet. Sie werden häufig in Schreinereien für Möbeldesign, Schilderherstellung und mehr eingesetzt.

CNC-Elektroerosionsmaschinen (EDM)

Diese Maschinen nutzen elektrische Funken, um Materialien in die gewünschte Form zu bringen. CNC-EDM eignet sich besonders für Hartmetalle und komplexe Formen, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu bearbeiten sind.

Metall-3D-Druck vs. CNC-Bearbeitung: Mechanische Eigenschaften

Der 3D-Druck und die CNC-Bearbeitung von Metall haben ihre einzigartigen Stärken und Schwächen, die die Leistung der hergestellten Metallteile erheblich beeinträchtigen können.

● 3D-Druck mit Metall : Mit 3D-Druck mit Metall lassen sich Teile mit komplexen Geometrien herstellen. 3D-gedruckte Metallteile können Anisotropie aufweisen, d. h. ihre Festigkeit und mechanischen Eigenschaften können je nach Ausrichtung des Drucks variieren. Dies liegt an der schichtweisen Konstruktion, die Mikrostrukturen erzeugen kann, die sich von denen in massiven Materialien unterscheiden. 3D-gedruckte Metallteile benötigen zudem unter Umständen Nachbehandlungen wie Wärmebehandlung oder heißisostatisches Pressen (HIP), um ihre mechanischen Eigenschaften zu verbessern und die Anisotropie zu reduzieren.

● CNC-Bearbeitung : CNC-bearbeitete Teile mit ihrer isotropen Beschaffenheit und ihren in alle Richtungen gleichmäßigen Eigenschaften zeugen von der Präzision und Vielseitigkeit dieses Verfahrens. Sie werden aus einem massiven Materialblock gefräst, wodurch die Mikrostruktur im gesamten Teil gleich bleibt. Im Vergleich zum 3D-Druck ermöglicht die CNC-Bearbeitung eine höhere Maßgenauigkeit und die Herstellung von Teilen mit besseren mechanischen Eigenschaften in allen drei Dimensionen.

Metall-3D-Druck vs. CNC-Bearbeitung: Materialien

● Metall-3D-Druck : Beim Metall-3D-Druck werden hauptsächlich Metallpulver verwendet, die Schicht für Schicht verschmolzen werden, um das endgültige Bauteil zu erzeugen. Gängige Materialien sind Edelstahl, Titan, Aluminium und Nickellegierungen. Diese Materialien werden aufgrund ihrer präzisen Druckkontrolle ausgewählt. Allerdings ist die Materialauswahl für den Metall-3D-Druck im Vergleich zur CNC-Bearbeitung begrenzt, und die Eigenschaften der gedruckten Teile können je nach Schichtverlauf variieren.

● CNC-Bearbeitung : Für die CNC-Bearbeitung wird eine große Auswahl an Metallen verwendet, darunter alle für den 3D-Druck verfügbaren Metalle sowie zusätzliche Optionen wie Messing, Kupfer und verschiedene Stahl- und Aluminiumsorten. Auch härtere Materialien wie Werkzeugstahl und bestimmte Superlegierungen, die sich nur schwer drucken lassen, können verarbeitet werden. Die bei der CNC-Bearbeitung verwendeten Materialien behalten ihre Masseneigenschaften und bieten so über alle Dimensionen des Teils hinweg gleichbleibende Festigkeit und Haltbarkeit.

Während der 3D-Metalldruck den Vorteil bietet, leichte und komplexe Teile herzustellen, bleibt die CNC-Bearbeitung die bevorzugte Methode für die Herstellung von Teilen, die die volle Festigkeit und die Eigenschaften des gewählten Materials ohne zusätzliche Bearbeitung erfordern. Die Entscheidung zwischen den beiden Verfahren hängt von den spezifischen Anforderungen des Teils ab, einschließlich Materialeigenschaften, Teilekomplexität und beabsichtigter Anwendung.

Metall-3D-Druck vs. CNC-Bearbeitung: Vorteile

Vorteile des Metall-3D-Drucks:

● Gestaltungsfreiheit: Der 3D-Druck von Metall eignet sich hervorragend zum Erstellen komplexer Geometrien, einschließlich interner Kanäle und Gitterstrukturen, die mit der CNC-Bearbeitung oft nicht möglich sind.

● Rapid Prototyping: Ermöglicht eine schnelle Iteration von Designs und damit schnellere Entwicklungszyklen und Markteinführungszeiten.

● Materialeffizienz: Dieser Prozess minimiert Abfall, indem nur das notwendige Material verwendet wird, um ein Teil Schicht für Schicht aufzubauen.

● Anpassung: Jeder Druck kann einfach geändert werden, um benutzerdefinierte Einzelteile zu erstellen, ohne dass neue Werkzeuge oder Einstellungen erforderlich sind.

● Werkzeuglose Fertigung: Im Gegensatz zur CNC-Bearbeitung erfordert der 3D-Druck keine Spezialwerkzeuge, was Kosten und Vorlaufzeiten reduzieren kann.

Vorteile der CNC-Bearbeitung:

● Präzision und Genauigkeit: Die CNC-Bearbeitung ist für ihre hohe Präzision und die Fähigkeit bekannt, Teile mit engen Toleranzen herzustellen.

● Materialauswahl: Es können zahlreiche verschiedene Materialien bearbeitet werden, darunter auch schwer zu bedruckende Metalle.

● Oberflächenbeschaffenheit: Durch CNC-Bearbeitung hergestellte Teile weisen normalerweise eine hervorragende Oberflächenbeschaffenheit auf, die möglicherweise keine zusätzliche Nachbearbeitung erfordert.

● Stärke und Zuverlässigkeit: CNC-gefräste Teile sind aufgrund der durchgängigen Materialeigenschaften des gesamten Teils im Allgemeinen stärker und zuverlässiger.

● Skalierbarkeit: Bei der Großserienproduktion kann die CNC-Bearbeitung kostengünstiger sein, insbesondere wenn die Stückzahl der Teile zunimmt.

Metall-3D-Druck vs. CNC-Bearbeitung: Nachteile

Nachteile des Metall-3D-Drucks:

● Materialbeschränkungen: Die Palette der für den 3D-Druck von Metall geeigneten Materialien ist kleiner als die für die CNC-Bearbeitung und bestimmte Metalle sind möglicherweise nicht verfügbar oder zu teuer.

● Mechanische Eigenschaften: Aufgrund des schichtweisen Aufbaus können im Metall-3D-Druck hergestellte Teile unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen, was möglicherweise zu Anisotropie führt.

● Oberflächenbeschaffenheit: Die Oberflächenbeschaffenheit von 3D-gedruckten Teilen erfordert häufig eine Nachbearbeitung, um die Glätte zu erreichen, die durch die CNC-Bearbeitung direkt von der Maschine bereitgestellt werden kann.

● Geschwindigkeit und Produktivität: Während sich 3D-Druck hervorragend für die Prototypenentwicklung eignet, kann er bei der Massenproduktion, insbesondere bei größeren Teilen, langsamer sein als die CNC-Bearbeitung.

● Kosteneffizienz: Der 3D-Druck von Metall kann bei kleinen Produktionsläufen kosteneffizient sein, bei steigendem Volumen wird die CNC-Bearbeitung jedoch oft wirtschaftlicher.

Nachteile der CNC-Bearbeitung:

● Materialabfall: Bei der CNC-Bearbeitung handelt es sich um einen subtraktiven Prozess, was bedeutet, dass insbesondere bei der Erstellung komplexer Geometrien eine erhebliche Menge an Abfallmaterial entstehen kann.

● Komplexitätsbeschränkungen: Die Teile, die mit CNC-Bearbeitung hergestellt werden können, sind geometrisch begrenzt, insbesondere hinsichtlich interner Merkmale und Hinterschnitte.

● Rüstzeit: Bei der CNC-Bearbeitung ist für jedes neue Teil eine Einrichtung erforderlich, was zeitaufwändig und kostspielig sein kann, insbesondere bei kundenspezifischen Einzelteilen.

● Werkzeugkosten: Der Bedarf an Spezialwerkzeugen für verschiedene Vorgänge kann die Kosten und Lieferzeiten für CNC-bearbeitete Teile erhöhen.

● Flexibilität: Obwohl die CNC-Bearbeitung eine hohe Genauigkeit aufweist, fehlt ihr die Designflexibilität, die der 3D-Metalldruck für komplexe und benutzerdefinierte Geometrien bietet.

Metall-3D-Druck vs. CNC-Bearbeitung: Fertigungsgeschwindigkeit

● 3D-Metalldruck : Der 3D-Metalldruck wird oft für seine Rapid-Prototyping-Fähigkeiten gelobt, die es Designern ermöglichen, Designs schnell zu iterieren und zu verfeinern. Das Verfahren kann komplexe Teile je nach Größe und Komplexität des Teils innerhalb von Stunden oder Tagen produzieren. Bei größeren Mengen oder Teilen ist die Produktionsgeschwindigkeit jedoch möglicherweise nicht so wettbewerbsfähig. Der schichtweise Ansatz ist zwar präzise, ​​aber naturgemäß langsamer als subtraktive Methoden für die Massenproduktion.

● CNC-Bearbeitung : CNC-Bearbeitung ist bei der Teileherstellung, insbesondere bei größeren Stückzahlen, im Allgemeinen schneller als 3D-Druck. Der subtraktive Charakter der CNC-Bearbeitung ermöglicht die schnelle Umwandlung von Rohmaterial in fertige Teile, oft innerhalb weniger Stunden. Dies macht die CNC-Bearbeitung zu einer ausgezeichneten Wahl für Großserien, bei denen es auf Geschwindigkeit ankommt. Der Wegfall der Nachbearbeitung, wie sie beim 3D-Metalldruck häufig erforderlich ist, trägt zudem zu einem optimierten und effizienteren Produktionsprozess bei.

Metall-3D-Druck vs. CNC-Bearbeitung: Kosten

● 3D-Metalldruck : 3D-Metalldruck ist in der Regel kostengünstiger für kleine Produktionschargen, insbesondere bei komplexen Geometrien, deren Bearbeitung teuer wäre. Der Verzicht auf Spezialwerkzeuge und die Möglichkeit, mehrere Teile gleichzeitig und ohne Eingriff zu drucken, tragen ebenfalls zu Kosteneinsparungen bei. Die Anfangsinvestition in 3D-Drucktechnologie kann jedoch erheblich sein, und die Kosten für Metallpulver können höher sein als die für die CNC-Bearbeitung verwendeten Massenmaterialien.

● CNC-Bearbeitung : Aufgrund von Skaleneffekten ist die CNC-Bearbeitung bei größeren Produktionsmengen in der Regel günstiger. Der Prozess kann schneller und weniger arbeitsintensiv pro Teil sein, insbesondere bei einfacheren Geometrien. Während die Werkzeug- und Einrichtungskosten insbesondere bei komplexen Teilen hoch sein können, sinken die Stückkosten mit zunehmender Teileanzahl deutlich. Darüber hinaus ermöglicht die große Auswahl an Materialien für die CNC-Bearbeitung kostengünstigere Optionen.

Metall-3D-Druck vs. CNC-Bearbeitung: Volumen

● 3D-Metalldruck : Beim 3D-Metalldruck bleiben die Material- und Betriebskosten pro Teil unabhängig vom Produktionsvolumen konstant. Dies liegt an der Art des additiven Fertigungsverfahrens, bei dem jedes Teil Schicht für Schicht aufgebaut wird und die Maschineneinstellungen von einem Druck zum nächsten relativ unverändert bleiben. Dadurch ist der 3D-Druck weniger von den Skaleneffekten der CNC-Bearbeitung betroffen, bietet aber gleichzeitig ein gewisses Maß an Flexibilität für die Produktion kleiner Chargen oder kundenspezifischer Teile ohne zusätzliche Einrichtungskosten.

● CNC-Bearbeitung : CNC-Bearbeitung bietet sich bei hohen Produktionsvolumina an. Der anfängliche Einrichtungsaufwand, der die Vorbereitung der Maschinen, die Konstruktion der Werkzeuge und die Programmierung der Abläufe umfasst, kann recht umfangreich sein. Nach Abschluss der Einrichtung können die Kosten jedoch auf eine große Anzahl von Teilen verteilt werden, wodurch die Stückkosten deutlich sinken. Diese Amortisierung der Einrichtungskosten macht die CNC-Bearbeitung zu einer attraktiven Option für die Großserienproduktion, bei der die Effizienzsteigerungen zu einem kostengünstigeren Herstellungsprozess beitragen.

3D-Metalldruck vs. CNC-Bearbeitung: Komplexität

● Metall-3D-Druck : Der Metall-3D-Druck lebt von seiner Komplexität. Der additive Charakter des Prozesses ermöglicht die Herstellung von Teilen mit komplexen Geometrien, Gitterstrukturen und detaillierten Oberflächenstrukturen, die mit CNC-Bearbeitung nur schwer oder gar nicht realisierbar wären. Dies eröffnet neue Designmöglichkeiten, wie z. B. Topologieoptimierung und Leichtbau, was zu Leistungsverbesserungen in verschiedenen Anwendungen führen kann.

● CNC-Bearbeitung : CNC-Bearbeitung ist zwar präzise und zuverlässig, wird jedoch durch den Zugang des Werkzeugs zum Material eingeschränkt. Konstruktionen mit tiefen Hohlräumen, Hinterschneidungen oder inneren Merkmalen können schwierig oder unwirtschaftlich zu bearbeiten sein. Die Rotationsnatur der Schneidwerkzeuge bedeutet außerdem, dass scharfe Innenecken und bestimmte feine Details möglicherweise nicht realisierbar sind. Für Außengeometrien und Teile, die hohe Präzision und eine glatte Oberfläche erfordern, ist CNC-Bearbeitung jedoch oft die bevorzugte Wahl. Das Verfahren eignet sich auch gut für Teile, die mechanischer Belastung standhalten müssen, da die strukturelle Integrität des Materials während des gesamten Bearbeitungsprozesses erhalten bleibt.

Metall-3D-Druck vs. CNC-Bearbeitung: Maßgenauigkeit

● 3D-Metalldruck : Der 3D-Metalldruck ermöglicht eine hohe Maßgenauigkeit und eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen. Aufgrund des schichtweisen Aufbaus der Teile können jedoch leichte Abweichungen die endgültigen Abmessungen beeinträchtigen. Faktoren wie die Druckerauflösung, das verwendete Material und die Nachbearbeitungsschritte können die Genauigkeit beeinflussen.

● CNC-Bearbeitung : CNC-Bearbeitung ist für ihre außergewöhnliche Maßgenauigkeit und -konsistenz bekannt. Das subtraktive Verfahren ermöglicht enge Toleranzen und eine präzise Kontrolle der endgültigen Abmessungen eines Teils. Die Genauigkeit der CNC-Bearbeitung wird weniger von der Materialauswahl beeinflusst und erfordert in der Regel keine Nachbearbeitung, um die Maßvorgaben zu erfüllen.

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