Srovnáváme 3D tisk a CNC obrábění | WPEng.cz

13.02.2021

Vývoj moderních materiálů pro 3D tisk, které mají stále lepší mechanické vlastnosti, staví výrobce napříč průmyslovými odvětvími před otázku. Kdy je vhodné volit CNC obrábění a kdy využít aditivní výrobu?

Při optimálním využití 3D tisku lze ušetřit značné množství času a peněz. Zvýšit svou flexibilitu vůči požadavkům zákazníka. Přitom dosáhnout na kvalitu nezbytnou pro průmyslovou výrobu. Stále však existují klíčové oblasti, kde je CNC obrábění jasnou volbou.

Projděme si jednotlivá hlediska, které je důležité vyhodnotit, než sáhneme po dané technologii.

(foto zdroj: haozecn.com)

Fyzikální kritéria

Geometrie dílu

Zajímá nás minimální velikost prvku na daném díle, který jsme schopni nástrojem dané technologie vytvořit. U obrábění je to průměr nástroje, který vytváří negativní prvek (odebírá se materiál). Pro aditivní technologii je nejmenší prvek dán průměrem trysky, kterou je materiál vytlačován. Obvykle platí vztah, kdy rozměr nejmenšího prvku se vypočítá jako čtyřnásobek průměr trysky. Velikost trysek bývá od 0,25 mm do 0,8 mm. Tím dostáváme minimální hodnoty prvku od 1 mm až do 3,2 mm.

Kvalita povrchu

Se správným nástrojem zajistí obrábění na CNC mimořádnou hladkost povrchu. Povrch dílů z 3D tiskárny umožňuje jejich lícování, avšak pro precizně pasující díly je CNC obrábění lepší volbou.

Tolerance

Některé kompozitní tiskárny jsou schopné dosahovat rozměrové tolerance až +/-0,1 mm. Povrch takového dílu umožňuje lisování jednotlivých komponent do sebe. Pokud požadujeme těsnější tolerance, pak je vhodné díl dodatečně obrobit. Zde je vhodné popřemýšlet, zda není jednodušší daní díl obrobit celý, s ohledem na jeho tvar a funkci.

Vnější zatížení

Běžný 3D tisk vyhovuje součástem, které nejsou výrazně zatěžovány. Jedná se spíše o pohledové nestrukturální díly. Naopak při značném zatížení konstrukčních dílů je nutné vyztužit polymer spojitým vláknem. Jedná se například o uhlíkové, kevlarové nebo skelné vlákno. Získáme tak kompozitní materiál.

Aplikace spojitých vláken po obvodu jako výztuže (uhlík, kevlar, skelné vlákno)
Aplikace spojitých vláken po obvodu jako výztuže (uhlík, kevlar, skelné vlákno)

(foto zdroj: 3dwiser.com)

Takové díly mají zvýšenou pevnost především v osách X a Y. Jsou to osy paralelní s podložkou (rovina tisku). V ose Z nemá materiál izotropní vlastnosti jako třeba kov, který je obráběn na CNC. Přesto lze dosáhnout tzv. kvaziisitropie díky vhodné orientace kladení spojitých vláken (úhel natočení vláken v jednotlivých vrstvách může být následující (0-45-90-135 stupňů).

Pracovní prostředí

Teplota

Provozní teplota kovu má určitý vztah k teplotě tavení. Čisté kovy mění výrazněji mechanické vlastnosti zhruba na 50% teploty tavení. U slitin to bývá až kolem 65%.

3D tištěné kompozity a polymery mají mezní hodnoty provozní teploty nižší než kovy. Například pro ONYX (obchodní název pro nylon plněný sekaný karbonovým vláknem) se doporučuje dlouhodobě nevystavovat pracovním teplotám nad 150°C. Existují však i odolnější materiály př. Kimya PEKK Carbon, dokáže odolat teplotám až 260°C. Zpomaluje hoření a je certifikován pro letecký průmysl.

Vlhkost

Některá polymerní vlákna snadno absorbují vlhkost (jsou hydroskopické) a při dlouhodobém vystavení nebo ponoření mohou ztratit pevnost. Je nutno je uchovávat v suchém prostoru. Takovým polymerem je třeba nylon. U kovů může vlhkost způsobovat korozi, avšak i zde existují různá opatření, jak tomu zabránit.

Chemikálie

U použitých materiálu je vždy nutné ověřit jejich kompatibilitu s chemikáliemi. Materiály pro kompozitní tisk na bázi nylonu jsou chemicky odolné proti většině chemikálií. Nejsou však vhodné pro silně kyselé a zásadité prostředí.


Ekonomická kritéria

Kdy potřebujeme díl k dispozici?

Potřebujeme-li mít daný díl vyrobený ihned, může být CNC obrábění správnou volbou pokud splníme několik požadavků. Musíme disponovat technickým a personálním zázemím. To znamená mít CNC stroj, operátora, materiál pro polotovar, upínacími prvky. Pokud je  je již CNC stroj vytížen jinou akcí, je přerušení výroby neekonomické.

Zde je prostor pro uplatnění 3D tisku. Díl lze vyrobit a dodat již do druhého dne.

CNC obrábění je schopné odebírat materiál mnohem rychleji, než jej dokáže 3D tiskárna klást. Rozměry dílu tedy nehrají v případě obrábění takovou roli. Podstatné je spíše kolik procent materiálu bude odebráno. V leteckém průmyslu se můžeme dostat i na hodnoty úběru 90%. A právě tento faktor dává prostor pro aplikaci 3D tisku jako vhodnější technologie výroby.

U 3D tisknu naopak rozměry dílů ovlivňují čas potřebný k vyrobě. Menší díly lze vytisknout v řádu hodin. Pokud to tiskový objem stroje umožňuje, lze tisknout více menších kusů zároveň. Pro menší díly je 3D tisk výhodnější.

K výrobě malého dílu v jednotkách kusů je u obrábění nutné připočítat ještě čas nutný pro přípravu stroje, sestavení kódu pro určení dráhy nástroje v prostoru, upnutí polotovaru, seřízení nástroje a následné čištění stroje. Během této přípravné fáze pro CNC obrábění již 3D tiskárna pracuje.

Kolik kusů potřebujeme?

Pokud se budeme bavit o kusové sérii obráběných součástí, pak větší část nákladů připadá na čas potřebný k přípravě stroje a programování. Samotný proces odebírání materiálu je již poměrně krátký. V případě větších sérií je nutné proces více automatizovat, aby nevyžadoval pravidelnou asistenci operátora. Náklady na další kusy poměrně rychle klesají. Pokud je program ke stroji již vytvořen, lze ho využít kdykoliv v budoucnu.

U 3D tisku zabere příprava dílu pro tisk pouze jednotky minut, jelikož software dokáže sám navrhnout vhodné parametry. Tvar ani složitost dílu dobu přípravy neprodlužují. Náklady na výrobu jednotek kusů jsou poměrně nízké, avšak s rostoucím počtem kusů dál neklesají. Pokud chceme zajistit větší výrobní kapacitu, je nutné mít k dispozici více tiskáren.

(foto zdroj: makepartsfast.com)

Náklady na vybavení a operátory

Pokud je CNC stroj správně nastaven, může běžet bez dozoru. Přesto je nutné mít kvalitně proškolenou obsluhu a programátora. Servis stroje je poměrně nákladný a je klíčové ho zahrnout do plánu výroby a údržby.

3D tiskárny mohou běžet zcela bez dozoru, operátoři vyžadují jen minimální zaškolení. Přípravu dílu pro tisk značně usnadňuje software. Tiskárna se snadno udržuje, náklady na servis jsou výrazně nižší než u CNC.

Minimalizace odpadu u 3D tisku
Minimalizace odpadu u 3D tisku

(foto zdroj: 3dnatives.com)

Ekologie

Jedním z dalších hledisek, které je dnes důležité brát v úvahu, je ekologie. Při 3D tisku se spotřebuje méně materiálu na daný díl než u CNC obrábění. Technologii, která je založená na třískovém úběru materiálu. Jak už bylo zmíněno výše. V některých odvětvích jako je letecký průmysl se odebírá i 90% materiálu polotovaru, který končí ve šponách jako odpad. U 3D tisku vzniká odpad jen v případě využití podpor.

3D tisk nám odhaluje své silné stránky především v ekonomické oblasti. 

Závěrem můžeme říci, že výběr dané technologie výroby je závislý na mnoha faktorech. Je to především volba materiálu, tvarová složitost dílu, objem výroby a rozpočet. 3D tisk nám odhaluje své silné stránky především v ekonomické oblasti. Jsou to nízké náklady na výrobu jednotek kusů daného komponentu. Dále je to úspora času v přípravné fázi výroby díky softwaru (užívá se pro něj název slicer), který nám umožňuje rychle zahájit tisk.

Tento aspekt zajišťuje flexibilitu především při výrobě prototypů k rychlému otestování myšlenek v praxi. Dále nabízí možnost většího počtu iteračních cyklů během vývoje produktu. Fyzikální vlastnosti kompozitních polymerů jsou v mnoha ohledech konkurenceschopné při srovnání s kovovým obrobkem. Někdy je mohou i předčit.

(zdroj: markforged.com, 3Dnatives.com, makepartfaster.com)