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Wählen Sie CNC-Bearbeitung, wenn ein Prototyp ein vorgegebenes Ausgangsmaterial und bearbeitete Schnittstellen benötigt. Erwägen Sie 3D-Druck, wenn komplexe Geometrie oder häufige Formänderungen das Zerspanen des Teils erschweren – vorausgesetzt, der gewählte Druckprozess und das Material erfüllen die Prüfanforderungen. Ein gedruckter Körper mit bearbeiteten Fügeflächen kann ebenfalls eine praktikable Option sein.
Der aussagekräftige Vergleich erfolgt zwischen fertigen Teilen, die dieselben Anforderungen erfüllen. Ein kostengünstiger Kunststoffdruck und ein aus Aluminium gefertigtes bearbeitetes Teil können unterschiedliche Fragen beantworten – selbst wenn sie dasselbe CAD-Modell teilen.
CNC-Bearbeitung und 3D-Druck: die praktischen Unterschiede
CNC-Bearbeitung entfernt Material mit Schneidwerkzeugen. 3D-Druck baut ein Teil schichtweise auf. Hier steht „CNC“ für subtraktive Bearbeitung, wie z. B. Fräsen und Drehen; dieser Vergleich dient der Teilefertigung – nicht als Leitfaden zum Kauf von Maschinen. Die CNC-Fräsanleitung erläutert den Zerspanungsprozess.
| Anforderung | CNC-Weg | Druckweg |
|---|---|---|
| Vorgegebenes Material | Beginnen Sie mit der erforderlichen Ausgangswerkstoffsorte und -zustand. | Prüfen Sie den tatsächlichen Rohstoff, den Prozess und den fertigen Zustand. |
| Komplexe innere Form | Erfordert Werkzeugzugang, einen anderen Prozess oder ein geteiltes Konstruktionskonzept. | Kann für einen einzigen Aufbau geeignet sein; prüfen Sie Stützstrukturen und innere Reinigung. |
| Kritische Fügeflächen | Planen Sie die Bearbeitung und Prüfung gezielt um diese Merkmale herum. | Überprüfen Sie die Ergebnisse direkt nach dem Druck oder integrieren Sie eine sekundäre Bearbeitung. |
| Mehrere Konstruktionsüberarbeitungen | Bewerten Sie Programmierung, Spannung und Ausgangsmaterial für jede Änderung neu. | Bewerten Sie Orientierung, Stützstrukturen und Nachbearbeitung für jede Änderung neu. |
„3D-Druck“ ist keine einheitliche Material- oder Genauigkeitsklasse. Filament-Extrusion (FFF/FDM), Harzdruck (SLA), Polymer-Pulverbett-Druck (SLS) und metallischer Pulverbett-Schmelzprozess erzeugen unterschiedliche Strukturen und erfordern jeweils andere Nachbearbeitungsschritte. Nennen Sie den vorgesehenen Prozess bei Vergleich von Angeboten oder Prüfmustern. [1]
Das Materialverhalten geht der Prozessbezeichnung voran
Wenn eine Zeichnung eine bestimmte Aluminiumlegierung und einen bestimmten Temperaturzustand vorschreibt, stellt ein Polymerdruck keine äquivalente Probe für Steifigkeit oder Wärmeantwort dar. Er kann dennoch nützlich sein, um den Einbauraum zu überprüfen. Ebenso müssen zwei Materialien mit der Bezeichnung „Nylon“ nicht dieselbe Zusammensetzung, Konditionierung oder Eigenschaftsausprägung aufweisen.
Bei gedruckten Polymeren können die Schichtbindung, Hohlräume und die Auftragsrichtung die Reaktion auf Last beeinflussen. Die Polymer-Übersicht des NIST erklärt, warum Material und Aufbaubedingungen in die Bewertung der mechanischen Eigenschaften einbezogen werden müssen. Eine reine Vollfüllung allein stellt keine Gleichwertigkeit mit zerspant hergestelltem Ausgangsmaterial sicher. [1]
Auch bei Metall-Druckverfahren ist eine prozessspezifische Bewertung erforderlich. Die NIST-Übersicht zur Laser-Pulverbett-Schmelzung nennt Mikrostruktur und Fehler als Ursachen für richtungsabhängige Zugfestigkeitseigenschaften. Damit ist jedoch nicht gesagt, dass jedes gedruckte Metall schwächer ist als jede geschmiedete Legierung. [2]
Vergleichen Sie die anwendbaren Materialdaten im geforderten Zustand – einschließlich der entscheidenden Eigenschaft: Steifigkeit, Festigkeit, Temperaturverhalten oder Verschleißfestigkeit. Unser Materials and part-design guide behandelt Legierungsgrad, Ausgangsform und Zustand innerhalb einer Bauteilspezifikation.
Trennen Sie komplexe Geometrie von kritischen Schnittstellen.
Ein Fräser muss die Oberfläche erreichen und ausreichend Abstand zu benachbarten Wänden haben, während das Werkstück abgestützt bleibt. Durch Drucken lassen sich Formen herstellen, die nur schwer aus einem einzigen Rohling herausgearbeitet werden können. Geschlossene Geometrien benötigen jedoch weiterhin einen praktikablen Zugang zur Reinigung. Die Hinweise von Formlabs zum Fuse 1 verlangen beispielsweise, dass loses Pulver aus Hohlräumen entfernt werden kann. Die konkreten Empfehlungen zu Öffnungen gelten für dieses System und nicht für jeden Drucker. [3]
Vergleichen Sie nicht die Schichthöhe eines Druckers mit einer Zeichnungstoleranz. Die Schichthöhe beschreibt eine Einstellung des Aufbauprozesses – nicht die zulässige Abweichung eines fertigen Bohrungsdurchmessers oder des Abstands zwischen zwei Bohrungen. Geometrie, Material und Nachbearbeitung beeinflussen die tatsächlichen Maße. Oberflächenstruktur und maßliche Genauigkeit sind zudem getrennte Anforderungen. [4]
Für eine Positionierbohrung, eine Montagefläche oder eine Gewindeverbindung vergleichen Sie das endgültig geprüfte Merkmal. Das Drucken des Grundkörpers und anschließendes Fräsen ausgewählter Flächen kann geometrische Freiheit mit präzise kontrollierten Schnittstellen kombinieren; das NIST behandelt das Bohren, Gewindeschneiden und die Oberflächenfinishierung additiv gefertigter Teile hinsichtlich ihrer Montageanforderungen. [5] Planen Sie die Fräsüberstände, Positionierflächen, Werkzeugzugänge und Spannmöglichkeiten vor dem Druck. Eine sekundäre Fräs- oder Drehbearbeitung ist bei dünnen oder schwer zugänglichen Merkmalen nicht automatisch machbar.
Anwendung der Entscheidung auf eine Sensormontage
Betrachten Sie eine kleine Sensorträgerkonstruktion mit zwei Befestigungslöchern, einer Positionierbohrung und einer Kabeldurchführung. Für eine Einbauprüfung kann ein Polymerdruck in Frage kommen, sofern seine Abmessungen und Steifigkeit für diese Prüfung ausreichend sind. Falls die Trägerkonstruktion unter Last ein spezifiziertes Metall-Design repräsentieren muss, werden Material und Zustand Bestandteil der Auswahlentscheidung.
Überprüfen Sie die Merkmale einzeln:
- Montagefläche und Befestigungslöcher: Bewahren Sie die erforderlichen Sitz- und Lagebeziehungen bei beiden Fertigungsvarianten. Eine optisch ähnliche Kontur stellt keine Ausrichtung sicher.
- Positionierbohrung: Prüfen Sie, ob die fertig gedruckte Bohrung die geforderte Passung erfüllt. Falls eine Nachbearbeitung erforderlich ist, stellen Sie ausreichend Material sowie einen nutzbaren Bezugspunkt zur Lagebestimmung der Bohrung bereit.
- Kabeldurchführung: Eine offene Nut lässt sich unter Umständen einfach spanend fertigen. Für einen gekrümmten, geschlossenen Kanal kann Drucken vorteilhaft sein, sofern er sich wie gefordert reinigen und prüfen lässt. Eine separate Abdeckung ist eine weitere Konstruktionsoption.
Wenn beide Fertigungswege diese Anforderungen erfüllen, können Kosten und Verfügbarkeit die Entscheidung bestimmen. Erfüllt keiner der Wege die Anforderungen, überarbeiten Sie das Konstruktions- oder Fertigungsplanungs vor der Auftragserteilung. Eine Änderung der Durchführung oder das Hinzufügen einer Fügestelle erfordert eine Konstruktionsfreigabe; es handelt sich nicht lediglich um eine Preis-Anpassung durch den Lieferanten.
Vergleichen Sie den vollständig gelieferten Prototyp
Weder die reine Zerspanungszeit noch die Druckzeit bildet den gesamten Zeitbedarf ab. Der Vergleich von Stratasys unterscheidet Vorbereitung, Fertigung und Nachbearbeitung und warnt vor einer allgemeingültigen Rangfolge der Fertigungsgeschwindigkeit. [6] Vergleichen Sie die folgenden Leistungen für denselben Revisionsstand und die benötigte Stückzahl:
| In den Vergleich einbeziehen | Zu klärende Punkte |
|---|---|
| Vorbereitung | Programmierung, Bauvorbereitung, Vorrichtungen sowie Verfügbarkeit von Rohlingen oder Ausgangsmaterial |
| Endzustand | Entgraten, Entfernen von Stützstrukturen oder Pulver, gegebenenfalls Aushärten oder Wärmebehandeln, spanende Nachbearbeitung und Oberflächenbearbeitung |
| Abnahme | Kritische Maße, Prüfprotokolle und vereinbarte Nacharbeit |
| Lieferung und Revision | Wartezeit, Lieferung und Kosten einer Änderung beim nächsten Fertigungslauf |
Die Stückzahl verändert den Vergleich: Bei wiederholt gefertigten Zerspanungsteilen lassen sich die Rüstkosten auf mehrere Teile verteilen; beim Drucken können mehrere Teile einen Baujob teilen. Daraus ergibt sich jedoch keine allgemeingültige wirtschaftliche Grenzstückzahl. Holen Sie Preise für die tatsächlich benötigten Stückzahlen ein und betrachten Sie optionale kosmetische Oberflächenarbeiten getrennt von den für den Test erforderlichen Arbeiten.
Für die spanende Fertigung erläutert unser Service für CNC-Prototypen und Serienfertigung die Planung von Mustern und Wiederholungsaufträgen. Eine fundierte Verfahrensentscheidung benennt den gewählten Werkstoff, die fertig bearbeiteten Schnittstellen und den Auftragsumfang, statt eine Technologie pauschal als „besser“ zu bezeichnen.
Fragen zu CNC-gefertigten und gedruckten Prototypen
Kann ein 3D-gedrucktes Bauteil als Funktionsprototyp dienen?
Ja, wenn Werkstoff, Geometrie, Endzustand und Bauorientierung für die zu prüfende Funktion geeignet sind. „Gedruckt“ bedeutet nicht, dass nur das Aussehen beurteilt werden kann; „spanend gefertigt“ bedeutet nicht, dass bereits jede Funktion validiert wurde.
Ist CNC-Bearbeitung immer genauer?
Eine einzige Rangfolge kann nicht alle Verfahren und Merkmale abdecken. Vergleichen Sie die erreichbaren Endmaße und Oberflächenanforderungen für das konkrete Bauteil. Druckerauflösung und Angaben zur Positioniergenauigkeit einer Maschine allein bestimmen nicht die Genauigkeit des fertigen Bauteils.
Quellen
- NISTIR 8059, Werkstoffprüfnormen für die additive Fertigung von Polymerwerkstoffen, 2015, Werkstoffstruktur und Baubedingungen.
- NIST, Verständnis anisotroper Zugeigenschaften additiv gefertigter Metalle aus dem Laser-Pulverbettverfahren, 2021, Zusammenfassung und angegebener Geltungsbereich.
- Formlabs, Konstruktionsvorgaben für 3D-Modelle (Generation Fuse 1), Öffnungen, Entfernung von Pulver aus dem Bauteilinneren und systemspezifische Konstruktionshinweise.
- Formlabs, Leitfaden zu Toleranzen, Genauigkeit und Präzision beim 3D-Druck, Auflösung, Werkstoffe und Nachbearbeitung.
- NIST, Spanende Nachbearbeitung von additiv gefertigtem Edelstahl, 2015, Zusammenfassung zu fertig bearbeiteten Montagemerkmalen.
- Stratasys, 3D-Druck im Vergleich zur CNC-Bearbeitung, Whitepaper von 2021 zu Vorbereitung und Fertigungsablauf. Die darin genannten beispielhaften Kostensätze werden hier nicht verwendet.
