Een revolutie in verspaning: De impact van 3D-printen

 De gereedschapsprofessionals bekijken hoe de impact van 3D-printen de machinale bewerking zal veranderen. Ze erkennen de voordelen van 3D-printen, vooral bij prototypebouw, maar zijn ervan overtuigd dat additieve productie CNC-verspaning niet volledig zal vervangen, maar aanvullen.

De invloed van 3D-printen op verspanen

De introductie van 3D-printen bij de productie van prototypes heeft de productontwikkeling aanzienlijk verbeterd. Het is sneller en voordeliger geworden. Deze technologie wordt nu behandeld als een alternatief voor CNC-bewerking.

Deze benadering moet echter in twijfel worden getrokken en er moet worden verduidelijkt of 3D-printen de machinale productie in de slimme fabriek volledig kan vervangen.

Expertises van Iscar

Het antwoord van de experts van Iscar: Ondanks de positieve vooruitzichten van de impact van 3D-printen, kan het CNC-verspaning niet volledig vervangen als de dominante technologie voor de productie van metalen onderdelen. "Het lijdt echter geen twijfel dat additive manufacturing (AM) een aanzienlijke impact zal hebben op een hele reeks productieprocessen," zegt Erich Timons, CTO van Iscar.

Kenmerken van 3D afdrukken en CNC verspanen

Beide technologieën creëren de geometrie van een onderdeel door het te bewerken werkstukmateriaal laag voor laag te vormen. Maar welk van de processen is effectiever? En hoe zal de combinatie van beide oplossingen de productie in de toekomst specifiek beïnvloeden?

Om deze vragen te beantwoorden, moeten de belangrijkste kenmerken van de impact van 3D-printen en CNC-verspaning in detail worden onderzocht. Deze omvatten werkstukmaterialen en hun fysieke eigenschappen, de gecreëerde vormen en de precisie van de bewerking.

Metalen zijn de belangrijkste werkstukmaterialen bij CNC-verspaning. Ondanks een aanzienlijke toename van het aandeel metalen, domineren niet-metalen materialen nog steeds bij 3D printen.

Tegelijkertijd heeft vooruitgang in poedermetallurgie het mogelijk gemaakt om onderdelen te printen van moeilijk te bewerken materialen zoals superlegeringen op basis van nikkel. Dit opent nieuwe perspectieven voor additieve productie.

Natuurkunde speelt ook een belangrijke rol: metalen zijn isotroop. Dit betekent dat ze in alle richtingen dezelfde fysische eigenschappen hebben. De impact van 3D-printproducten is daarentegen anisotroop: hun sterkte kan bijvoorbeeld hoger zijn in horizontale richting dan in verticale richting.

Structureel gedrag en betrouwbaarheid

Het structurele gedrag, de stijfheid en de betrouwbaarheid van onderdelen van isotrope metalen kunnen nauwkeurig berekend worden. Het is echter moeilijker om nauwkeurige voorspellingen te doen voor 3D-geprinte producten.

Dit is een van de redenen waarom de introductie van AM in de productie van belangrijke metalen elementen vrij langzaam verloopt: lokale CNC-bewerkingsdiensten is het overheersende proces voor de productie van kritieke onderdelen.

Voordelen en nadelen van beide methoden

CNC-bewerking wordt voornamelijk beperkt door het feit dat de toegang van een snijgereedschap tot het te bewerken oppervlak beperkt is. Het effect van 3D-printen is anders: het is flexibeler en breidt de mogelijkheden voor het produceren van complexe vormen aanzienlijk uit. Metaalverwijdering door middel van machinale bewerking maakt het mogelijk om onderdelen met een groot aantal afmetingen te bewerken.

Flexibiliteit en complexiteit in 3D printen

De impact van 3D-printen is veel beperkter: in principe kan een onderdeel van groot formaat additief worden vervaardigd. In dit geval is het raadzaam om het onderdeel in meerdere kleinere onderdelen te verdelen en deze vervolgens samen te voegen.

Dit proces verlengt de productietijd echter aanzienlijk en doet ook vragen rijzen over de vereiste sterkte en stijfheid.

3D printers bereiken momenteel een maatnauwkeurigheid van 0,25 millimeter. CNC-bewerkingsdiensten op maat is veel nauwkeuriger en bereikt toleranties die minstens twee tot drie keer zo nauw zijn. Het proces werkt ook met een grotere herhaalbaarheid en produceert hogere oppervlaktekwaliteiten.

Er moet ook rekening worden gehouden met kosteneffectiviteit en duurzaamheid. Een 3D printer is aanzienlijk goedkoper dan een moderne CNC machine. CNC-bewerking produceert ook spanen die gerecycled moeten worden. Bij 3D printen daarentegen wordt er minder afval geproduceerd, wordt het materiaal van het werkstuk efficiënt gebruikt en is het energieverbruik lager.

De uiteindelijke vorm benaderen

Bij metaalbewerking produceert additieve productie nauwkeurige werkstukken die de gewenste eindvorm zeer dicht benaderen. De productie van complexe onderdelen vereist CNC-bewerking met minimale materiaalverwijdering en een hoge precisie en oppervlaktekwaliteit.

"3D-printen maakt snelle en nauwkeurige prototypingresultaten mogelijk, waardoor kostbare productietijd wordt verkort om de optimale oplossing te bereiken," zegt Erich Timons.

"De impact van 3D-printprocessen vervangt echter geen CNC-bewerking, maar vult bewerkingsprocessen aan." Er zijn al machines op de markt die precieze meerassige bewerkingen combineren met 3D-printen, geïntegreerd in één systeem.

Precisie in Additive Manufacturing

Het gebruik van 3D-printing voor de productie van onderdelen heeft gevolgen voor freesgereedschappen die complexe onderdelen vormen en aan steeds hogere eisen voor efficiëntie en precisie moeten voldoen. Om optimale materiaalafnamesnelheden met lage toleranties te bereiken, wordt in de praktijk vaak hogesnelheidsbewerking (HSM) met hoge voedingssnelheden en snelheden gebruikt.

Hiervoor zijn nauwkeurige snijgereedschappen nodig die een betrouwbare bewerking met zo min mogelijk bewerkingsgangen en een zeer goede oppervlaktekwaliteit mogelijk maken. Voorbeelden hiervan zijn volhardmetalen (VHM) frezen, modulaire gereedschappen met verwisselbare snijkoppen en nauwkeurige profielfrezen met indexeerbare inzetstukken van Iscar voor het economisch bewerken van complexe vormen.

Fabrikanten van snijgereedschappen houden rekening met additieve componenten bij het samenstellen van hun portfolio. Zo heeft Iscar zijn assortiment meervoudig geslepen volhardmetalen frezen voor hogesnelheidsbewerking uitgebreid.

Het huidige assortiment richt zich op frezen met speciale snijgeometrieën, die gebruikt worden bij 5-assige hogesnelheidsbewerkingen van complexe profielen en de juiste oplossing bieden voor efficiënte nabewerkingsprocessen. Daarnaast zijn deze freesgeometrieën te vinden in enkelzijdig indexeerbare freesgereedschappen die grotere nominale freesdiameters dekken.

Iscar heeft deze snijkanten geïntegreerd in haar modulaire MULTI-MASTER gereedschapslijn met verwisselbare freeskoppen, waarbij de voordelen van volhardmetaal en indexeerbare wisselplaatconcepten gecombineerd worden.

Een voorbeeld van de synergie tussen de impact van 3D-printen en CNC-verspaning is te zien in de productie van gecompliceerde configuraties van speciale indexeerbare wisselplaatgereedschappen.

3D-printen biedt ook voordelen bij het ontwerp van gereedschappen: het optimaliseert het ontwerp van een frees, met name de binnenoppervlakken en koelkanalen voor gerichte koeling direct bij elke snijrand.

Ingenieurs zien 3D-printen als een geschikt proces voor het vinden van optimale en duurzame oplossingen voor speciale en nieuw ontwikkelde producten. Het 3D-printen van indexeerbare inzetstukken betekent een belangrijke stap voorwaarts.

Additieve productie van prototypes vereist geen dure matrijzensets en maakt betrouwbaar testen van verschillende ontwerpvarianten van de inzetstukken mogelijk, wat de ontwikkelingstijd aanzienlijk verkort, de productiekosten verlaagt en afval minimaliseert.

3D-printen zal CNC-bewerking in de toekomst niet volledig uit productiehallen verdringen. Erich Timons vat het samen: "De symbiose van deze twee technologieën zal kenmerkend zijn voor metaalbewerking in de nabije toekomst."