Verwendung von Prototypen : Vorteile und Unannehmlichkeiten für die CNC-Bearbeitung von Prototypen

Was ist CNC-Bearbeitung?

CNC-Bearbeitung (Computer Numerical Control) ist ein Herstellungsprozess, bei dem Computereingaben verwendet werden, um Bearbeitungswerkzeuge wie Bohrer und Drehmaschinen zu steuern. Es wird in vielen Branchen für eine Vielzahl von Prototypen und Endverbrauchsteilen verwendet.

Der Prozess beginnt mit einer digitalen 3D-Konstruktion, die mithilfe einer CAD-Software erstellt wurde und die ein Computer in eine Reihe von Anweisungen für die Schneidwerkzeuge der Maschine übersetzen kann. Diese Anweisungen werden als G-Code bezeichnet.Sobald der G-Code an die Maschine gesendet wurde, ist nur sehr wenig manuelle Überwachung erforderlich, da die Maschine weiß, wann und wo sie schneiden muss und die Bearbeitung selbstständig durchführt. Dies führt zu erheblichen Zeit- und Kosteneinsparungen gegenüber der herkömmlichen Zerspanung, bei der ein erfahrener Zerspaner das Werkstück mit manuell betriebenen Schneidwerkzeugen schneidet.

Die Bearbeitung ist ein subtraktiver Prozess, das heißt, die Anlage entfernt vorhandenes Material, anstatt neues Material einzubringen. Im Gegensatz zur additiven Fertigung, bei der ein 3D-Drucker Material zu einem Objekt schichtet, umfasst die CNC-Bearbeitung das Schneiden von Abschnitten aus einem formlosen Block, der als „Werkstück“ bekannt ist. Das überschüssige Material wird entsorgt oder recycelt und hinterlässt schließlich ein fertiges Teil. Komplexere CNC-Maschinen mit einer größeren Anzahl von Achsen können das Teil auf komplexere Weise schneiden und Teile mit komplexeren Geometrien herstellen.

Die CNC-Bearbeitung ist aufgrund ihrer Vielseitigkeit, Präzision, Konsistenz und breiten Palette kompatibler Materialien ein weit verbreitetes Herstellungsverfahren: Obwohl Aluminiumlegierungen das gängigste Material für die Bearbeitung sind, können auch viele andere Metalle und Kunststoffe verwendet werden.

Ist die CNC-Bearbeitung gut für den Prototypenbau?

Obwohl der 3D-Druck heute von vielen als die dominierende Form des Rapid Prototyping angesehen wird, ist die CNC-Bearbeitung auch ein wichtiger Prozess zur Herstellung von Prototypenteilen. Um zu verstehen, warum, ist es interessant, die verschiedenen Formen zu betrachten, die ein Prototyp annehmen kann, und zu fragen, warum diese Prototypen existieren.

Prototypen können viele verschiedene Funktionen haben. Im Grunde fungieren sie als Platzhalter oder Requisiten – lose Darstellungen eines endgültigen Teils, die verwendet werden, um visuelle Informationen über das Aussehen oder Verhalten des endgültigen Teils zu vermitteln. Diese Look-Alike-Prototypen können als Leitfaden für den F&E-Prozess oder als Proof of Concept verwendet werden. Wenn sie hohen ästhetischen Ansprüchen genügen, können sie auch genutzt werden, um potentiellen Investoren ein neues Produkt zu präsentieren. Solche Prototypen können sehr groß sein, müssen aber nicht unbedingt mit professioneller High-End-Ausrüstung hergestellt werden – sie können in Handarbeit hergestellt oder mit einem Low-End-Desktop-3D-Drucker gedruckt werden.

Einige Prototypen dienen jedoch nicht nur der visuellen Darstellung. Je nach Stadium der Produktentwicklung müssen Unternehmen möglicherweise technische Prototypen oder Produktionsprototypen erstellen: Prototypen, die nicht nur wie das fertige Teil aussehen, sondern auch so funktionieren und so realitätsnah wie möglich als Ersatz dienen. Während 3D-Druck eine großartige Option für das Prototyping des Aussehens sein kann, wird die CNC-Bearbeitung oft für funktionale Prototypen bevorzugt, die Festigkeit, mechanische Stabilität oder andere Eigenschaften erfordern, die von additiven Verfahren nicht geboten werden. Schließlich werden nur wenige Endverbraucherteile mit einem 3D-Drucker hergestellt.

Die CNC-Bearbeitung kann eine ausgezeichnete Wahl für das Prototyping sein, aber ihre Eignung hängt von der Art des Prototyps ab. Wofür wird der Prototyp verwendet? Aus welchem ​​Material soll es bestehen? Und aus welchem ​​Material wird das letzte Teil gefertigt? Diese und andere Fragen werden den Benutzer letztendlich zu der am besten geeigneten Prototyping-Methode führen.

Vorteile des Prototypenbaus mit CNC-Bearbeitung

Es gibt viele Gründe, warum ein Unternehmen die CNC-Bearbeitung zur Herstellung eines Prototyps einsetzen kann, darunter Produktionsgeschwindigkeit, Teilequalität, Materialoptionen und Ähnlichkeit zum endgültigen Teil.

Von der Datei zum Prototyp

Das Element „CNC“ ist einer der größten Vorteile der CNC-Bearbeitung. Da die CNC-Bearbeitung ein digitaler Prozess ist, bei dem ein Teil aus einer Computerdatei erstellt wird, wissen Ingenieure, dass ein bearbeiteter Prototyp dem digitalen 3D-Design sehr gut entspricht und dass das gleiche digitale Design dann verwendet werden kann, um ein endgültiges Teil mit identischen Abmessungen zu erstellen. Der Grad der Wiederholbarkeit ist besonders hoch.

Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung digitaler 3D-Designs schnelle und präzise Bearbeitungen. Wenn ein maschinell bearbeiteter Prototyp einen physischen Defekt aufweist, der auf ein schlechtes Design zurückzuführen ist, kann der Ingenieur zur CAD-Software zurückkehren, um die entsprechenden Änderungen für den nächsten Prototyp vorzunehmen. Verschiedene Versionen können nebeneinander verglichen werden und Simulationssoftware kann sogar verwendet werden, um die Leistung eines Teils in der realen Welt präventiv zu testen.

Qualität und Konsistenz

Computer sind nicht perfekt, aber computergesteuerte Maschinen neigen dazu, genau so zu arbeiten, wie sie sollen, es sei denn, sie fallen aus. Während viele Prototyping-Prozesse auf menschliche Fähigkeiten angewiesen sind (und daher anfällig für menschliche Fehler sind), folgen CNC-Maschinen ihren Anweisungen auf den Bruchteil eines Millimeters.

Wichtig ist, dass sie es auch immer wieder tun können. Obwohl ein Unternehmen nur einen Prototyp herstellt, kann eine CNC-Maschine die gleiche Arbeit bei Bedarf ein zweites Mal mit minimalen Abweichungen vom ersten ausführen. Dies ist unglaublich nützlich, um neue Iterationen eines Prototyps zu entwickeln und mit denselben Maschinen in Produktion zu gehen. (Manuelle Prozesse sind extrem wichtig, aber es ist einfacher, die Konsistenz mit einer automatisierten Maschine sicherzustellen.)

Auswahl an festen Materialien

Wenn ein Prototyp keinen mechanischen Zweck hat, kann er für den 3D-Druck geeignet sein, der zwar nicht dafür bekannt ist, hochfeste Teile herzustellen, aber sehr wenig kostet und in kurzer Zeit fertiggestellt werden kann. Bei den meisten 3D-Druckverfahren sind die Materialoptionen jedoch enger als bei der Bearbeitung.

Die CNC-Bearbeitung bietet nicht nur eine breite Palette kompatibler Materialien, sondern auch extrem starke und langlebige Materialien, einschließlich einer Vielzahl von Metallen. Auch der 3D-Druck mit Metallen ist möglich, jedoch nicht mit einem billigen FDM-Drucker.

Ähnlichkeit mit dem Schlussteil

Ein weiterer großer Vorteil der CNC-Bearbeitung für Prototypen ist die Möglichkeit, Prototypen ähnlich dem endgültigen Teil zu erstellen. Da Bearbeitungszentren in der Lage sind, sowohl Endverbrauchsteile als auch Prototypen herzustellen, ist es möglich, Prototypen nahe am Endprodukt zu erstellen – eine Leistung, die mit 3D-Druck oder anderen Verfahren selten möglich ist.

Das liegt zum Teil an den Materialien. Viele technische Metalle sind hochgradig bearbeitbar, sodass Ingenieure Prototypen aus denselben (oder ähnlichen) Materialien herstellen können, die sie für das endgültige Teil verwenden. Aber auch die Qualität des Prozesses selbst spielt eine Rolle: Die bearbeiteten Teile sind stark und zeigen entlang bestimmter Achsen keine Schwächen wie die gedruckten Teile, während der Bearbeitungsprozess selbst auch andere Prozesse wie die Blechumformung nachbilden kann.

Darüber hinaus erleichtert die Erstellung eines Prototyps, der in Aussehen und Verhalten dem endgültigen Teil ähnelt, den Übergang zur Brückenproduktion, da weniger große Änderungen vorgenommen werden müssen.

Nachteile des Prototypings mit CNC-Bearbeitung

Trotz ihrer Vorteile hat die CNC-Bearbeitung als Prototyping-Methode gewisse Einschränkungen, die Unternehmen dazu bringen können, einen alternativen Ansatz zu bevorzugen.

Teurer als 3D-Druck

Einer der offensichtlichen Nachteile von CNC-Bearbeitungsprototypen sind die Prozesskosten. Bearbeitungszentren sind große Maschinen, die viel Leistung und mehr menschliche Aufsicht erfordern als 3D-Drucker. Bearbeitbare Metalle sind auch preislich höher als herkömmliche Druckmaterialien wie PLA.

Dies ist einer der Hauptgründe, warum Ingenieure sich für alternative Prototyping-Verfahren entscheiden können, selbst wenn sie beabsichtigen, ihre fertigen Teile spanend zu bearbeiten. Die Entwicklung kann Ressourcen belasten, und es ist verständlich, dass Unternehmen während der (frühen) Prototyping-Phase alle Kosten reduzieren müssen.

Einige geometrische Einschränkungen

4-Achs- und 5-Achs-Bearbeitungszentren bieten eine große geometrische Flexibilität, aber auch diese Maschinen haben ihre Grenzen. Für Strukturen, die mit komplexen Innengeometrien entwickelt wurden, können additive Fertigungsverfahren besser geeignet sein, da sie nicht durch die Winkel der Schneidwerkzeuge begrenzt sind.

Bedenken Sie jedoch, dass 3D-gedruckte Prototypen irreführend sein können: Ein digitales 3D-Design, das perfekt aus einem 3D-Drucker kommt, kann mit den gewählten Produktionsanlagen, seien es Bearbeitungszentren, Spritzgussanlagen oder ähnliches, nicht hergestellt werden. Die geometrische Flexibilität von Prototypen ist nur dann sinnvoll, wenn diese Flexibilität am fertigen Teil reproduziert werden kann.

Abfall

Da die CNC-Bearbeitung ein subtraktiver Prozess ist, wird mehr Material benötigt, als tatsächlich in das Teil einfließt. Ein Teil des Materials wird weggeschnitten und wird zu Metall- oder Kunststoffspänen, die dann entsorgt werden müssen. Dies unterscheidet sich von additiven Prototyping-Verfahren, die keine Makulatur produzieren, es sei denn, der Druck schlägt fehl und muss wiederholt werden.

Die maschinelle Bearbeitung als Prototyping-Verfahren kann aufgrund des erhöhten Materialeinsatzes und der Materialverschwendung zu höheren Materialkosten führen. Die Späne können jedoch häufig recycelt werden, sodass die Umweltauswirkungen des Prozesses nicht schwerwiegend sein müssen. (Der Verkauf von recycelbarem Abfall kann auch dazu beitragen, einige Materialkosten zu decken.)

Rapid Tooling: Spritzgegossene Prototypen durch CNC-Bearbeitung

Wir haben gesehen, wie die CNC-Bearbeitung ein großartiger Prototyping-Prozess sein kann. Aber auch indirekt lassen sich durch spanende Bearbeitung Spritzguss-Prototypen herstellen.

Mit CNC-Bearbeitungswerkzeugen oder -Formen haben Unternehmen eine kostengünstigere Möglichkeit, die für den Spritzguss erforderlichen Vorrichtungen herzustellen. Diese CNC-bearbeiteten Werkzeuge können schneller erstellt werden als herkömmliche Werkzeuge und sind daher eine Abkürzung für gegossene Prototypen. (Für die endgültigen Gussteile nach dem Prototyping-Schritt können traditionelle Werkzeugmethoden verwendet werden.)

Die Verwendung des Rapid-Tooling-Verfahrens ist bei der Bestellung größerer Gussstückmengen viel kostengünstiger, da die Herstellung maschinell bearbeiteter Werkzeuge viel mehr kostet als die Harzgussteile selbst. Und während große Stückzahlen während der Prototyping-Phase nicht besonders wünschenswert sind, sind authentisch geformte Prototypen repräsentativer für ein Formteil als beispielsweise eine 3D-gedruckte Alternative.