In 3D và CNC : Phương thức nào là phù hợp nhất để sản xuất

So sánh giữa công nghệ in 3D và gia công CNC đang là đề tài được nhiều người quan tâm và gây nhiều tranh cãi. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ bàn về thế mạnh của từng phương thức

1. Giới thiệu chung

Sự phát triển của các vật liệu in 3D cứng, bền đã khiến cho các nhà sản xuất công nghiệp phải cân nhắc so sánh giữa phương pháp gia công CNC với in 3D 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 chi phí, trong khi vẫn tạo ra sản phẩm đủ điều kiện chất lượng ở cấp độ công nghiệp.

Các công ty sản xuất cơ khí đã chuyển đổi sang công nghệ in 3D có thể tận dụng phần mềm in 3D để tạo nguyên mẫu và sản xuất chi tiết trong một ngày, với một phần nhỏ chi phí so với gia công CNC truyền thống. Tuy nhiên, vẫn còn một số lĩnh vực mà CNC vẫn là lựa chọn đúng đắn.

Từ tính chất vật lý đến yếu tố tài chính, hãy cùng điểm qua một số yếu tố chính để đánh giá trước khi quyết định đầu tư CNC hay in 3D.

2. Yếu tố về tính chất vật lý

• Hình dạng

– Kích thước chi tiết

Cả quy trình gia công CNC và in 3D đều bị hạn chế bởi kích thước dụng cụ. Với gia công CNC, đường kính dao cụ quyết định kích thước gia công nhỏ nhất của chi tiết. Đối với in 3D, đường kính đầu phun quy định kích thước chi tiết nhỏ nhất có thể tạo ra. Đường kính đầu phun cho máy in 3D thường từ 0,25mm đến 0,8mm và kích thước chi tiết in tối thiểu trong khoảng từ 1,0mm đến 3,2mm.

– Hoàn thiện bề mặt:

Với đồ gá chính xác, máy CNC có khả năng tạo ra các bề mặt mịn hơn nhiều so với máy in 3D. Máy in 3D có khả năng sản xuất các chi tiết vừa khít và hoàn chỉnh, nhưng đối với các bộ phận đòi hỏi độ mịn đặc biệt để lắp ráp với độ chính xác cao, nên sử dụng gia công CNC.

– Dung sai:

Một số máy in 3D bằng sợi composite chất lượng cao có thể đạt dung sai tới +/- 0,127mm, và thường có bề mặt đồng nhất để đáp ứng yêu cầu lắp ráp. Với những chi tiết cần độ chính xác cao hơn thì có thể gia công thêm sau khi in 3D. Tuy nhiên, đôi khi việc gia công cả chi tiết lại dễ dàng hơn, tùy thuộc vào đặc điểm của mỗi chi tiết. Độ chính xác mẫu in còn tùy thuộc vào máy in, vật liệu in cũng như hình dạng của chi tiết in.

– Khả năng chịu tải:

In 3D là giải pháp phù hợp nhất đối với các chi tiết phi cấu trúc. Các chi tiết có hình dạng đơn giản cần chịu được tải trọng vật lý thì có thể sản xuất bằng phương pháp CNC hoặc in 3D bằng sợi gia cố liên tục (hay còn gọi là vật liệu composite) của hãng Markforged. Chi tiết được in bằng vật liệu này có đặc điểm nổi bật là chắc khỏe hơn hẳn các vật liệu in 3D khác, tuy không có tính đẳng hướng như kim loại (trục X, Y cứng hơn trục Z).

 

Xem thêm: Chế tạo đồ gá

• Môi trường

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

– Nhiệt độ

Nhiệt độ hoạt động của kim loại thường liên quan đến nhiệt độ nóng chảy của nó. Kim loại nguyên chất thường bị yếu đi khi nhiệt độ tăng đến khoảng giữa điểm nóng chảy trên thang nhiệt độ tuyệt đối (+459 độ F). Hợp kim thường có thể đẩy phạm vi hoạt động hiệu quả lên cao hơn, trong một số trường hợp lên tới khoảng 65% nhiệt độ nóng chảy.

Vật liệu composite in 3D và polyme có giới hạn nhiệt độ hoạt động thấp hơn kim loại. Các vật liệu của Markforged thường không nên sử dụng trong thời gian dài ở nhiệt độ cao trên 150 ° C.

– Độ ẩm

Một số sợi polymer hút ẩm và có thể giảm độ cứng bền khi tiếp xúc lâu với không khí hoặc ngâm trong nước. Trong trường hợp đó, cần có lớp phủ như Liquitex. Độ ẩm thường không ảnh hưởng đến nhôm, nhưng có thể khiến thép bị gỉ.

– Hóa chất

Nếu chi tiết cơ khí tiếp xúc với hóa chất, hãy kiểm tra tính tương thích hóa học của vật liệu bạn dự định in với hóa chất đó. Mặc dù nhiều kim loại không chịu ảnh hưởng của nhiều loại hóa chất, hãy luôn kiểm tra cẩn thận trước khi sử dụng vật liệu mới hoặc trong môi trường mới. Các vật liệu gốc nylon của Markforged có khả năng kháng hóa chất và không bị ảnh hưởng bởi hầu hết các hóa chất dầu mỏ. Chúng không thích hợp để sử dụng trong môi trường axit hoặc bazơ mạnh.

3. Cân nhắc về chi phí

• Khi nào bạn cần?

– Sản xuất tại xưởng

Nếu cần chi tiết cơ khí ngay lập tức, không bị vướng bận công việc khác và bạn có sẵn máy móc, nhân viên đứng máy, vật liệu và gá kẹp, bạn nên gia công máy CNC.
Nếu có nhiều công việc khẩn cấp hơn hoặc có thời gian chờ, bạn có thể in 3D và có ngay sản phẩm vào ngày hôm sau, giải phóng thời gian của người vận hành máy để làm các công việc quan trọng hơn.

Gia công CNC có khả năng cắt gọt nhanh hơn nhiều so với tốc độ in 3D. Kích thước của chi tiết thường không ảnh hưởng nhiều tới thời gian gia công; nhưng cần cân nhắc lượng vật liệu bỏ đi trong quá trình gia công. Nếu tỷ lệ thể tích của chi tiết/thể tích của phoi rất thấp (cần cắt gọt nhiều vật liệu), in 3D có thể là giải pháp tốt hơn.

Khi in 3D, kích thước sản phẩm ảnh hưởng rất lớn đến thời gian sản xuất; chi tiết lớn hơn mất nhiều thời gian để in hơn. Nếu một chi tiết nằm gọn trong lòng bàn tay, bạn thường có thể in nó trong một ngày. Với các bộ phận nhỏ hơn, thường có thể in 3D nhanh hơn so với gia công.
Với máy CNC, bạn phải dành thời gian để lấy phoi ban đầu, xuất mã G-code, tìm gá kẹp, thiết lập công cụ và dọn dẹp. Một số chi tiết có thể in 3D xong ngay trong thời gian chuẩn bị máy CNC.

– Thuê dịch vụ gia công bên ngoài (outsource):

Thời gian thuê dịch vụ gia công CNC thường mất tối thiểu vài ngày, bao gồm việc phân tích chi tiết cần gia công, tạo bản vẽ, gửi báo giá và chốt báo giá, cộng với thời gian vận chuyển và thời gian sản xuất từ xưởng. Đôi khi quá trình này thường rất dài.

Trong trường hợp này, in 3D là giải pháp tối ưu hơn để kiểm tra tính vừa vặn và hoàn chỉnh của chi tiết. Hoặc có ngay chi tiết in vào ngày hôm sau trong khi chờ chi tiết sử dụng lâu dài được gia công

• Số lượng chi tiết bạn cần?

Khi bạn chia nhỏ chi phí cho các chi tiết gia công với số lượng nhỏ, phần lớn chi phí đến từ thời gian cần thiết để lập trình và thiết lập máy; thời gian thực tế để gia công thường khá ngắn. Mở rộng quy mô sản xuất thường được thực hiện bằng cách tạo các thiết lập lớn hơn để cắt giảm nhiều chi tiết mà không cần giám sát.

Khi độ phức tạp của chi tiết và đặc điểm năng tăng lên, thời gian lập trình và số lượng thiết lập cần thiết cũng có thể tăng. Tuy nhiên, chi phí của số lượng chi tiết gia công bổ sung giảm khá nhanh. Tùy thuộc vào hình dạng, chi phí CNC trên mỗi sản phẩm khi sản xuất quy mô lớn tới hàng trăm hoặc vài nghìn đơn vị sẽ thấp hơn do không cần lập trình và thiết lập lại máy.

Với in 3D, việc lập trình (cắt lát lớp in) diễn ra trong vài phút và độ phức tạp của chi tiết in ít ảnh hưởng đến thời gian lập trình. Trong khi chi phí thiết lập thấp, chi phí cho mỗi đơn vị sản xuất không bị ảnh hưởng nhiều bởi khối lượng. Mở rộng quy mô sản xuất thường được thực hiện bằng cách kết nối trực tuyến với nhiều máy in hơn.

• Ngân sách dành cho thiết bị và nhân viên vận hành là bao nhiêu?

Máy CNC có thể hoạt động mà không cần giám sát khi đã được thiết lập chuẩn, nhưng bắt buộc phải đào tạo người đứng máy và lập trình viên toàn thời gian. Máy CNC không phải lúc nào cũng dễ dàng để vận hành, đòi hỏi kế hoạch bảo trì tốn kém.
Máy in 3D có thể dễ dàng hoạt động mà hoàn toàn không cần giám sát, người vận hành máy in 3D không cần đào tạo quá chuyên sâu và việc lập trình được thực hiện dễ dàng bằng phần mềm. Máy thường dễ bảo trì và có chi phí bảo trì thấp hơn.

Máy CNC và máy in 3D có nhiều mức giá dựa trên tính năng và chất lượng in, nhưng thông thường máy in 3D có mức giá đầu tư ban đầu thấp hơn đáng kể so với máy CNC.

Chi phí trả trước và chi phí vận hành của sản xuất bồi đắp (hay còn gọi là in 3D) thấp, khiến nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng số lượng nhỏ như tạo mẫu và chế tạo công cụ sản xuất. Tuy nhiên, khi phát triển sản xuất với số lượng lớn hơn, gia công CNC và chế tạo bằng khuôn sẽ có hiệu quả kinh tế cao hơn.

Xem thêm: Máy in 3D giá bao nhiêu

Nên lựa chọn gia công CNC hay in 3D?

Trường hợp này hiếm khi chỉ đơn giản là lựa chọn một công nghệ thay thế hoàn toàn, in 3D sẽ không thể giải quyết tất cả các vấn đề sản xuất của bạn chỉ trong một đêm. Sản xuất bằng công nghệ in 3D chỉ phù hợp với số lượng nhỏ, vì tính hiệu quả về chi phí, các quy định về vật liệu và quy trình có thể hạn chế các ứng dụng. Mặt khác, gia công CNC sẽ hiệu quả về chi phí hơn, nếu sản xuất với số lượng trung bình, thường là hàng trăm đơn vị mỗi tháng.