Drukarka 3D vs obrabiarka CNC

Oprócz wtrysku tworzyw sztucznych bardzo często do wytwarzania wykorzystuje się technologię obróbki skrawaniem.

Do niewątpliwych zalet obrabiarek sterowanych numerycznie należy zaliczyć dokładność i uniwersalność. Pozwalają też tworzyć serie produktów oraz posiadają dostęp do dużej ilości materiałów. Obróbkę skrawaniem w wielu przypadkach coraz częściej zastępuje druk 3D. Dlaczego tak się dzieje i kiedy technologie przyrostowe są bardziej lukratywne w produkcji?

Odpowiedzi na to pytanie udzieli Krzysztof Duchnowski, właściciel firmy K3D, świadczącej usługi przemysłowego wytwarzania przy użyciu technologii addytywnych. Doświadczenie, które zdobył pracując na obrabiarkach CNC sprawia, że zna zarówno zalety, jak i wady tych urządzeń. Co należy też podkreślić K3D do tworzenia przyrządów produkcyjnych i prototypów funkcjonalnych dla firm z wielu branż wykorzystuje drukarkę przemysłową FDM Stratasys Fortus 380mc.

Swoboda w projektowaniu dzięki zastosowaniu drukarki 3D

Nie zawsze możliwe jest wykonanie zlecenia przez firmę K3D na obrabiarce, zwłaszcza jeśli projekt nie został przystosowany do tej technologii wytwarzania. W przypadku, kiedy projekt jest skomplikowany geometrycznie, trzeba również liczyć się z tym, że obróbka skrawaniem może nie być możliwa w takiej formie, w jakiej chciał konstruktor. Problematyczne są też głębokie kieszenie, kąty ostre i niewielkie promienie naroży. Bardzo często trzeba wtedy uprościć model, aby móc przystosować go do funkcjonalności obrabiarki. Niestety wszystkie te niedogodności wpływają na wydłużenie procesu tworzenia, a także powodują, że staje się on droższy lub nawet nie do wykonania.

- "Nowe możliwości oferuje za to druk 3D. Umożliwia powstawanie elementów mających skomplikowane geometrie czy struktury wewnątrz nich, które do tej pory wydawały się nierealne w innych metodach produkcji. Do tego tworzone rzeczy są lżejsze i nierzadko są bardziej funkcjonalne." - wyjaśnia Krzysztof Duchnowski. 

Technologia addytywna pozwala na to, aby model, który stworzył projektant, mógł był ustawiony do druku bez potrzeby ingerowania w jego geometrię. Widoczna jest jedynie różnica w metodzie jego tworzenia. W przypadku obróbki skrawaniem obiekt zostaje sfrezowany z bryły materiału budulcowego metodą ubytkową. Natomiast kiedy korzysta się z druku 3D, model powstaje z materiału budulcowego, ale warstwa po warstwie. Poza tym do tego typu druku wykorzystuje się różne materiały np. podporowego jak w przypadku urządzenia Stratatys, który powoduje, że model zachowuje swój kształt, utrzymuje wymiary otworów, wcięć i nawisów. Niestety frezowanie czy toczenie nie pozwala na uzyskanie skomplikowanych struktur, jak to ma miejsce w czasie drukowania 3D warstwa po warstwie, z wykorzystaniem usuwalnych podstaw. 

Jeśli zajdzie taka potrzeba można wykorzystać do tworzenia bardziej skomplikowanych modeli obrabiarki 4-5 osiowe albo wielowrzecionowe centra obróbcze. Tego typu maszyny dysponują większymi możliwościami niż często stosowane maszyny 3 osiowe i używa się ich właśnie do wytwarzania skomplikowanych części. Wadami jest jednak ich cena i koszt usług realizowanych za ich pomocą, a także koszty utrzymania.

Druk 3D kontra obróbka CNC - stopień złożoności procesu

Kinetyka maszyn CNC wymusza zmianę mocowania obrabianego elementu i to w czasie produkcji. Za pomocą obróbki 3-osiowej w jednym zamocowaniu można obrobić jedną powierzchnię oraz  cztery ściany boczne.

Z kolei 4-osiowa umożliwia obróbkę symultaniczną lub indeksowaną maksymalnie 4 płaszczyzn i jednej ściany bocznej. W jednym procesie nie udaje się jednak wykonać danej części. Natomiast 5-osiowa choć umożliwia obróbkę indeksowaną oraz symultaniczną z 5 stron obrabianej części, ale trzeba się liczyć z przynajmniej 2 zamocowaniami w celu dokończenia obróbki.

Warto pamiętać o tym, że wymiana narzędzi czy każde dodatkowe mocowanie przyczynia się do powstawania błędów w pozycjonowaniu. W efekcie może prowadzić to do odchyłek tolerancji wymiarowych, które będą za duże dla zamawiającego.

Dodatkowe mocowania mogą przyczynić się do powstania błędów w ustawieniach części obrabianej choćby na skutek przesunięć punktów bazowych detalu, który podlega właśnie obróbce, względem układu urządzenia. Według właściciela K3D taka sytuacja może wydarzyć się, kiedy wystąpi błąd człowieka, zawiodą sondy bazujące, mocowania lub pozycjonowanie maszyny są niepoprawnie wykonane.

W przypadku obróbki skrawaniem należy zaopatrzyć się w specjalistyczne oprogramowanie CAM i trzeba zatrudniać wykwalifikowanego inżyniera. Niestety potrzebna jest w tym wypadku osoba mająca wiedzę na temat doboru parametrów - szerokości, głębokości i prędkości skrawania, zna dobrze materiały i posiada spore doświadczenie w tym temacie. W przypadku druku 3D sprawa wygląda znacznie łatwiej i szybciej, dlatego coraz więcej przedsiębiorstw chętniej korzysta z możliwości drukarek 3D.

Wydruki w technologii FDM na Stratasys Fortus 380mc

W zależności od typu każdy materiał posiada inne właściwości. Czasami nawet w jego obrębie istnieją różne warianty gęstości, co wpływa na dobór parametrów w czasie jego obróbki (przykład PEHD300-PEHD1000). Mogą być one kruche jak POM i wtedy skrawanie musi być płytkie, inne posiadają skłonności do szybkiego przegrzewania się i w efekcie przypalania w momencie, kiedy prędkość skrawania jest szybka, tak jak w przypadku nylon PA6.

Jeśli chodzi o drukarkę 3D to model, zostaje przygotowany w programie, który przekazany jest potem wraz z urządzeniem (np. GrabCAD Print). Obsługa drukarki nie wymaga też dużej ilości kalibracji i zaangażowania operatora, bo wiele parametrów ustawianych jest automatycznie, jak choćby rozmieszczenie podpór. Jego praca kończy się w momencie rozpoczęcia procesu drukowania i może on wtedy do wykonywania innych zadań. Inaczej wygląda to w przypadku pracy na obrabiarce CNC, gdzie operator musi nieustannie kontrolować proces obróbki. W celu zwiększenia wydajności, drukowanie 3D można przeprowadzać również nocą i kolejnego dnia mieć już gotowy model. Co istotne, materiał podporowy po wydruku jest usuwany automatycznie w automatycznej myjce.

Wadą technologii druku FDM i to wynika ze specyfiki metody, jest z pewnością to, że warstwy po drukowaniu są widoczne. Aby otrzymać  jak najlepszy efekt trzeba drukować z jak najmniejszą wysokością warstwy lub użyć dodatkowego postprocessingu (szlifowania czy lakierowania). Niestety wpływa to na wydłużenie całego procesu. Metoda ta ma też inny defekt - wytrzymałość elementów. Są one słabsze, ale stabilny proces drukowania w grzanej komorze pozwala go znacznie zminimalizować.

Poza tym technologia FDM cechuje się też nie za dobrą wytrzymałością gwintów, a także jak dodaje Krzysztof Duchnowski, w czasie jej stosowania należy używać wkładek gwintowych dla stosowanych z dużą częstotliwością gwintów.

Choć proces tworzenia elementów w przypadku obrabiarek CNC (bez uwzględnienia przygotowań) jest dosyć krótki to jednak należy pamiętać o tym, że praca obrabiarki musi być stale monitorowana przez operatora. Ponadto w urządzeniach tych trzeba zmieniać narzędzia i zmieniać mocowanie detalu. Druk 3D nie wymaga takie zaangażowania i przebiega niemal bezobsługowo. Korzystanie np. z drukarki 3D Fortus 380mc oszczędza czas, ponieważ można ją uruchomić i pozwolić na pracę nocą.

Drukarki 3D i obrabiarki CNC - porównanie

W zakładach przemysłowych, które korzystają z centrów obróbczych, sprawdzają się i dobrze uzupełniają je technologie przyrostowe. Z kolei drukarki 3D pozwalają na wydruk skomplikowanych geometrii i kształtów, z którymi nie poradzą sobie z pewnością centra obróbcze CNC. Ponadto są proste w obsłudze, bo do obsługi nie trzeba mieć specjalistycznej wiedzy oraz umiejętności, a także nie wymagają dużego zaangażowania ze strony operatora. Korzystanie z drukarek 3D pozwala również na szybsze realizowanie nawet nietypowych i skomplikowanych zleceń oraz zmniejszyć koszty własne przedsiębiorstwa.

Docisk prasy

*Orientacyjne koszty realizacji usługi. Każdy model jest wyceniany indywidualnie.

Docisk prasy wygenerowany w oprogramowaniu CAM

Docisk prasy w oprogramowaniu GrabCAD Print (po lewej) oraz wydruk z drukarki 3D Stratasys Fortus 380mc

Potencjał druku 3D przy tworzeniu oprzyrządowania produkcyjnego został zaprezentowany na przykładowych wyrobach. Poniżej widoczne są dwa modele stworzone różnymi metodami, czyli za pomocą druku 3D i z użyciem technologii obróbki skrawaniem. Ze względu na specyfikę wykonywanej pracy wydrukowano je ze 100% wypełnieniem. Czas wykonania obu modeli okazał się podobny. Oczywiście w przypadku obróbki CNC należy wziąć pod uwagę także ten potrzebny na przygotowanie programu sterującego, a nie tylko poświęcony wytwarzaniu przedmiotu. Warto również dodać, iż druk 3D nie wymaga wielu zabiegów ze strony operatora - musi tylko przygotować program i wgrać potem model do systemu drukarki. W momencie, kiedy produkuje się jednostkowe elementy do obsługi urządzeń CNC konieczni są wyszkoleni pracownicy z doświadczeniem - technolog/programista CAM i operator, którzy nieustannie będą czuwać nad procesem wytwórczym, czyli mówiąc prościej, będą pilnować maszyny. Warto dodać, że jakość wydrukowanych elementów będzie porównywalna, a nawet taka sama, jak tych frezowanych.

Gniazdo montażowe

*Orientacyjne koszty realizacji usługi. Każdy model jest wyceniany indywidualnie.

Gniazdo montażowe - produkcja CNC (po lewej model w oprogramowaniu CAM, po prawej gotowa część)

Gniazdo montażowe - produkcja druk 3D (po lewej model w oprogramowaniu drukarki, po prawej gotowy wydruk)

Fixtura

Fixtura

*Orientacyjne koszty realizacji usługi. Każdy model jest wyceniany indywidualnie.

Fixtura - produkcja CNC (po lewej model w oprogramowaniu CAM, po prawej gotowa część)

Fixtura - produkcja druk 3D (po lewej model w oprogramowaniu drukarki, po prawej gotowy wydruk)

Redaktor: MR
Źródło: CadXpert, K3D