Technologia obróbki skrawaniem jest obok wtrysku tworzyw sztucznych jedną z częściej stosowanych metod wytwarzania. Obrabiarki sterowane numerycznie to uniwersalne maszyny, które pozwalają produkować serie wyrobów, mają dostęp do wielu materiałów i wytwarzają z wysoką dokładnością. Dlaczego zatem druk 3D coraz częściej zastępuję obróbkę skrawaniem? W jakich przypadkach technologie przyrostowe są bardziej opłacalne w produkcji?
Wyjaśnia to Krzysztof Duchnowski, właściciel firmy K3D, która świadczy usługi przemysłowego wytwarzania przy użyciu technologii addytywnych. Pan Krzysztof, dzięki doświadczeniu zdobytym w pracy na obrabiarkach CNC, doskonale zna zarówno mocne strony, jak i ograniczenia tych maszyn. Firma K3D korzysta z przemysłowej drukarki FDM Stratasys Fortus 380mc, dostarczając przyrządy produkcyjne i prototypy funkcjonalne dla przedsiębiorstw z różnych branż.
Swoboda projektowania z drukarką 3D
Nie wszystkie zlecenia, które przyjmuje firma K3D mogą być wykonywane na obrabiarkach bez dostosowania projektu do tej technologii wytwarzania. Wiele projektów ze względu na stopień skomplikowania geometrycznego nie nadaje się do wytwarzania metodą obróbki skrawaniem w takiej formie, w jakiej przewidział to konstruktor. Dużo trudności w poprawnym wykonaniu obiektu dostarczają głębokie kieszenie, małe promienie naroży wewnętrznych oraz kąty ostre. W takiej sytuacji konieczne jest uproszczenie modelu w celu dostosowania go do możliwości obrabiarki. Co z oczywistych względów wydłuża proces produkcji, czyni go droższym lub niemożliwym do zrealizowania.
Druk 3D otwiera przed projektantami zupełnie nowe możliwości. Pozwala wytwarzać części o skomplikowanych geometriach i strukturach wewnątrz elementów nieosiągalnych dla innych metod produkcji. Przekłada się to na obniżoną masę oraz dużo większą funkcjonalność produkowanych elementów.
Krzysztof Duchnowski, K3D
W przypadku technologii addytywnej zazwyczaj model otrzymany od projektanta nadaje się do ustawienia do druku bez ingerencji w jego geometrię. Różnica polega na sposobie wytwarzania: w obróbce skrawaniem obiekt jest frezowany z bryły materiału (metoda ubytkowa), w druku 3D model wytwarzany jest warstwa po warstwie z materiału budulcowego. Drukarki 3D takie jak Stratasys mogą dodatkowo używać rozpuszczalnego materiału podporowego, który utrzymuje kształt modelu, zachowuje wymiary otworów, nawisów czy wcięć. Frezując lub tocząc obiekt z bloku nie uzyskamy tak skomplikowanych struktur, jak wtedy gdy budujemy go od podstawy warstwa po warstwie z łatwo usuwalnymi podporami.
Skomplikowane modele mogą być wytwarzane na obrabiarkach 4–5 osiowych lub wielowrzecionowych centrach obróbczych. Maszyny te mają większy zakres możliwości od szeroko stosowanych maszyn 3 osiowych i mogą wytwarzać nawet te najbardziej skomplikowane części. Jednak przeszkodą dla wielu firm jest wysoka cena tych urządzeń, koszty ich utrzymania, a nawet cena usług na nich realizowanych.
Druk 3D vs obróbka CNC: stopień złożoności procesu
Ze względu na kinematykę maszyn CNC konieczna jest zmiana mocowania obrabianego detalu w trakcie realizacji produkcji. Obróbka 3-osiowa pozwala maksymalnie obrobić jedną powierzchnię i cztery ściany boczne w jednym zamocowaniu.
Obróbka 4 osiowa pozwala na obróbkę indeksowaną lub symultaniczną maksymalnie 4 płaszczyzn i jednej ściany bocznej. Nie pozwala na wykonanie części w jednym procesie. Obróbka 5 osiowa pozwala na obróbkę indeksowaną oraz symultaniczną z 5 stron obrabianej części. Wymaga co najmniej 2 zamocowań dla kompletnej obróbki.
Każde dodatkowe mocowanie lub wymiana narzędzia może prowadzić do błędów w pozycjonowaniu, co z kolei przekłada się na odchyłki przekraczające tolerancje wymiarowe zamawiającego.
Każde dodatkowe zamocowanie może powodować wystąpienie błędów ustawienia obrabianej części poprzez przesunięcie punktów bazowych obrabianego detalu względem układu maszyny. Na wystąpienie tych niedoskonałości składa się dokładność pozycjonowania maszyny, poprawność zamocowania oraz precyzja sond bazujących, a przede wszystkim czynnik ludzki.
Krzysztof Duchnowski, K3D
Do kolejnych wad obróbki skrawaniem względem druku 3D można zaliczyć również konieczność posiadania specjalistycznego oprogramowania CAM i wykwalifikowanej kadry inżynierskiej. Dobór parametrów, takich jak prędkość, szerokość i głębokość skrawania wymaga od operatora dużego doświadczenia i znajomości materiałów.
Każdy materiał jest inny, ma inne właściwości. Nawet w rodzinie tego samego materiału występuje on w różnych gęstościach, dla których obróbka przyjmuje inne parametry np. PEHD300-PEHD1000. Jedne są kruche, np. POM i wymagają płytkiej głębokości skrawania, inne mają tendencję do przegrzewania się i zaczynają się przypalać przy zbyt wysokiej prędkości skrawania, np. nylon PA6.
Krzysztof Duchnowski, K3D
Obsługa drukarki 3D wymaga przygotowania modelu w programie dostarczanym z urządzeniem (np. GrabCAD Print), w którym wiele parametrów jest ustawianych automatycznie, np. rozmieszczenie podpór. Zaangażowanie operatora kończy się w momencie uruchomienia procesu druku. Przez cały czas wytwarzania pracownik jest dyspozycyjny i może zająć się innymi zadaniami. W przypadku obrabiarek CNC operator musi dopilnować procesu przez cały czas trwania obróbki. Dla zwiększenia wydajności drukowanie 3D można ustawiać na noc, by następnego dnia otrzymać gotowy model. Usunięcie materiału podporowego po wydruku również odbywa się w automatycznej myjce.
Mankamentem technologii druku FDM jest widoczność warstw, co wynika ze specyfiki tej metody. Dla uzyskania wysokiej jakości powierzchni konieczne jest drukowanie z jak najmniejszą wysokością warstwy lub dodatkowy postprocessing (np. szlifowanie, lakierowanie), co wydłuża całkowity proces wytwarzania. Różnicę widać także w wytrzymałości elementów, aczkolwiek dzięki stabilnemu procesowi druku w grzanej komorze jest ona niewielka.
Do ograniczeń technologii FDM można zaliczyć średnią wytrzymałość gwintów oraz konieczność stosowania wkładek gwintowanych dla często używanych gwintów.
Krzysztof Duchnowski, K3D
Sam proces wytwarzania, nie licząc przygotowania, jest krótszy dla obrabiarek CNC. Warto jednak odnotować, co wcześniej zostało wyjaśnione, że obrabiarki wymagają stałego nadzoru operatora, wymiany narzędzi i zmian zamocowania detalu. Proces druku 3D przebiega wręcz bezobsługowo – drukarka 3D Fortus 380mc może pracować po godzinach, co przekłada się na oszczędność czasu.
Porównanie drukarki 3D i obrabiarki CNC
Technologie przyrostowe stanowią doskonałe uzupełnienie dla firm i zakładów przemysłowych używających centrów obróbczych CNC. Drukarki 3D mają możliwość wydrukowania kształtów i geometrii niedostępnych dla obrabiarek, ich obsługa nie jest tak angażująca i nie wymaga specjalistycznych umiejętności. Wdrożenie drukarki 3D pozwala firmom przyjmować nietypowe zlecenia i realizować je w krótszym czasie i w niższych kosztach własnych.
Poniżej znajdują się przykłady wyrobów, na których widać potencjał, jaki niesie ze sobą druk 3D przy produkcji oprzyrządowania produkcyjnego. Modele zostały wykonane obiema metodami, co stanowi konfrontację druku 3D z technologią obróbki skrawaniem. Modele wydrukowane zostały ze 100% wypełnieniem ze względu na charakter wykonywanej pracy. Całkowity czas operacji dla jednej i drugiej technologii jest bardzo zbliżony (w przypadku obróbki CNC mowa tu o całym procesie przygotowania programu sterującego i maszyny oraz o samym wytwarzaniu). Trzeba zaznaczyć, że w przypadku druku 3D praca operatora kończy się po przygotowaniu programu i wgraniu modelu do systemu drukarki. Przy produkcji jednostkowej obsługa urządzeń CNC często wymaga dwóch bardzo wykwalifikowanych pracowników: technologa/programisty CAM i operatora, którego jednym z zadań jest dopilnowanie procesu wytwórczego (pilnowanie maszyny). Sama jakość wydrukowanych części niczym nie ustępuje elementom frezowanym.
Pomyśleliśmy, że przyda ci się nasz poradnik
Porównujemy w nim drukarki, żeby ułatwić ci podjęcie decyzji
o wdrożeniu druku 3D dopasowanego do twojej firmy.
Z myślą o tym stworzyliśmy “Porównanie drukarek 3D. Uniwersalny przewodnik użytkownika”.
Nasz przewodnik pomoże ci w procesie decyzyjnym. To użyteczny materiał, który będziesz mógł przedstawić na zarządzie lub przed komitetem zakupowym. Pomaga ocenić technologie i drukarki 3D pod względem szeregu przydatnych kryteriów.
Co znajdę w poradniku?
- Opisy cech charakterystycznych technologii druku 3D.
- Porównanie drukarek 3D różnych producentów według segmentów rynku.
- Porównanie technologii druku 3D.
- Case study zakupu drukarki 3D.
Docisk prasy
| Obróbka CNC | Drukowanie 3D | |
| Materiał | 40HM 42CRMO4 | PC |
| Przygotowanie programu | 1,5 godz. | 5-10 min. |
| Liczba narzędzi | 12 | – |
| Przygotówka | 30 min. | – |
| Liczba zamocowań | 2 | – |
| Czas wytwarzania | 5 godz. | 4,5 godz. (warstwa 0,173 mm) |
| Całkowity czas produkcji | ok. 8 godz. | 4,5 godz. |
| Koszt produkcji* (netto) | 900-1200 PLN | 280 PLN |
*Orientacyjne koszty realizacji usługi. Każdy model jest wyceniany indywidualnie.
Gniazdo montażowe
| Obróbka CNC | Drukowanie 3D | |
| Materiał | Nylon PA6-66 | PC |
| Przygotowanie programu | 2,5-3 h | 5-10 min. |
| Liczba narzędzi | 10 | – |
| Przygotówka | 20min. | – |
| Liczba zamocowań | 2 | – |
| Czas wytwarzania | 1 godz. 20 min. | 6 godz. (warstwa 0,173 mm) |
| Całkowity czas produkcji | ok. 5-5,5 godz. | 6 godz. |
| Koszt produkcji* (netto) | 450-550 PLN | 410 PLN |
*Orientacyjne koszty realizacji usługi. Każdy model jest wyceniany indywidualnie.
Fikstura
| Obróbka CNC | Drukowanie 3D | |
| Materiał | POM (Polioksymetylen) | PC |
| Przygotowanie programu | 30 min. | 5-10 min. |
| Liczba narzędzi | 6 | – |
| Przygotówka | 20 min. | – |
| Liczba zamocowań | 2 | – |
| Czas wytwarzania | 30 min. | 2 godz. (warstwa 0,173 mm) |
| Całkowity czas produkcji | ok. 2 godz. | 2 godz. |
| Koszt produkcji* (netto) | 200-300 PLN | 120 PLN |
*Orientacyjne koszty realizacji usługi. Każdy model jest wyceniany indywidualnie.
Podsumowanie
W artykule podkreśliliśmy, że druk 3D stanowi doskonałe uzupełnienie dla tradycyjnej obróbki CNC, pozwalając na szybsze tworzenie prototypów oraz złożonych elementów.
Zwróciliśmy uwagę na możliwość znacznego obniżenia kosztów i skrócenia czasu wytwarzania przy małych seriach oraz skomplikowanych kształtach, których wykonanie na CNC byłoby trudniejsze. Ponadto połączenie obu technologii zwiększa elastyczność produkcji i pozwala na szybkie wprowadzanie zmian konstrukcyjnych.
Sugerujemy, że inwestycja w druk 3D przekłada się na realne oszczędności, większą innowacyjność i przewagę konkurencyjną. Sprawdź już dziś.
Szukasz podobnych rozwiązań?
Prześlij formularz, nasz konsultant skontaktuje się z tobą w ciągu 15 minut
