CNC và In 3D: Đâu là giải pháp tốt nhất để chế tạo các chi tiết?

Sự phát triển của vật liệu in 3D mạnh mẽ đã khuyến khích các nhà sản xuất từ các ngành tìm hiểu sâu hơn về ứng dụng này và tìm cách in 3D các bộ phận chức năng đã được gia công CNC trước đây. Quá trình in 3D có thể giúp các nhà sản xuất tiết kiệm đáng kể thời gian và tiền bạc, trong khi vẫn đảm bảo chất lượng cần thiết cho sản xuất ở cấp độ công nghiệp.

Các nhà sản xuất công tắc có thể tận dụng phần mềm in 3D để tạo mẫu và sản xuất các bộ phận trong vòng một ngày, với chi phí chỉ bằng một phần nhỏ so với gia công CNC truyền thống. Tuy nhiên, vẫn còn một số lĩnh vực chính mà CNC là lựa chọn phù hợp hơn.

Từ tính chất vật lý cho đến lợi ích tài chính, hãy cùng xem qua một số yếu tố quyết định để đánh giá trước khi lựa chọn CNC hay in 3D.

1. Về tính chất vật lý

a. Hình dạng

• Kích thước chi tiết: Cả hai quy trình CNC và in 3D đều bị giới hạn bởi kích thước công cụ chế tạo; trong trường hợp CNC, đường kính dao quyết định chi tiết đẽo nhỏ nhất có thể được tạo ra. Tuy nhiên, trong trường hợp in 3D, đường kính vòi phun quyết định chi tiết bồi đắp nhỏ nhất có thể được tạo ra. Đường kính vòi phun cho máy in 3D dạng đùn thường từ 0,25mm đến 0,8mm và kích thước chi tiết tối thiểu cho những máy này gấp 4 lần, dẫn đến kích thước tính năng tối thiểu từ 1,0mm đến 3,2mm.
• Bề mặt hoàn thiện: Với các công cụ phù hợp, máy CNC có khả năng tạo ra bề mặt mịn hơn nhiều so với máy in 3D. Máy in 3D có khả năng sản xuất các chi tiết để vừa khít và hoàn thiện, nhưng đối với các chi tiết đòi hỏi bề mặt đặc biệt mịn để ghép với các chi tiết chính xác khác, gia công CNC có thể chiếm ưu thế hơn.
• Dung sai: Một số máy in 3D composite tốt nhất có thể có dung sai kích thước xuống đến +/- 0,005 ”và thường có bề mặt tuân thủ để lắp máy ép. Các chi tiết yêu cầu dung thấp trên các bộ phận in 3D có thể được xử lý hậu kỳ. Tuy nhiên, tùy thuộc vào các chi tiết còn lại trên chi tiết, nó có thể sẽ dễ dàng hơn nếu gia công toàn bộ. Kết quả có thể khác nhau tùy theo máy, vật liệu và hình dạng chi tiết.
• Chịu tải: Các chi tiết phi cấu trúc thường là đối tượng lý tưởng cho in 3D thông thường. Các bộ phận cấu trúc cần chịu được tải trọng vật lý đáng kể có thể được sản xuất bằng gia cố sợi liên tục, hoặc bằng gia công CNC. Trong khi gia cố sợi liên tục có thể cung cấp cải thiện độ bền đáng kể so với các bộ phận in 3D khác, các bộ phận composite mạnh hơn theo hai trục (X, Y) so với Z, và không thể hiện tính chất đẳng hướng như các bộ phận kim loại. Để tìm hiểu thêm về việc này có thể ảnh hưởng đến thiết kế và định hướng của các chi tiết in, hãy đọc trên Isotropic Fiber Fill, trong đó sẽ giải thích các chi tiết này chuyên sâu hơn.

b. Môi trường

In 3D và gia công CNC đều có khả năng sản xuất các bộ phận bằng kim loại và polyme, vì vậy sự lựa chọn sẽ xoay quanh quy trình nào sẵn có hơn để tạo thành vật liệu mà bạn cần.

• Nhiệt độ: Nhiệt độ hoạt động của một kim loại cụ thể thường có một số mối liên hệ đối với nhiệt độ nóng chảy của nó. “Kim loại nguyên chất thường suy yếu nghiêm trọng ở khoảng một nửa điểm nóng chảy trên thang nhiệt độ tuyệt đối (điểm nóng chảy tính bằng độ F cộng với 459).” Các hợp kim thường có thể đẩy lên cao hơn, trong một số trường hợp lên đến khoảng 65% nhiệt độ nóng chảy.
• Vật liệu tổng hợp và polime in 3D có giới hạn nhiệt độ hoạt động thấp hơn kim loại. Các vật liệu gia cường thường không được sử dụng trong thời gian dài ở nhiệt độ cao trên 150 ° C.
• Độ ẩm: Một số sợi polyme hấp thụ độ ẩm và có thể mất độ bền khi tiếp xúc lâu dài hoặc ngâm trong nước. Có thể sẽ cần một lớp phủ như Liquitex. Độ ẩm thường không ảnh hưởng đến nhôm, nhưng có thể khiến thép bị gỉ.
• Hóa chất: Nếu chi tiết của bạn bị dính bất kỳ hóa chất nào, hãy kiểm tra tính tương thích hóa học của vật liệu với hóa chất. Trong khi nhiều kim loại thích hợp để sử dụng với nhiều loại hóa chất, hãy luôn kiểm tra tính tương thích trước khi đưa vào vật liệu hoặc môi trường mới. Vật liệu sử dụng sợi nylon có khả năng chống hóa chất và không bị ảnh hưởng bởi hầu hết các chất hóa dầu. Tuy nhiên, chúng không thích hợp để sử dụng trong môi trường axit hoặc bazơ mạnh.

2. Về mặt kinh tế

a. Khi nào thì cần đến in 3D hoặc gia công CNC?

• Gia công tại xưởng:
  • Nếu bộ chi tiết này cần thiết ngay lập tức, không có sự bất tiện nào khác cho quá trình vận hành, bạn có sẵn máy móc, người vận hành, vật liệu và kho gia công, bạn nên tự gia công CNC cho bộ phận mình muốn.
  • Nếu có nhiều công việc khẩn cấp hơn hoặc bộ phận chưa cần gấp, in 3D sẽ có thể giúp bạn có bộ phận đó vào ngày hôm sau, giải phóng thời gian của người vận hành cho các tác vụ quan trọng hơn.
  • Gia công CNC thường có khả năng loại bỏ vật liệu nhanh hơn nhiều so với in 3D có thể tạo ra. Kích thước thường không ảnh hưởng nhiều đến thời gian gia công; số lượng vật liệu cần loại bỏ trong qua trình quan trọng hơn nhiều. Nếu tỷ lệ khối lượng bộ phận / khối lượng gốc rất thấp (hao tổn nhiều vật liệu), in 3D có thể là một lựa chọn tốt.
  • Với in 3D, kích thước của bộ phận sẽ ảnh hưởng đến thời gian in; các bộ phận lớn hơn sẽ mất nhiều thời gian hơn. Nếu một bộ phận có kích thước nằm gọn trong lòng bàn tay của bạn, bạn thường có thể hoàn thành nó ngay trong ngày.
  • Với các bộ phận nhỏ hơn, in 3D thường nhanh hơn gia công. Với một máy CNC, bạn phải dành thời gian lấy hàng, viết mã G, tìm cách xử lý công việc, thiết lập các công cụ và dọn dẹp sau đó. Một số bộ phận có thể in chỉ trong khoảng thời gian để chuẩn bị sẵn máy CNC.
• Gia công bên ngoài:
  • Quá trình thuê gia công hoặc các dịch vụ gia công CNC bên ngoài thường đòi hỏi tối thiểu vài ngày, từ việc xem xét bộ phận, tạo bản vẽ, gửi báo giá cho đến xem xét khi giao dịch. Những điều này, cộng với thời gian vận chuyển và giao hàng từ cửa hàng, đôi khi có thể là một quá trình rất dài.
  • Trong trường hợp này, in 3D có thể là một cách thích hợp để kiểm tra độ vừa vặn và hoàn thiện hoặc chuẩn bị một bộ phận vào ngày hôm sau trong khi bộ phận cố định đang được gia công.

3. Chi phí

• Khi bạn chia nhỏ chi phí của các chi tiết được gia công số lượng ít, phần lớn chi phí đến từ thời gian cần thiết để lập trình và thiết lập; thời gian thực tế để cắt kim loại nói chung là khá ngắn.
• Việc mở rộng quy mô khối lượng sản xuất thường đạt được bằng cách thiết lập số lượng lớn để gia công nhiều chi tiết mà không cần giám sát. Khi độ phức tạp của một chi tiết và số lượng chi tiết tăng lên, thời gian lập trình và số lượng thiết lập cần thiết cũng có thể tăng lên.
• Tuy nhiên, chi phí của các đơn vị bổ sung giảm khá nhanh. Tùy thuộc vào hình dạng, chi phí trên mỗi đơn vị CNC phù hợp với các đơn đặt hàng hàng trăm hoặc vài nghìn đơn vị mỗi tháng vì việc lập trình và thiết lập có thể được sử dụng lại.

Với in 3D, việc lập trình (phân lớp) diễn ra trong vài phút và độ phức tạp ít ảnh hưởng đến thời gian lập trình. Trong khi chi phí cho một hệ thống đầu tiên và công sức bỏ ra thấp, chi phí cho mỗi hệ thống không bị tác động nhiều bởi khối lượng sản xuất. Việc mở rộng khối lượng sản xuất thường đạt được bằng cách sử dụng đồng thời nhiều máy hơn.

4. Ngân sách cho thiết bị và nhân công vận hành là bao nhiêu?

• Máy CNC có thể chạy mà không cần giám sát khi được thiết lập đúng cách, nhưng người vận hành và lập trình viên được đào tạo chuyên sâu thường rất quan trọng nhằm đảm bảo cho việc máy hoạt động trơn tru. Máy móc không phải lúc nào cũng dễ dàng để bảo dưỡng, thường đòi hỏi các kế hoạch bảo trì tốn kém.
• Máy in 3D có thể dễ dàng chạy mà không cần giám sát hoàn toàn, người vận hành chỉ cần đào tạo tối thiểu và việc lập trình được thực hiện dễ dàng bằng phần mềm. Máy móc thường dễ bảo trì và có chi phí bảo trì ít tốn kém hơn nhiều.
• Máy CNC và máy in 3D có nhiều mức giá khác nhau dựa trên các tính năng và chất lượng xây dựng, nhưng thông thường máy in 3D có thể được sở hữu với mức đầu tư thấp hơn đáng kể so với máy CNC.
• Chi phí trả trước và chi phí vận hành của sản xuất bồi đắp thấp, lý tưởng cho các ứng dụng số lượng ít như tạo mẫu và dụng cụ. Tuy nhiên, khi mở rộng quy mô lên khối lượng lớn hơn, quá trình sản xuất và tạo hình theo phương pháp gia công thông thường đi sẽ tiết kiệm chi phí hơn.
• Giữa in 3D và gia công CNC, nên chọn phương pháp nào? Trường hợp này không đơn giản chỉ là quá trình thay thế một-một và in 3D sẽ không giải quyết tất cả các vấn đề sản xuất của bạn trong một sớm một chiều. Hạn chế về kinh tế giới hạn hiệu quả chi phí cho số lượng chi tiết in 3D với số lượng ít, và các ràng buộc về vật liệu và quy trình có thể hạn chế không gian ứng dụng. Mặt khác, gia công CNC cho thấy lợi thế về quy mô cho khối lượng sản xuất cao hơn, thường là theo đơn đặt hàng hàng trăm chiếc trở lên mỗi tháng.