CASE STUDY: Druk 3D i obróbka CNC – porównanie technologii w produkcji oprzyrządowania

Decydując pomiędzy addytywnymi i substraktywnymi technologiami wytwórczymi, wielu użytkowników zadaje sobie masę pytań. Czy druk 3D jest bardziej opłacalny od tradycyjnych metod wytwarzania? Jakie są różnice między wytwarzaniem przyrostowym a obróbką skrawaniem? Odpowiedzi na tak nurtujące pytania najlepiej szukać u osób, które miały styczność z obiema technologiami i mają wystarczające doświadczenie, aby móc je oceniać.

Własnymi doświadczeniami z pracą z drukarkami 3D podzielił się Krzysztof Duchnowski, technolog CNC oraz właściciel firmy K3D świadczącej usługi produkcji addytywnej dla przemysłu.

K3D to firma świadcząca usługi produkcji prototypów funkcjonalnych oraz oprzyrządowania produkcyjnego dla szerokiego grona branż: motoryzacyjnej, spożywczej, branży budowy maszyn. Z użyciem technologii addytywnych produkowane są m.in. gniazda montażowe, części maszyn, fikstury, odbojniki, uchwyty, zawiesia na systemy wizyjne. W firmie wykorzystuje się przemysłową drukarkę 3D Stratasys Fortus 380mc w pełnej licencji materiałowej.

Case study – stworzenie narzędzia do prasy ręcznej

Jako przykład ilustrujący różnice pomiędzy stosowaniem technologii przyrostowych i obróbki CNC można przywołać jedno ze zleceń, które otrzymała firma K3D. Było to wykonanie narzędzie dla pracy ręcznej. Wykonanie takiego detalu ze stali na obrabiarce CNC zajęłoby około 5 godzin, jednak przygotowanie procesu wytwarzania, czyli opracowanie technologii obróbki, wykonanie i zamocowanie przygotówki, ustawienie programu, a następnie kolejne zmiany mocowań i narzędzi wydłużyłoby proces do ponad 8 godz.

Alternatywą był druku 3D elementu w technologii FDM z materiału PC, który wykazuje wysoką odporność na kompresję, dlatego też wydrukowana część mogła zastąpić narzędzie wykonane ze stali. Stworzenie takiego samego modelu to czas 4,5 godziny – samo przygotowanie produkcji zajęło zaledwie 5-10 minut.

Koszty również przemawiają za drukiem 3D. Koszt realizacji zlecenia dla obróbki CNC wyniósłby ok. 900-1200 PLN netto, a dla technologii druku 3D ok. 280 PLN netto. Dzięki zastosowaniu drukarki 3D Stratasys Fortus 380mc firma zaoszczędziła niemal połowę czasu pracy oraz mogła wycenić usługę aż do 75% taniej. W przypadku potrzeby wprowadzenia zmian i poprawek w projekcie pozwoliłoby to znacznie ograniczyć straty.

Ograniczenia technologii obróbki skrawaniem

Nie wszystkie projekty CAD dostarczane do produkcji są możliwe do wykonania z użyciem obrabiarki CNC w takiej formie, w jakiej przewidział to konstruktor. Głębokie kieszenie, małe promienie naroży wewnętrznych oraz kąty ostre wymagają dużego doświadczenia od technologa, by zostały wykonane poprawnie. Często stopień skomplikowania geometrycznego produktu wymaga przeprojektowania części, co wydłuża proces wytwarzania i zwiększa koszty. Takie elementy mogłyby zostać wykonane na obrabiarkach 4–5 osiowych lub wielowrzecionowych centrach obróbczych, jednak przeszkodą w tym wypadku jest wysoka cena maszyny lub samej usługi.

Kolejnym ograniczeniem w przypadku centr sterowanych numerycznie jest stopień skomplikowania procesu wytwarzania. Jak mówi Krzysztof Duchnowski, w przypadku obrabiarek CNC głównym problemem jest to, iż produkt tworzony jest z pełnej bryły. Możliwości wytwórcze ograniczone są do układu współrzędnych, w których pracuje maszyna. Generalnie, częstym problemem jest to, że w obróbce skrawaniem nie da się w jednej operacji wykonać w całości elementu. Ze względu na kinematykę maszyn CNC konieczna jest zmiana mocowania obrabianego detalu w trakcie realizacji produkcji. Każde dodatkowe mocowanie lub wymiana narzędzia wydłuża całkowity czas produkcji. Dodatkowo może prowadzić do błędów operatora i przesunięć punktów bazowych obrabianej części, co z kolei przekłada się na odchyłki przekraczające tolerancje wymiarowe zamawiającego.

Jego zdaniem, 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

W wielu przypadkach przemysłowa drukarka 3D w technologii FDM umożliwia wykonanie elementów bez ingerencji w jego geometrię. Stratasys Fortus 380mc wykorzystuje rozpuszczalny materiał podporowy, dzięki czemu struktury wewnętrzne, kanały, przepusty drukuje się bez przeszkód z zachowaniem dokładności wymiarowej. Struktury podporowe ustawiane są automatycznie w oprogramowaniu GrabCAD Print, co również oszczędza czas przygotowania.

CO więcej, zazwyczaj, obsługa drukarek 3D nie wymaga specjalistycznych umiejętności, a sama ingerencja operatora kończy się w momencie uruchomienia wydruku. Maszyna może pracować w nocy i nie wymaga stałego nadzoru.

Porównanie technologii na przykładzie gniazda montażowego

Różnice dotyczace czasu i kosztów wykonania tego samego elementu w technologii CNC i druku 3D przedstawiono na przykładzie gniazda montażowego dostarczonego przez firmę K3D. Dla porównania obiekt powstał na drukarce 3D z materiału PC i został wyfrezowany z nylonu PA6-66.

Materiał i jakość produkcji

Oba materiały zostały dobrane tak, by spełniać wymagania klienta co do wytrzymałości części. Jakość wydrukowanego elementu nie odbiegała od wyfrezowanego elementu, a wszystkie wymiary mieściły się w określonych tolerancjach.

Całkowity czas produkcji

Całkowity czas operacji dla jednej i drugiej technologii jest bardzo zbliżony – warto zauważyć, że w przypadku obróbki CNC mowa tu o całym procesie przygotowania programu sterującego i maszyny oraz o samym wytwarzaniu. Z kolei, w 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.

Koszty produkcji

Koszt realizacji usługi jest porównywalny dla obu metod z lekką przewagą technologii druku 3D. W tym przypadku element został wydrukowany ze 100% wypełnieniem. Technologia druku 3D ma również tę przewagę, że pozwala na optymalizację w postaci niepełnego wypełnienia modelu, co przekłada się na oszczędność na materiale i niższy koszt produkcji.

Podsumowanie

• Drukarki 3D mają możliwość wytwarzania geometrii niedostępnych dla obrabiarek CNC, ich obsługa nie jest angażująca i nie wymaga specjalistycznych umiejętności.
• Wdrożenie druku 3D pozwala firmom przyjmować nietypowe zlecenia, realizować je w krótszym czasie i w niższych kosztach własnych. Sama jakość wydrukowanych części niczym nie ustępuje elementom frezowanym.
• Obsługa urządzeń CNC wymaga od operatora i technologa odpowiednich kwalifikacji i doświadczenia. Proces przygotowania projektu i maszyny może być czasochłonny, a także bywa nieopłacalny w przypadku produkcji jednostkowej.

Szczegółowe informacje na temat opisywanego studium przypadku dostępne na stronie CadXpert. Dodatkowo, producent przygotował również infografiki z porównaniami produkcji tego samego detalu, z wykorzystaniem druku 3D i obróbki skrawaniem.