Obróbka CNC vs AM – technologie komplementarne czy konkurencyjne?

→ Druk 3D jest jedną z najatrakcyjniejszych technologii produkcji w ostatnich latach. Czy jest bardziej opłacalny od tradycyjnych metod wytwarzania?

→ Jakie są różnice między wytwarzaniem przyrostowym, a obróbką skrawaniem?

Porównując obie metody w produkcji funkcjonalnych części i prototypów, wykonanych z metali lub tworzyw sztucznych, można wybrać tę bardziej odpowiednią do konkretnego zastosowania. Obie są bowiem odpowiednie dla nowoczesnych procesów produkcyjnych, ale każda z nich oferuje szereg korzyści.

Obróbka CNC

CNC to subtraktywna (ubytkowa) technologia produkcji stosowana z powodzeniem w takich branżach jak lotnictwo czy motoryzacja, inżynieria i produkcja maszyn / urządzeń. Doskonale nadaje się do wytwarzania części w małych ilościach z różnych materiałów, w tym z metali i tworzyw sztucznych.

Dokładność jest jedną z głównych zalet tej metody wytwarzania – części obrabiane w CNC mogą być produkowane z tolerancjami do +/- 0,025 mm, czego nie można osiągnąć na przykład przy formowaniu wtryskowym. Jednak niektóre geometrie – na przykład narożniki wewnętrzne o małych promieniach, wgłębienia o złożonej geometrii i podcięcia lub cienkie ściany – mogą być trudne lub czasami niemożliwe do wykonania przy użyciu CNC.

Typowy proces skomputeryzowanego wytwarzania przedmiotu składa się z faz projektowania wspomaganego komputerowo (CAD), przetwarzania projektu na plan sterowania maszyn (CAM) i właściwego wykonania (CNC). Wymaga zatem obsługi przez wykwalifikowanych i doświadczonych operatorów. Sam proces przygotowania projektu i maszyny jest czasochłonny, a elementy są zwykle produkowane sekwencyjnie w partiach, po jednej części na raz.

W przypadku obrabiarek CNC głównym problemem jest to, iż produkt tworzony jest z pełnej bryły. Możliwości wytwórcze ograniczone są zatem do układu współrzędnych, w których pracuje maszyna i nie da się przeważnie w jednej operacji wykonać w całości elementu.

Wytwarzanie przyrostowe

Druk 3D (z ang. additive manufacturing – AM) to proces produkcyjny trójwymiarowego obiektu na podstawie zaprojektowanego lub zeskanowanego modelu 3D. Polega on na sukcesywnym budowaniu elementu warstwa po warstwie, dlatego jest określany jako wytwarzanie przyrostowe. Nie wymaga specjalnych narzędzi ani osprzętu, więc początkowe koszty konfiguracji są ograniczone do minimum.

Druk 3D ma ogromny potencjał w wytwarzaniu 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. Druk 3D pozwala na produkcję detali konstrukcyjnych systemów i urządzeń od podstaw, wykorzystując jako informacje źródłowe pliki cyfrowe.

Po przygotowaniu projektu wystarczy wybrać orientację części i wypełnienie, a następnie rozpocząć drukowanie, które w przemysłowych technologiach AM takich jak MJF czy SLS, jest w pełni zautomatyzowane. Operatorzy są ponadto wspierani oprogramowaniem ułatwiającym zarówno projektowanie (wolne od ograniczeń) jak i zarządzanie procesami samego drukowania. Koszty początkowe i operacyjne wytwarzania przyrostowego są niskie, co czyni go idealnym do zastosowań w produkcji jednostkowej oprzyrządowania oraz w szybkim prototypowaniu.

Jak druk 3D może uzupełniać obróbkę CNC

Mniejsza ilość odpadów, wydajność produkcji i korzyści funkcjonalne dzięki większej swobodzie projektowania i elastyczności, to niewątpliwe zalety druku 3D, tymczasem powtarzalność w dużych ilościach, precyzyjne wykończenie powierzchni, szczególnie w związku z wąskimi tolerancjami, pozostają cechami bardziej związanymi z obróbką CNC. W wielu przypadkach te dwie techniki wytwarzania mogą (i powinny) być komplementarne, a nie przeciwstawne.

Wiedza, że część zostanie wykończona przy użyciu obróbki CNC, pozwala projektować części drukowane w 3D w celu optymalizacji tego potencjału, z konfiguracją danych umożliwiającą zgrabne połączenie z wymaganiami CNC, w celu usprawnienia produkcji i wykończenia produktu.

W odniesieniu do przemysłowego wykorzystania szybkiego prototypowania za pomocą druku 3D, Sculpteo w raporcie State of 3D Printing 2020 informuje, że producenci zwiększają swoją zależność od druku 3D w ramach szerszych strategii produkcyjnych. Zaobserwowano bowiem wzrost wykorzystania AM (59% wszystkich respondentów w 2020 roku vs. 38,7 % w 2018 r.) Nie powinno to być zaskakujące, zwłaszcza biorąc pod uwagę, że masowe dostosowywanie i wytwarzanie produktów konfigurowanych na zamówienie, pozostaje priorytetem, stanowiącym jeden ze światowych mega trendów (wg. Forbes) od 2015 r.

Zintegrowana automatyzacja, czyli CNC Würfel

Firma CNC Würfel jest przykładem jak zastąpienie niektórych etapów produkcji, w których dotychczas stosowano obróbkę CNC, drukiem 3D, może podnieść efektywność wytwarzania, pozwolić na oszczędność kosztów produkcji oraz szybsze uzyskanie finalnych elementów.

Elementy linii produkcyjnych CNC Würfel wytwarzane addytywnie

Oferując klientom kompleksowe rozwiązania w obszarze automatyzacji na linii produkcyjnej, CNC Würfel zaczęło korzystać z wytwarzania przyrostowego od 2017 roku. Drukują elementy, które wcześniej wykonywali przy użyciu frezowania, (co było kosztowne i czasochłonne) oraz prototypy. Najbardziej istotne wg inżynierów jest to, że addytywne wytwarzanie pozwala im na konsolidacje wielu części w jednym komponencie, przyspieszając w ten sposób niektóre procesy produkcyjne (samo projektowanie i wytwarzanie takiego elementu, jego montaż etc.) W CNC Würfel dzięki zastosowaniu druku 3D w technologii HP MJF 3D znaleziono nowy sposób produkcji między innymi adaptera chwytaka, zbierającego przedmioty z wielu przenośników taśmowych.

Nowy sposób produkcji wielofunkcyjnych narzędzi – chwytak

Narzędzie to wymaga komponentów pracujących w różnych systemach chwytających i korzystając z obróbki skrawaniem jego czas realizacji wahał się od 8 do 10 tygodni. CNC Würfel chciał pójść krok dalej i wyprodukować chwytak, który mógłby podnieść wszystkie przedmioty z pasa, w jednym kroku. Udało się to osiągnąć projektując trzy pary palców z przodu robota, tak aby mógł prawidłowo chwytać wiele przedmiotów jednocześnie.

Wielofunkcyjny chwytak zoptymalizowany w technologii HP MJF 3D

Wykonanie adaptera chwytającego za pomocą frezowania lub toczenia jest niezwykle trudne, ponieważ wymaga dużej wiedzy odnośnie do tych procesów. Dzięki zastosowaniu technologii HP MJF 3D firmie CNC Würfel udało się zaprojektować prostszy element i wyprodukować go w mniej niż dwa dni. Ostatecznie addytywnie są wytwarzane 3 modele chwytaka, wykorzystywane w 3 systemach automatycznych na liniach produkcyjnych CNC Würfel. Wg Larsa Weiß, odpowiedzialnego w firmie za druk 3D i sprzedaż, „adapter z połączeniami śrubowymi, otworami na przyłącza pneumatyczne i zawory przedmuchowe, wygląda jakby miał dołączoną całą skrzynkę z narzędziami. Został tak elastycznie zaprojektowany, że prawie na pewno nie dałoby się tego zrobić frezowaniem”.

Pierwotnie element ten kosztował około 2000 €, ale wydrukowany w technologii HP MJF 3D jest o 80% tańszy

Integracja systemów automatyki – główne repozytorium części

Główne repozytorium części CNC Würfel jest dzięki technologiom addytywnym bardziej zintegrowane z ich systemem automatyki, co stanowi klucz do automatyzacji produkcji. Komponent został zoptymalizowany i składa się ostatecznie z czterech części: osłony, podstawy i dwóch wsporników do mocowania. Jego produkcja trwała trzy dni, podczas gdy z zastosowaniem CNC od 8 do 10 tygodni.

Repozytorium części wykonane addytywnie w technologii HP MJF 3D

Udało się ponadto zaoszczędzić na kosztach produkcji niemal 95% oraz zredukować wagę elementu o 84%.

Dzięki wdrożeniu technologii HP MJF 3D CNC Würfel produkuje obecnie około 150 części miesięcznie, podczas gdy jeszcze niedawno takich niestandardowych elementów wykonywano zaledwie dwa.

Implementacja druku 3D pozwala zatem firmom przyjmować nietypowe zlecenia, realizować je w krótszym czasie i w niższych kosztach własnych. Sama jakość wydrukowanych części niczym nie ustępuje elementom frezowanym. Jedynie w przypadku najbardziej wymagających projektów, druk 3D nie zapewnia takich samych powtarzalnych tolerancji, jak np. obróbka CNC, dlatego w wielu przypadkach kluczem do doskonałego dopasowania i wykończenia jest połączenie nowszego procesu jakim jest AM, z tym bardziej znanym, czyli CNC.