Druk 3D czy obróbka CNC: co wybrać dla Państwa części?

Druk 3D buduje część warstwa po warstwie, przez dodawanie materiału. Obróbka CNC wychodzi z bloku lub pręta i usuwa materiał narzędziami skrawającymi. Te dwie logiki dają odmienne atuty i ograniczenia; o wyborze rozstrzyga siedem kryteriów.

1. Nakład

Druk 3D prawie nie ma kosztów uruchomienia: brak oprzyrządowania, szybkie przygotowanie pliku. Cena pierwszej sztuki jest zbliżona do dziesiątej. W obróbce skrawaniem programowanie i ustawienie to koszty stałe, które rozkładają się wraz z nakładem (zob. cena obróbki CNC). Druk jest więc korzystny dla pojedynczej sztuki lub kilku egzemplarzy, obróbka dla większych partii. Punkt przełomu nie ma wartości uniwersalnej: zależy od rozmiaru, geometrii i technologii. Proszę prosić o ceny dla kilku nakładów. W SLS lub MJF wypełnienie jednej partii wieloma częściami obniża koszt jednostkowy.

2. Geometria

Druk pozwala na kanały wewnętrzne, struktury kratownicowe, formy organiczne i połączenie kilku części w jedną. Obróbka musi dotrzeć do każdej powierzchni narzędziem: brak zamkniętych wnęk, promienie wewnętrzne narzucone przez frez, ograniczone głębokie kieszenie. Druk ma także swoje ograniczenia: podpory, nawisy, minimalne grubości, usuwanie proszku lub żywicy.

3. Materiał

Obróbka obejmuje bardzo szeroką gamę metali i tworzyw technicznych, pochodzących z półfabrykatów o znanych i certyfikowalnych właściwościach. Druk oferuje węższą paletę, a właściwości zależą od procesu, orientacji części i obróbki końcowej.

4. Tolerancje

Obróbka zwykle utrzymuje wąskie tolerancje na powierzchniach funkcjonalnych. Części prosto z drukarki mają szersze odchyłki, rzędu dziesiątej do kilku dziesiątych milimetra, zależnie od technologii, rozmiaru i materiału. Krytyczne oparcia, otwory i gwinty obrabia się wtedy skrawaniem. Zob. tolerancje obróbki.

5. Stan powierzchni

Powierzchnia obrabiana jest gładka i regularna. Część drukowana zachowuje ślad procesu: warstwy w FDM, lekko pylista ziarnistość w SLS lub MJF, chropowatość powierzchni i ślady po podporach w metalu. Obróbka końcowa (szlifowanie, piaskowanie, barwienie, malowanie, polerowanie) poprawia wygląd.

6. Termin

Dla pojedynczej sztuki druk jest często szybszy: bez programu CAM, bez zaopatrzenia w materiał. Zależy jednak od czasu druku, który dla dużej części może sięgać wielu godzin, i od obróbki końcowej. Prosta część obrabiana może być równie szybka; część złożona, długo programowana, zyskuje na wydruku.

7. Koszt

Druk rozlicza się według czasu maszynowego (często związanego z wysokością części lub objętością zajętą w komorze), zużytego materiału, podpór i obróbki końcowej. Obróbkę rozlicza się według czasu cyklu, całego półfabrykatu i kosztów stałych. Część zwarta i masywna wychodzi często taniej po obróbce, część pusta i złożona czasem taniej po wydruku. Rozstrzyga tylko wycena.

Norma ISO/ASTM 52900 klasyfikuje procesy wytwarzania przyrostowego w siedem rodzin. W praktyce pięć technologii obejmuje większość zapytań kierowanych do wykonawców druku 3D.

FDM (osadzanie topionego materiału)

Stopiony filament termoplastyczny jest nakładany warstwa po warstwie: PLA, PETG, ABS, ASA, nylon, poliwęglan, czasem wzmocnione włóknami. Technologia ekonomiczna, odpowiednia do dużych części i prototypów funkcjonalnych. Ograniczenia: widoczne warstwy, mniejsza wytrzymałość między warstwami, umiarkowana dokładność.

SLA i DLP (stereolitografia)

Światłoczuła żywica jest utwardzana laserem lub projektorem. Doskonała szczegółowość i gładka powierzchnia: części wizualne, makiety, małe precyzyjne części. Ograniczenia: żywice czasem kruche, starzenie pod wpływem UV, obróbka końcowa (mycie, dodatkowe utwardzanie).

SLS (selektywne spiekanie laserowe)

Laser spieka proszek poliamidowy (PA12, PA11…). Proszek podpiera część: brak podpór, złożone geometrie, wiele części w jednej partii. Części wytrzymałe i funkcjonalne, o lekko pylistej ziarnistości.

MJF (Multi Jet Fusion)

Technologia opracowana przez HP: proszek poliamidowy jest łączony za pomocą środków i energii podczerwonej. Zastosowania porównywalne z SLS, dobra jednorodność mechaniczna i wysoka wydajność w małych seriach. Części zwykle szare.

Metal: SLM i DMLS

Laser topi proszek metalowy (stal nierdzewna 316L, 17-4PH, aluminium AlSi10Mg, tytan Ti6Al4V, stopy niklu typu Inconel). Te nazwy są zbliżone. Geometrie niemożliwe do obróbki: kanały chłodzące, odciążenia. Ograniczenia: wysoki koszt, podpory do usunięcia, naprężenia szczątkowe (często stosuje się wyżarzanie odprężające), surowa chropowata powierzchnia i oparcia do obróbki skrawaniem.

Warto wybrać druk 3D, jeśli…

• potrzebują Państwo szybko pojedynczej sztuki lub kilku prototypów;
• geometria jest złożona (kanały wewnętrzne, kratownice, części jednolite);
• część jest spersonalizowana lub należy do bardzo małej serii;
• tolerancje są umiarkowane lub ograniczone do kilku powierzchni, które zostaną dodatkowo obrobione;
• chcą Państwo porównać kilka wariantów konstrukcji, zanim zostanie ustalona ostateczna definicja.

Warto wybrać obróbkę CNC, jeśli…

• wymagają Państwo wąskich tolerancji i dobrego stanu powierzchni na powierzchniach funkcjonalnych;
• materiał musi być precyzyjnie określony, certyfikowalny lub o wysokiej wytrzymałości;
• część jest zwarta i masywna albo produkowana w regularnej serii;
• szukają Państwo jednorodnych i powtarzalnych właściwości mechanicznych;
• część jest poddana dużym obciążeniom, zmęczeniu lub temperaturze i jej trwałość musi być gwarantowana.

Wybór nie zawsze jest dwuwartościowy. Kilka połączeń wykorzystuje mocne strony każdego procesu:

• Druk, a następnie obróbka skrawaniem. Część jest drukowana, a następnie oparcia, otwory, gwinty i powierzchnie przylegania obrabia się na wymiar. To częsta praktyka w druku z metalu i powszechna w polimerach.
• Prototyp drukowany, seria obrabiana lub wtryskiwana. Druk potwierdza kształt i montaż małym kosztem, a następnie produkcja seryjna przechodzi na bardziej ekonomiczny proces: zob. od prototypu do serii.
• Drukowane przyrządy i oprzyrządowanie. Przyrządy kontrolne, szablony do wiercenia lub pozycjonowania, drukowane uchwyty mocujące towarzyszą produkcji obrabianej.
• Zespół hybrydowy. Obrabiana podstawa, sztywna i precyzyjna, przyjmuje złożony element drukowany, lżejszy lub bardziej wyrafinowany.

W takich przypadkach dokumentacja powinna określać powierzchnie funkcjonalne, te, które będą obrabiane dodatkowo, oraz oczekiwane tolerancje: neutralny plik 3D i rysunek z wymiarami zapobiegają nieporozumieniom.

Jeśli mają Państwo wątpliwości, najskuteczniej porównać konkretne oferty. W zapytaniu proszę opisać funkcję części, nakład, preferowany materiał i krytyczne tolerancje oraz poprosić o wycenę dla każdego rozważanego procesu. W Meaflow dodanie zapytania jest bezpłatne: kilku wykonawców może przesłać swoje oferty, które Państwo porównują, a następnie rozmawiają przez komunikator z tymi, którzy Państwa interesują. Rysunki są widoczne tylko dla zalogowanych użytkowników.

Dla wiarygodnej wyceny proszę w zapytaniu określić:

• funkcję części i jej środowisko (temperatura, wilgotność, UV, kontakt z substancjami);
• nakład, z alternatywnymi progami, oraz pożądany termin;
• docelowy materiał lub poszukiwane właściwości;
• krytyczne tolerancje, stan powierzchni i ewentualny kolor;
• potrzebę wykończenia (szlifowanie, malowanie, obróbka) i obróbki skrawaniem po wydruku.

Warto też poznać wykonawców w zakresie obróbki CNC i druku 3D lub stronę prototypowanie, jeśli potrzebują Państwo pierwszego egzemplarza do zatwierdzenia.