Innføringen av 3D-printing i prototypeproduksjon har forbedret produktutviklingen betydelig. Resultatet er at 3D-utskrift har blitt et levedyktig alternativ til CNC-maskinering, selve kjernen for produksjon i dag. Dessuten blir additive teknologier allerede sett på som en opplagt erstatning for CNC-maskinering. Hvor gangbar er denne påstanden? Kan 3D-utskrift erstatte maskinering morgendagens smartfabrikk?

Til tross for suksess og gode utsikter kan ikke 3D-utskrift erstatte CNC-maskinering som den dominerende teknologien for fremstilling av metalldeler. Det er imidlertid ingen tvil om at additiv produksjon (AM) vil ha en betydelig innvirkning på en rekke produksjonsmetoder.

Stort sett produserer begge teknologiene, CNC-maskinering og 3D-printing, utformingen til en del ved å danne materiale lag for lag. Hvilken av de to metodene er mer effektiv, og hvordan vil kombinasjonen av begge løsningene påvirke produksjonen?

For å finne svarene, la oss sammenligne hovedtrekkene til CNC-maskinering og 3D-utskrift som moderne motstykker.

Arbeidsstykkematerialer – Hovedmaterialene for CNC-bearbeiding er metaller. I 3D-utskrift, til tross for den betydelig økte andelen metaller, er fortsatt ikke-metalliske materialer dominerende. Samtidig har fremgangen innen pulvermetallurgi gjort det mulig å skrive ut deler fra materialer som er vanskelige å kutte, slik som nikkelbaserte superlegeringer, noe som åpner helt nye muligheter for additiv produksjon.

Fysiske egenskaper – Metaller er isotrope – egenskapene deres er de samme, men på forskjellige måter. Derimot har produkter skrevet ut på en 3D-skriver distinkt anisotropi. For eksempel er styrken i horisontal retning høyere enn i vertikal retning. Ingeniørvitenskap, som har mange teoretiske verktøy og erfaring for nøyaktig å beregne strukturell oppførsel, stivhet og pålitelighet til deler laget av isotropiske metaller, møter vanskeligheter når de arbeider med 3D-utskrevne produkter. Altså, å introdusere AM i produksjonen av nøkkelelementer i metall går derfor av forståelige grunner sakte; CNC-maskinering er den dominerende metoden for å produsere kritiske tunge komponenter.

Genererte former – CNC-bearbeiding har begrensninger, hovedsakelig forårsaket av den begrensede tilgangen til et skjæreverktøy til den maskinerte overflaten (spesielt indre deler). Med 3D-utskrift, som er fri for de fleste begrensninger, utvides grensene betydelig når det produseres komplekse former.

Dimensjoner – Metallavvirkning ved CNC-skjæring gjør det lettere å bearbeide deler i et bredt dimensjonsområde. Mulighetene i 3D-utskrift er langt mer beskjedne. I prinsippet kan en stor del produseres ved AM-metoder, men emnet bør da deles inn i flere mindre enheter som deretter sammenstilles etter at utskriftsprosessen er fullført. Denne prosessen øker imidlertid produksjonstiden betydelig og reiser et spørsmål om nødvendig styrke og stivhet til det sammenstilte produktet.

Nøyaktighet, repeterbarhet og overflatefinish – I dag kan 3D-skrivere gi dimensjonsnøyaktighet på 0,25 mm, som er langt mindre sammenlignet med presisjonen til CNC-maskinering som opprettholder toleranser på mindre enn minst to-tre ganger. CNC-maskinering sikrer også bedre parametere i motsetning til AM-metoder for repeterbarhet og overflatefinish.

Økonomiske aspekter og bærekraft – Til tross for det store utvalget av CNC-maskiner og 3D-printere som varierer i pris i henhold til egenskapene, er prisen på en 3D-skriver betydelig lavere sammenlignet med en typisk CNC-maskin.

Prosessen med å kutte materiale resulterer i spon – beregnet på resirkulerbart avfall. Bærekraftig 3D-utskrift med lite avfall utnytter materialet mer effektivt og sparer derfor energi.

For begrensede produksjonsserier, spesielt prototyper, har AM en åpenbar økonomisk fordel. Men i storskala volumproduksjon er CNC-maskinering mye raskere og mer kostnadseffektivt. Vi kan fortsette å analysere andre funksjoner som mulige strukturelle defekter, termisk integritet, oppsettet, nødvendig arbeidsrom, fleksibilitet, etc., men vår analyse er nok til å konkludere med at 3D-utskrift i metall ikke fullt ut vil erstatte CNC-maskinering i overskuelig fremtid .

Ved metallbearbeiding kan AM være en effektiv og rask metode for å fremstille presise arbeidsstykker som er svært nær den ønskede endelige delformen, spesielt når det er relatert til arbeidsstykker med kompleks form. Produksjon av komplekse arbeidsstykker krever CNC-bearbeiding med minimal sponavvirkning for å svare til avanserte bearbeidingsmetoder hvor nøyaktighet og overflatefinish er kjernen. 3D-utskrift muliggjør raske og nøyaktige prototyperesultater og reduserer verdifull produksjonstid for å oppnå den optimale løsningen.

3D-utskriftsmetoder er ikke en erstatning for CNC-maskinering, men komplementerer likevel maskineringsprosessen. I tillegg er maskinering og additive prosesser integrert i moderne maskiner som kombinerer nøyaktig flerakset maskinering med 3D-utskrift. Det som best beskriver forholdet mellom 3D-utskrift og CNC-maskinering er derfor "sammen" og ikke "i stedet for".

Fremveksten av 3D-utskrift beregnet for produksjon av arbeidsstykker vil påvirke verden av skjærende verktøy. Spesielt vil freser som former komplekse deler bli påvirket ettersom de svarer til de økende kravene til høy effektivitet, høy nøyaktighet og høy pålitelighet. Å sikre disse "trippelhøye" egenskapene ser ut til å være en vanlig forutsetning, men avanserte metallskjæreløsninger krever teknikker som svarer til mindre sponavvirkning.

Når maskineringsavvikene er små, kreves høye metallavvirkningsvolumer for å opprettholde økt mating og økte hastigheter, som kan oppnås ved å bruke høyhastighetsmaskinering (HSM)-strategier. Freseverktøy som roterer med høy vinkelhastighet må balanseres for å opprettholde stabil, varig skjæring under økte sentrifugalkrefter, samtidig som antall kutt minimeres. Det ideelle resultatet er å oppnå overflatefinish-parameterene i ett enkelt kutt som krever svært nøyaktige skjæreverktøy. Vi kan fastslå at freser i hardmetall, sammenstilte verktøy med utskiftbare skjærehoder og presise freser med ettskjærsprofil er førstevalget for nøyaktig og produktiv bearbeiding av komplekse former med minimal spon.

Produsenter av skjæreverktøy tar høyde for additive komponenter i metallbearbeiding når de utarbeider produktporteføljen og planlegger strategisk for avanserte kostnadsbesparende løsninger. Når det er sagt, har ISCAR utvidet porteføljen av flerskjærs hardmetallfreser designet for HSM.

ISCARs siste NEOLOGIQ-kampanje legger spesiell vekt på "buesegment" eller "parabolske" freser som har barrel- og linseformede skjærekanter. Disse fresene er beregnet for 5-akset høyhastighetsmaskinering av komplekse profiler og er en perfekt løsning for produktiv finmaskinering. I tillegg befinner maskinering av "barrels" og "linser" seg i et ettskjærs indekserbart verktøydesign som dekker større nominelle fresediametre. Skjærekanten i buesegmentet ble øyensynlig tatt i bruk i ISCARs MULTI-MASTER verktøylinje, serien av sammenstilte verktøy med utskiftbare hoder, som kombinerer fordelene med hardmetall og indekserbare verktøykonsepter.

I verktøytilpasning er dette et godt eksempel som viser synergien mellom 3D-utskrift og CNC-maskinering i produksjon av kompliserte konfigurasjoner for spesial-vendeskjær. Til tross for begrensningene viser de anisotrope egenskapene til 3D-printede produkter en fordel. Dessuten muliggjør 3D-utskrift et kvantesprang i verktøydesign, og optimaliserer en fresekropp-konfigurasjon, spesielt for utforming og produksjon av innsider og kjølevæskekanaler for målrettet kjøling.

ISCAR R&D-ingeniører anser AM som et kraftfullt verktøy for å finne den beste løsningen for både spesial- og nyutviklede produkter for å sikre maksimal bærekraft. Det store spranget fremover er knyttet til 3D-utskrift av hardmetallskjær. Produksjon av prototypeskjær ved bruk av AM-metoder krever ikke stanseform og gjør det mulig å utforske ulike designversjoner av skjærene. Denne metoden reduserer utviklingstiden betydelig, reduserer produksjonskostnadene og minimerer avfall.

For å konkludere, 3D-utskrift i dag og i morgen er ikke ment å erstatte CNC-maskinering, men symbiosen mellom disse to teknologiene vil være et typisk trekk ved metallbearbeidingsteknologier som kommer snart.

For mer informasjon se: www.svea.no og www.iscar.com