Фрезерний верстат із ЧПК і 3D-друк: порівняння

Навчальна мета

Учні знайомляться з відмінністю між 3D-принтером і фрезерним верстатом із ЧПК. 3D-друк ґрунтується на адитивному методі виготовлення, а фрезерний верстат із ЧПК - на субтрактивному.

Завдання

Учні дізнаються про спільні риси й відмінності між виготовленням на 3D-принтері та на фрезерному верстаті з ЧПК

Фрезерний верстат працює субтрактивно, тобто матеріал знімається із заготовки (здебільшого у формі масивної суцільної болванки). Фреза обертається з високою швидкістю й рухається вздовж осей X, Y і Z, пошарово видаляючи матеріал.

При цьому утворюється стружка, і значна частина вихідного матеріалу витрачається намарно. Рухи інструмента виконуються або вручну, або, на сучасних фрезерних верстатах із ЧПК, під керуванням компʼютера.

Точність фрезерування залежить від кількох чинників, зокрема від гостроти інструмента, частоти обертання, подачі та стабільності верстата.

Фрезерні верстати застосовують передусім у промисловому виробництві, де потрібна обробка металів, пластмас та інших твердих матеріалів.

Типові застосування охоплюють виготовлення деталей машин, інструментів, корпусів, прецизійної механіки та виробів, що мають витримувати високі навантаження.

Вони ідеальні для серійного виробництва, ремонтних робіт і виготовлення індивідуальних деталей з високою точністю.

3D-друк (його ще називають адитивним виробництвом) працює за принципом пошарової побудови. Цифрову 3D-модель поділяють на тонкі шари, які наносяться один за одним, доки не постане готовий обʼєкт.

Принтер укладає матеріал - розплавлений пластик, смолу, металевий порошок чи інші матеріали - точно там, де він потрібен. Оскільки матеріал лише додається, а не видаляється, відходів майже немає.

3D-принтер при цьому точно дотримується параметрів, заданих у CAD-моделі, і може створювати складні форми, які фрезою відтворити важко або взагалі неможливо.

3D-друк застосовують переважно у виготовленні прототипів, моделюванні, медичній техніці (наприклад, протези, імплантати), дизайні (наприклад, прикраси, споживчі товари) та в авіаційно-космічній галузі.

Особливо важливим інструментом 3D-друк є для розробки й перевірки нових продуктів, адже зміни в дизайні можна втілювати швидко й недорого.

Завдяки можливості створювати складні структури, як-от порожнини, ґратчасті конструкції та індивідуальні форми, 3D-друк особливо добре підходить для проєктів, які традиційними методами виготовлення реалізувати важко.

Вибір матеріалу у 3D-друку значною мірою залежить від використовуваної технології друку. Найпоширеніші матеріали - пластмаси (наприклад, PLA, ABS, нейлон), фотополімерні смоли, металеві порошки (наприклад, для селективного лазерного спікання) і спеціальна кераміка. Хоча 3D-друк може працювати з багатьма матеріалами, їхня міцність і термостійкість часто обмежені.

Тому 3D-друк особливо підходить для прототипів, моделей і деталей, які не зазнають високих механічних навантажень чи екстремальних умов.

Фрезерний верстат може обробляти безліч матеріалів, зокрема метали (як-от алюміній, сталь, мідь), пластмаси, деревину й композити. Завдяки високій механічній стійкості фрез можна обробляти навіть дуже тверді матеріали, як-от титан або загартовану сталь.

Фрезерування особливо підходить для виробів, які мають бути дуже міцними, точними й довговічними. Ще одна перевага - можливість обробляти матеріал так, щоб досягати конкретної якості поверхні й потрібних допусків, наприклад завдяки вибору різних фрез і параметрів різання.

3D-друк дає змогу виготовляти високоскладні геометрії, зокрема внутрішні порожнини, ґратчасті структури та деталі, що входять одна в одну, - те, що звичайними субтрактивними методами, як-от фрезеруванням, реалізувати неможливо або дуже важко.

Водночас точність 3D-друку часто нижча, ніж у фрезерного верстата, а поверхня зазвичай шорсткіша. Особливо в адитивних технологіях із пластиком виникають помітні лінії шарів, які потребують додаткової обробки, як-от шліфування чи нанесення покриття, щоб отримати гладку поверхню.

Фрезерні верстати, особливо з ЧПК, забезпечують дуже високу точність і дотримання жорстких допусків. З відповідними фрезами та правильним програмуванням можна виготовляти заготовки з гладкими поверхнями, гострими кромками й чіткими контурами.

Фрезерування ідеально підходить для виготовлення функціональних деталей, де вирішальними є точність посадки та якість поверхні. Проте складність оброблюваної заготовки обмежена геометрією інструментів і осями руху верстата.

Тривалість виробництва у 3D-друку залежить від розміру обʼєкта, товщини шару та складності моделі. Оскільки виріб будується шар за шаром, процес залежно від технології та вимог може тривати від кількох годин до кількох днів.

Утім, 3D-друк особливо економічно вигідний для виготовлення малих партій та індивідуальних виробів, адже не потрібно готувати матеріал для знімання - використовується лише необхідний матеріал. Тому за малих обсягів виробництва вартість одиниці часто нижча, ніж у субтрактивних методах, як-от фрезерування.

Фрезерна обробка може бути тривалою, особливо коли потрібні складні геометрії або висока точність. Витрати часу сильно залежать від твердості матеріалу, складності заготовки й налаштованих параметрів різання.

Вартість одиниці продукції відносно висока, особливо для малих серій чи одиничних виробів, адже велика частина матеріалу втрачається у вигляді стружки. Проте в серійному виробництві завдяки застосуванню автоматизованих фрезерних верстатів із ЧПК можна підвищити ефективність і знизити витрати.

Незалежно від того, чи хочеш ти працювати з фрезерним верстатом із ЧПК, чи з 3D-принтером, перший крок завжди той самий: тобі потрібна модель твого виробу на компʼютері. Її називають CAD-моделлю (CAD означає «Computer-Aided Design», тобто «компʼютерне проєктування»). Для цього використовують спеціальні програми, що працюють як графічний редактор, тільки в них можна створювати 3D-обʼєкти.

Отже, спершу ти малюєш свою ідею на папері, а потім відтворюєш модель на компʼютері. І 3D-принтеру, і фрезерному верстату з ЧПК потрібна ця компʼютерна модель, щоб знати, як працювати.

Фрезерний верстат із ЧПК: після того, як ти створив 3D-модель на компʼютері, потрібно скористатися спеціальною програмою, щоб визначити «траєкторії фрезерування».

Ці траєкторії показують верстату, де знімати матеріал. Можеш уявити це як своєрідну GPS-навігацію для фрезерного верстата. Ти даєш йому вказівки, які місця обробляти і з якою швидкістю рухатися.

Далі програма створює спеціальний файл, який називають G-кодом, і цей файл надсилається на фрезерний верстат із ЧПК.

3D-принтер: у 3D-принтера все трохи інакше.

Тут компʼютерна програма розбиває твою 3D-модель на багато тонких шарів, які наносяться один за одним. Цей процес називають «слайсингом» (бо модель розрізається на скибки).

Потім 3D-принтер зчитує файл, створений програмою, і починає наносити матеріал шар за шаром, доки виріб не буде готовий.

Ось найбільша відмінність між цими двома машинами:

Фрезерний верстат із ЧПК: цей верстат працює так, що знімає матеріал із цілого шматка. Уяви, що в тебе є брусок деревини або металу. Верстат має обертовий інструмент (схожий на дуже точний і потужний дриль), який зрізає шматочки з бруска, доки не залишиться лише бажана форма. Це трохи схоже на те, як вирізьблюють скульптуру зі шматка дерева - ти видаляєш матеріал, доки виріб не набуде правильної форми.

3D-принтер: 3D-принтер працює точно навпаки. Він починає з нічого й додає матеріал. Принтер укладає матеріал шар за шаром, доки не постане твій виріб. Це як зводити споруду з багатьох шарів пластиліну або з кубиків LEGO.

Спільне: обом машинам потрібна 3D-модель на компʼютері. Незалежно від того, чи використовуєш ти фрезерний верстат із ЧПК, чи 3D-принтер, перший крок завжди - втілити свою ідею в модель на компʼютері.

Відмінність: шлях виготовлення різний. Фрезерний верстат із ЧПК знімає матеріал (як під час різьблення), тоді як 3D-принтер додає матеріал (як під час складання грудок пластиліну). Фрезерний верстат працює із суцільним бруском деревини, металу чи пластику, а 3D-принтер здебільшого працює з пластиковою ниткою, смолою чи порошком, будуючи виріб шар за шаром.

Результат: обидві машини можуть створювати чудові речі, але 3D-принтер краще підходить для дуже складних форм і порожнин. Натомість фрезерний верстат із ЧПК ідеальний, коли потрібна дуже міцна й точна деталь із твердого матеріалу