CNC-Bearbeitung vs. 3D-Druck: So wählen Sie das besser für Ihr Projekt geeignete Herstellungsverfahren

Falls Sie schon einmal darüber debattiert haben, ob Sie für ein Projekt lieber die CNC-Bearbeitung oder den 3D-Druck einsetzen, dann sind Sie damit nicht allein. Beide sind leistungsstarke Verfahren zur Herstellung von Kunststoffteilen, die jedoch, abhängig vom Bedarf, unterschiedlichen Zwecken dienen. Die CNC-Bearbeitung ist dabei eher wie ein Bildhauer, der sorgäfltig Material entfernt, um das Teil freizulegen, während der 3D-Druck eher wie ein Maurer Lage um Lage von Ziegeln aufschichtet, um eine feste Struktur zu erschaffen.

Jedes Verfahren hat dabei einzigartige Vorteile – CNC – Bearbeitung liefert hohe Präzision und Vielfalt bei der Materialauswahl. während der 3D-Druck bei komplexen Geometrien und dem Rapid Prototyping glänzt. Die Festlegung auf das zu verwendende Verfahren hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, von der Komplexität des Entwurfs und den Materialanforderungen, bis hin zur Produktionsgeschwindigkeit und den Budgetüberlegungen.

Schnellreferenztabelle

Die folgende Tabelle bietet Ihnen auf einen Blick einen Vergleich, der Ihnen bei der Beurteilung helfen soll, welches Verfahren Ihren Anforderungen im Moment am besten entspricht oder ob Sie ggf. eine Kombination aus beiden für ein optimales Ergebnis einsetzen sollten.

Checkliste: Wahl zwischen CNC-Bearbeitung und 3D-Druck von Polymeren

Verwenden Sie diese Checkliste, um zu bewerten, welches Fertigungsverfahren Ihren Projektanforderungen entspricht. Finden Sie bei jeder Frage heraus, ob die CNC-Bearbeitung, der 3D-Druck oder gar beide die beste Lösung darstellen.

1. Benötigen Sie einheitliche mechanische Eigenschaften im gesamten Teil? Falls JA, dann ist die CNC-Bearbeitung die beste Wahl. Sie erzeugt isotrope Bauteile mit konsistenten mechanischen und thermischen Eigenschaften über das gesamte Material hinweg, was ideal für tragende Anwendungen oder mechanische Baugruppen ist. 3D-gedruckte Teile haben aufgrund ihres Schichtaufbaus anisotrope Eigenschaften.
2. Ist eine hohe Zugfestigkeit bei Ihrem Teil entscheidend? Dann ist die CNC-Bearbeitung für Sie genau das Richtige. Mit der CNC-Bearbeitung gefertigte Komponenten erreichen oft eine 40 bis 60%ig höhere Zugfestigkeit als 3D-gedruckte Teile aus dem gleichen Material, womit sie ideal für hochfeste Anwendungen sind.
3. Benötigen Sie kurze Produktionszeiten? Wählen Sie den 3D-Druck. Verfahren wie SLS brauchen in der Regel 3 bis 5 Werktage, inklusive Einrichtung, Druck und Nachbearbeitung. Im Kontrast dazu hat die CNC-Bearbeitung eine deutlich längere Vorlaufzeit – üblicherweise mehr als 10 Werktage – bedingt durch die Einrichtung, die Programmierung und die Werkzeugvorbereitung.
4. Produzieren Sie eine geringe Stückzahl (1 – 10 Stück)? Dann ist der 3D-Druck die bessere Wahl. Er bietet niedrigere Kosten pro Stück, auch bei kleineren Auflagen, da er nur minimale Einrichtungsanforderungen stellt.
5. Produzieren sie hohe Stückzahlen (mehr als 50 Einheiten)? Entscheiden Sie sich für die CNC-Bearbeitung. Bei hohen Stückzahlen wird es kostengünstiger, da sich die Rüstkosten somit auf eine größere Anzahl von Teilen verteilen.
6. Sind flexible Materialien, Photopolymere oder Kompositharze erforderlich? Ihre Antworft ist dann: 3D-Druck. Er unterstützt exklusive Materialien wie TPU, TPE, spezialisierte Photopolymerharze sowie Verbundstoffe.
7. Sind die Kosten Ihr Hauptanliegen?
   1. Für kleine Stückzahlen (1-10 Einheiten) ist der 3D-Druck die günstigere Variante.
   2. Bei größeren Stückzahlen (mehr als 50 Einheiten) wird die CNC-Bearbeitung kostengünstiger, da sich die Einrichtungskosten amortisieren.
   3. Für mittlere Stückzahlen (10 bis 50 Einheiten) sollten Sie das MJF-Verfahren in Betracht ziehen, das eine effiziente Nutzung des Bauvolumens zu angemessenen Kosten bietet.
8. Benötigen Sie eine Fertigungsmethode, die für die zukünftige Produktion skaliert werden kann? Dann ist die CNC-Bearbeitung die bessere Wahl. Sie eignet sich für mittlere bis hohe Produktionsvolumina, bei denen sich die Einrichtungskosten durch die größeren Chargen amortisieren können. Andererseits ist der 3D-Druck für Einzelstücke oder kleine Produktionsvolumina sehr gut geeignet, wird dann aber bei steigenden Stückzahlen immer weniger kosteneffektiv.

Kostentreiber

Das Verständnis kostentreibender Faktoren in der CNC-Bearbeitung und im 3D-Druck kann Ihnen dabei helfen, Ihre Entwürfe zu optimieren und dann das kostengünstigste Verfahren auszuwählen. Von der Teilgeometrie bis hin zu erforderlichen Oberflächenveredelungen sind es bestimmte Eigenschaften, die die Produktionskosten für jedes Verfahren beeinflussen.

Beschreibung	CNC-Bearbeitung (€)	3D-Druck (€)
Große, voluminöße Geometrien
Entkernen und leichte Merkmale
Abseitige Bohrungen
Organische Merkmale
Präzision und enge Toleranzen
Glatte Oberflächen
Tiefe Bohrungen und Kanäle

Betrachtungen zur geometrischen Komplexität

Die Herstellbarkeit wird stark durch die Geometrie des Teils bestimmt:

• Schmelzverfahren im Pulverbett (SLS, MJF) zeichnen sich durch die Erzeugung komplexer freier Geometrien aus, ohne dass Stützstrukturen verwendet werden müssen.
• FDM und SLA erfordern zu opfernde Stützstrukturen bei Überhängen größer 45°.
• Die CNC-Bearbeitung wird eingeschränkt durch:
  • Anforderungen seitens der Zugänglichkeit für Werkzeuge.
  • Einschränkungen durch minimale Innenradien basierend auf dem Durchmesser des Schneidwerkzeugs.
  • Unfähigkeit, geschlossene, innenliegende Merkmale zu erzeugen.
  • Begrenzte Möglichkeiten für Hinterschnitte

Falls der Entwurf Elemente wie komplizierte innenliegende Strukturen, Hinterschnitte oder organische Formen enthält, die mit herkömmlichen subtraktiven Verfahren nicht realisierbar sind, sollten additive Verfahren verwendet werden.

Materialeigenschaften und Prozesskompatibilitätsmatrix

Beim Entwurf von Teilen, die sowohl im 3D-Druck als auch durch CNC-Fertigung hergestellt werden, ist die Auswahl des passenden Polymers der erste Schritt. Die Kompatibilität des Materials zwischen den beiden Verfahren sicherzustellen, ist ein entscheidender Schritt, um die gewünschten Leistungs- und Qualitätsziele zu erreichen.

Manche Materialien wie ABS, PA (Nylon) oder PC sind vielseitig genug für CNC-Bearbeitung und 3D-Druck. Der 3D-Druck wiederum bietet die Möglichkeit auch spezielle Materialien wie flexible Thermoplaste (TPU, TPE), Photopolymerharze, fortgeschrittene Verbundwerkstoffe sowie CLIP Harze (Carbon DLS) zu verwenden, die für die CNC-Bearbeitung nicht zur Verfügung stehen.

Bei der Auswahl des idealen Materials für Ihr Projekt sollten Sie deshalb diese Faktoren berücksichtigen.

• Mechanische Anforderungen: Muss das Teil hohen Belastungen, Stößen oder Verschleiß standhalten?
• Umweltexposition: Wird das Teil extremen Temperaturen, Chemikalien oder UV-Belastungen ausgesetzt?
• Prozesskompatibilität: Ist das Material für die gewählten Herstellungsprozesse geeignet?
• Budget: Wie stimmen die Materialkosten mit den Projektzielen überein?

Die folgende Tabelle zeigt die häufigsten Materialien, ihre Eigenschaften sowie die Verfahren, für die sie am besten geeignet sind.

Vergleich mechanischer Eigenschaften: CNC-Bearbeitung vs 3D-Druck

Lassen Sie uns die hauptsächlichen Unterschiede der mechanischen Eigenschaften von Materialien wie ABS, PC oder PA12 vergleichen, wenn diese maschinell bearbeitet oder 3D-gedruckt wurden.

ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)

Schlüsselfaktoren, die die Eigenschaften des 3D-Druck beeinflussen:

• Adhäsion der Schichten aus dem FDM.
• Ausrichtung des Drucks (Z-Achse i.d.R. am schwächsten)
• Umgebungsbedingungen während des Drucks.
• Füllungsprozentsatz (100% zum Vergleich).

PC (Polycarbonat)

Schlüsselfaktoren, die die Eigenschaften des 3D-Druck beeinflussen:

• Höhere Temperaturen beim Druck erforderlich.
• Empfindlich gegenüber Feuchtigkeit während der Verarbeitung.
• Kontrolle der Kammertemperatur.
• Effekte der Abkühlungsrate.

PA12 (Nylon 12)

Schlüsselfaktoren, die die Eigenschaften des 3D-Druck beeinflussen:

• Effekte der Pulverrecyclingfähigkeit.
• Sinterparameter.
• Erreichte Dichte des Teils.
• Methoden der Nachbearbeitung.

Wann man den Spritzguss statt des 3D-Drucks oder der CNC-Bearbeitung einsetzen sollte

Während die CNC-Bearbeitung und der 3D-Druck beide ihre Vorteile haben, so gibt es auch Szenarien, in denen keine der beiden Methoden die Ansprüche an die Kosteneffektivität, die Großserienfertigung oder die Gleichförmigkeit der Teile erfüllen kann. In diesen Fällen bietet sich der Spritzguss (IM) als leistungsstarke Alternative an. Dieses Verfahren ist insbesondere für großmaßstäbliche Produktionsabläufe geeignet, bei denen komplizierte Entwürfe und Anwendungen zusammentreffen, die sowohl eine hohe Präzision als auch Konsistenz erfordern.

Es folgt eine Übersicht, wann der Spritzguss die bessere Alternative ist:

1. Sie sollen Kosteneffizienz in der Großserienfertigung: Der Spritzguss zeichnet sich gerade in der Großserienfertigung aus, weil seine Einrichtungs- und Werkzeugkosten durch die extrem niedrigen Kosten der produzierten Einzelteile ausgeglichen wird, die sich durch die großen Stückzahlen ergeben. (z. B. bei der Massenfertigung von Konsumgütern wie Kunststoffbehältern) Während die CNC-Fertigung und der 3D-Druck kleine bis mittelgroße Chargen durchaus bewältigen können, werden beide ab einer bestimmten Stückzahl einfach zu teuer.
2. Sie benötigen konsistent Qualität und makellose Oberflächen: Falls Ihre Teile eine genaue Maßhaltigkeit erfordern oder die Oberflächengüte fehlerlos sein soll, dann liefert der Spritzguss eine unvergleichliche Einförmigkeit im Verlauf aller gefertigter Einheiten. Das ist insbesondere in Branchen relevent, in denen wie in der Medizintechnik, der Elektronik oder der Feinwerktechnik eine gleichbleibende Qualität entscheidend ist.
3. Ihr Entwurf beinhaltet dünne Wandstärken oder komplexe Merkmale: Die CNC-Bearbeitung hat mit dünnen Wandstärken zu kämpfen, während der 3D-Druck sie zwar produzieren kann, sie aber häufiger Probleme mit der Präzision verursachen. Der Spritzguss wiederum kann genau diese komplizierten Merkmale reproduzieren, und so dünne Wände, lebende Scharniere oder Hinterschneidungen nachbilden, da hochpräzise Spritzgussformen verwendet werden können. (z. B. für Verpackungen mit Schnappverschlüssen)
4. Sie benötigen eine Vielzahl an Materialien mit spezifischen Eigenschaften: Der Spritzguss unterstützt eine große Bandbreite an Materialien zu denen fortschrittliche technische Polymere und kundenspezifische Formulierungen gehören. Der Spritzguss ist somit ideal für jene Projekte, die ganz spezifische chemische, thermische oder mechanische Eigenschaften erfordern, wie sie zum Beispiel mit der UV-Beständigkeit oder der Chemikalienbeständigkeit einher gehen.

Finale Entscheideungsrichtlinien für die CNC-Bearbeitung und den 3D-Druck von Polymeren

Wählen Sie die CNC-Bearbeitung, wenn

• Präzision und Haltbarkeit entscheidend sind: Die CNC-Bearbeitung ist ideal dabei hochpräzise und robuste Teile zu erzeugen, und somit für Anwendungen ideal, die langfristige Haltbarkeit und Präzision erfordern, wie man sie zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrt oder bei Medizingeräten findet.
• Hohe Produktionsvolumina erforderlich sind: Für größere Serienproduktionen wird die CNC-Bearbeitung mit der Zeit wirtschaftlicher, da die Einrichtungskosten sich über eine größere Anzahl von Produkten verteilen.
• Eine hochwertige Oberflächengüte erforderlich ist: Die CNC-Bearbeitung erreicht exzellente Oberflächenveredelungen mit einer minimalen Nachbearbeitungszeit, wodurch sie sich ideal für Teile eignet, bei denen Ästhetik oder genau Passformen entscheidend sind.

Wählen Sie den 3D-Druck, wenn

• Rapid Prototyping und Flexibilität im Entwurf erforderlich sind: Der 3D-Druck ist ideal geeignet, um schnell Iterationen an komplexen, maßgefertigten Entwürfen vorzunehmen, da das Verfahren komplexe Geometrien und innere Strukturen erlaubt, schwierig oder gar nicht maschinell auszuarbeiten sind.
• Der Umwelteinfluss und die Materialeffizienz wichtig ist: Die additive Natur des 3D-Druckverfahrens minimiert den Materialabfall, wodurch es eine exzellente Wahl für die Projekte ist, bei denen Nachhaltigkeit eine Priorität darstellt.
• Kleine Stückzahlen und Budgeteinschränkungen greifen: Für kleine Chargen ist der 3D-Druck in der Regel am kostengünstigsten, da er mit geringen Einrichtungskosten und einem schnelleren Einstieg in die Produktion einhergeht. Er eignet sich für Prototypen und begrenzte Stückzahlen maßgefertigter Teile.

In jenen Fällen, in denen sowohl hohe Präzision als auch komplexe Geometrien erforderlich sind, ist die Kombination von CNC-Bearbeitung für Bereiche mit kritischen Toleranzen mit dem 3D-Druck von komplexen, weniger belasteten Bereichen ggf. ein leistungsstarker Ansatz.

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