In 3D và gia công CNC khác nhau như thế nào?

Các sản phẩm chế tạo ngày càng gia tăng về độ phức tạp cộng với nhu cầu sản xuất nhanh hơn khiến cho các nhà sản xuất đang phải lựa chọn giữa các công nghệ. Bài viết này sẽ thảo luận và so sánh về hai trong số các phương pháp đang được sử dụng phổ biến nhất: In 3D và gia công CNC. Mỗi phương pháp đều có ưu điểm riêng, bổ sung cho nhau trong quá trình thiết kế và sản xuất.

Tổng quan về in 3D và gia công CNC

Có thể hiểu đơn giản, nếu in 3D là một quá trình cộng (additive) thì gia công CNC là một quá trình trừ (subtractive). Máy CNC bắt đầu với một khối vật liệu rắn và sử dụng các dao cụ để cắt bỏ phần vật liệu cho đến khi tạo ra hình dạng sản phẩm được thiết kế.

Với công nghệ in 3D hay còn được gọi là sản xuất bồi đắp, thì có nhiều loại máy in 3D khác nhau sử dụng các công nghệ và vật liệu khác nhau. Một số máy in chế tạo các chi tiết từ các lớp nóng chảy của vật liệu nhựa nhiệt dẻo, một số từ các lớp của vật liệu photopolyme được đóng rắn bởi nguồn sáng hoặc nung kết các lớp vật liệu dạng bột từ bột nhựa đến bột kim loại. Tuy nhiên, tất cả các máy in 3D đều tạo dựng sản phẩm 3 chiều theo từng lớp một.

In 3D và gia công CNC khác nhau như thế nào?

Tự do thiết kế

Nhìn chung, gia công CNC vẫn là giải pháp phù hợp cho các sản phẩm kim loại cần độ bền cao, độ bền nhiệt và độ bền hóa chất cao.

Các hạn chế của máy CNC bao gồm chi phí ban đầu liên quan đến việc mua và bảo trì máy, nhu cầu về người vận hành được đào tạo và gia tăng phế liệu do máy tạo ra.

Máy CNC thường yêu cầu người vận hành chuyên dụng, toàn thời gian, trong khi máy in 3D chủ yếu được tự động hóa sau khi thiết lập ban đầu

Lợi ích giá trị nhất của máy in 3D là nó không bị hạn chế về thiết kế sản phẩm giống như máy CNC. Do quá trình bồi đắp từng lớp, in 3D là giải pháp duy nhất khi sản xuất các sản phẩm phức tạp mà cắt gọt không thể thực hiện được hoặc chi phí quá cao để thực hiện. Máy in 3D được sử dụng để sản xuất các bộ phận, linh kiện trong một loạt ứng dụng, bao gồm xe điều khiển, các bộ phận sử dụng cuối và các loại nguyên liệu. Các hệ thống trong in 3D hiện đại thậm chí có thể sản xuất các bộ phận có độ cạnh tranh cao với các sản phẩm gia công, như các công cụ sản xuất hiệu chỉnh.

Máy in 3D có thể bổ sung cho xưởng máy bằng cách sản xuất các công cụ và linh kiện sản xuất phức tạp, có độ bền cao

Mức độ chính xác

Sau tự do thiết kế, một trong những lý do quan trọng nhất khi lựa chọn giữa in 3D và gia công CNC cho một ứng dụng cụ thể nằm ở độ chính xác, bao gồm độ chính xác của hệ thống, độ lặp lại và độ phân giải.

Các máy CNC hiện đại được chế tạo tốt có khả năng sản xuất các chi tiết có độ chính xác cao. Dung sai cho gia công tiêu chuẩn, được đo bằng phần nghìn inch, ~ ±0,127 mm. Các trung tâm gia công tinh có thể đạt đến dung sai ±0,0254 mm. Với xử lý chuyên biệt, có thể  đạt đến dung sai ±0,00127 mm.

Lưu ý có rất nhiều cách để kiểm tra khả năng thiết kế, bao gồm: vị trí, định hướng, biểu mẫu và hồ sơ. Khi kiểm tra khản năng của máy móc, nên xem xét cả về độ lặp và độ phân giải.

Máy in 3D cũng mang lại độ chính xác cao trong quá trình tạo lớp. Các hệ thống in dựa trên công nghệ đùn thường tạo ra độ phân giải lớp để ±0,127 mm với dung sai tổng thể ±0,0381 mm đến 0,0889 mm. Bởi vì in từng lớp và sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau, độ chính xác có thể dao động, làm cho chúng kém chính xác hơn so với máy CNC. Tính chất vật liệu, biến dạng nhiệt và tốc độ in có thể đều ảnh hưởng đến độ chính xác. Máy in 3D công nghiệp chất lượng cao hơn có thể mang lại độ chính xác vượt trội so với các bộ phận được gia công CNC với chi phí thấp hơn cho mỗi chi tiết.

Lựa chọn vật liệu

Gia công CNC thường được thực hiện trên các vật liệu như nhôm, đồng thau, đồng, thép, thép không gỉ, vonfram và các kim loại khác. Tuy nhiên, những máy này cũng có thể sử dụng được các loại nhựa như PVC, Nylon 6/6. Với công cụ phù hợp, máy CNC có thể làm việc với hầu hết mọi vật liệu.

Bên cạnh đó, hầu hết các máy in 3D đều có một số hạn chế về vật liệu. Máy in 3D thường sử dụng nhiều loại photopolyme hoặc nhựa nhiệt dẻo. Mặc dù có thể in 3D các bộ phận bằng vật liệu kim loại nhưng các quy trình này vẫn tương đối mới và máy móc có thể có chi phí đắt đỏ.

Đối với các ứng dụng cần đặc tính dẻo dai, không mài mòn của nhiệt dẻo kết hợp với độ bền của nhôm và muốn duy trì chi phí thấp, giá cả phải chăng, tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường, có thể tham khảo dòng máy in 3D vật liệu Composite công nghiệp Markforged Mark Two và X7 tự động xếp các dải sợi Carbon liên tục, Kevlar hoặc thủy tinh trong quá trình in, cung cấp các chi tiết có giá cả phải chăng với độ bền và sức chịu tải cao.

Môi trường làm việc và phế thải

Bản chất cắt gọt của máy CNC nghĩa là chúng tạo ra nhiều phế liệu, cần nhân công dọn dẹp, cộng với những mảnh vụn không thể tái sử dụng. Vì vậy, bạn phải trả chi phí cho nhiều vật liệu hơn bạn sử dụng. Là một vật phẩm tiêu hao, chất lỏng làm mát được sử dụng để duy trì nhiệt độ trong quá trình gia công phải được làm sạch sau mỗi quá trình gia công.

In 3D là một quá trình tương đối sạch sẽ từ đầu đến cuối, với mức tối thiểu không gây lãng phí. Đôi khi phần vật liệu support được sử dụng để hỗ trợ các phần nhô ra hoặc các phần tử thiết kế hẫng trong quá trình in – là các thành phần rời rạc và dễ loại bỏ.

Chi phí

Chi phí của mỗi linh kiện, bộ phận kết hợp nhiều yếu tố, bao gồm chi phí vật liệu, yêu cầu về dụng cụ, bảo trì máy móc, chi phí cho người vận hành. Xem xét trong một quá trình cắt gọt, bạn luôn mua nhiều vật liệu hơn mức cần thiết, luôn sử dụng các vật tư tiêu hao phải được dọn dẹp và thường cần các dụng cụ hỗ trợ cho công việc, đồng thời, bạn cần trả chi phí cho một người vận hành đã qua đào tạo có mức lương tăng lên theo cấp độ kỹ năng.

Trái lại, máy in 3D thường tốn ít kém hơn hẳn để mua, lắp đặt và bảo trì. Hơn nữa, người vận hành máy đối với máy in 3D không phải tham gia vào trong quá trình máy vận hành. Các khoản tiết kiệm chi phí khác liên quan đến máy in 3D bao gồm chi phí vật liệu thấp hơn, ít chất thải hơn và giảm nhu cầu điện năng. Những lợi ích này làm giảm chi phí tổng thể cho mỗi linh kiện, chi tiết khi so sánh với gia công CNC.

Kết luận

Hầu hết các nhà máy hiện đại đều kết hợp một số máy in 3D tùy thuộc vào mỗi ứng dụng để hỗ trợ quá trình sản xuất. Vì máy in 3D có giá cả phải chăng, nên có thể dễ dàng sử dụng chúng cho các công việc hỗ trợ có thể làm tăng băng thông máy. Các ứng dụng phù hợp nhất cho in 3D bao gồm: Tạo mẫu, công cụ, dụng cụ, các bộ phận sản xuất với số lượng ít.

Thay vì để nhân viên và thiết bị có giá trị tập trung vào nguyên mẫu ban đầu, hãy sử dụng máy in 3D vào những công việc đó – đặc biệt là khi bạn có thể có nhiều nguyên mẫu trước khi chọn ra thiết kế cuối cùng.

Các công việc cần tùy biến dụng cụ và đồ gá cho chế tạo các chi tiết đặc biệt, yêu cầu thêm các hoạt động sản xuất và kiểm tra thì sử dụng in 3D cho những công việc này cũng có thể làm giảm băng thông máy. Ngoài ra, nhiều công ty nhận về những dự án nhỏ, không cần thiết phải đầu tư về thiết bị, tài chính. Bằng cách in 3D các loại linh kiện như: Giá đỡ dụng cụ tùy chỉnh, hệ thống phân phối linh kiện… công ty sẽ không cần phải gián đoạn quá trình sản xuất với số lượng lớn hơn chỉ vì các bộ phận đơn lẻ. Nhìn chung, nhiều công ty nhận thấy lợi ích đầu tư nhanh chóng từ việc kết hợp các công cụ in 3D để bổ sung cho các hoạt động sản xuất hiện có, nhằm giảm chi phí cũng như thời gian thực hiện!