Фрезеровка (фрезерная обработка) и 3D-печать являются наиболее распространенными современными методами изготовления прототипов. Однако эти методы не полностью взаимозаменяемы, каждый из них имеет свои преимущества, недостатки и область применения. Ниже рассмотрены наиболее важные аспекты, отличающие два метода друг от друга.

Геометрия изделий

Оба технологических процесса — фрезеровка и 3D-печать – имеют ограничения, связанные с размером инструмента. В случае фрезеровки это ограничение на минимальный внутренний диаметр, которое не может быть меньше диаметра применяемого инструмента. В случае 3D-печати с экструзионной технологией ограничение связано с размером сопла. Обычно размер сопла составляет от 0.25мм до 0.8мм, при этом минимально изготавливаемый элемент детали может быть не менее чем 4-кратный размер сопла, то есть от 1 до 3.2мм.

Фотографии процессов фрезеровки и 3D-печати

В случае, если требуется высокая точность изготовления или деталь имеет очень малые размеры, фрезеровка на ЧПУ станках имеет предпочтение, а в случае очень жестких допусков (порядка 0.01мм) фрезеровка является обычно единственно возможным выбором.

Напротив, если производимая деталь имеет сложную структуру, содержит элементы, доступ к которым фрезы затруднен или невозможен, 3D-печать оказывается преимущественным, а в некоторых случаях и единственным выбором.

Применимость 3D-печати существенно зависит от размера (объема) производимых деталей. Для технологий объемной печати путем спекания (SLS, DMLS) имеется прямое ограничение на объем детали, для других технологий (таких как FLM) допустимо производство больших деталей, однако конкурировать с ЧПУ обработкой становится неэффективно при определенном объеме детали.

Качество поверхности

В целом, фрезерные станки с ЧПУ могут производить детали с гораздо более гладкой поверхностью, чем 3D-принтеры. При объемной печати на выходе детали обычно имеют «ступенчатую» структуру, которая может быть подвергнута отдельно финишной обработке, что однако не подходит в тех случаях, когда деталь стыкуется по поверхности с другими точными деталями. Также фрезеровка на ЧПУ станках предпочтительна, когда нужно очень высокое качество поверхности – например, для достижения идеального внешнего вида или обеспечения скольжения детали.

Нагрузки на деталь

Ненагруженные детали обычно являются более подходящей целью для производства на обычных 3D-принтерах. Для создания высоконагруженных деталей подходит либо фрезерная обработка (обычно металла) либо создание изделий из полимерных композитов с армированием длинными волокнами (углепластик, стеклопластик). При этом отличие композитных материалов состоит в их анизотропности – их прочность отличается в различных направлениях, что не всегда допустимо.

Стоимость детали

Основной фактор, влияющий на стоимость детали – это объем партии (количество деталей). Для малого количества деталей небольшого размера (одного прототипа или партии в 2-5 штук) 3D печать оказывается часто экономически более эффективной. Однако для 3D печати практически отсутствует эффект масштаба, и каждая последующая деталь стоит почти столько же, сколько первая. Для фрезеровки, напротив, ощутимую долю составляют затраты на запуск производство (проектирование заготовки, написание программ, установка на станок), и для последующих деталей цена фрезеровки снижается – поэтому для производства десятков и сотен штук фрезеровка почти всегда оказывается экономически более выгодной.

Важным фактором, влияющим на сравнительную эффективность объемной печати и фрезеровки, является отношение объема детали к объему заготовки. В целом при фрезеровке удаление материала происходит более быстро, чем его наращивание при 3D печати. Однако если соотношение объема детали к объему заготовки оказывается очень малым, 3D печать получает дополнительное преимущество, а для фрезеровки цена, напротив, оказывается, очень высока.

Простота использования процесса

Как уже упоминалось, фрезерная ЧПУ обработка требует более существенных подготовительных операций, особенно для деталей сложной геометрии. Для 3D печати подготовка может занимать несколько минут и практически не связана со сложностью детали. В связи с этим часто изготовить небольшой прототип 3D печатью оказывается существенно проще (в случае маленьких деталей это может оказаться быстрее, чем просто подготовить оборудование для фрезеровки).

Кроме этого, для работы с фрезерным станком требуется более квалифицированный персонал. Оператор станка должен уметь выбрать правильный инструмент, правильную скорость вращения, правильно установить заготовку и отслеживать путь обработки. При этом для 3D печати после запуска программы не требуется никакое сопровождение. Следует отметить, что в последнее время наметилась тенденция к упрощению и повышению степени автоматизации для процессов подготовки  к фрезеровке, однако в любом случае этот процесс остается более трудозатратным и требовательным к квалификации персонала.

Материалы

Сфера применимости 3D печати с точки зрения материалов продолжает расширяться, уже используется широкий спектр пластиков и ряд металлов. Но 3D печать металлическими материалами пока еще не дошла до той степени развития, чтобы полноценно конкурировать с фрезеровкой, стоимость таких принтеров всё еще высока (составляет сотни тысяч долларов). Кроме того, есть ряд материалов, для которых нет разработанной технологии объемной печати – например, дерево (и близкие материалы – например, часто применяется фрезеровка МДФ).

Для фрезеровки обычно используются следующие пластики: ABS, полиамид (PA66), поликарбонат (PC), акрил (PMMA), полипропилен (PP), POM и PEEK. Для создания качественных прототипов часто применяется фрезеровка алюминия.  Другие регулярно фрезеруемые металлы – сталь, магниевые сплавы, цинковые сплавы,титан, латунь.

В 3D печати обычно используются следующие термопласты: ABS, PLA, нейлон, ULTEM. Также в некоторых нишевых применениях используется воск, песок, керамика и даже живые ткани. 3D печать металлов разработана для алюминия, стали, титана и инконеля.

Есть материалы, которые не поддаются фрезеровке, соответственно их можно сделать 3D печатью или методами быстрого прототипирования – это, например, суперсплавы или TPU (гибкий материал).

Выводы

Можно видеть, что ни одна технология не имеет абсолютно преимущества, напротив, в зависимости от материала, сложности геометрии, объема партии и бюджета может иметь преимущество либо фрезеровка либо 3D печать.

Вместе с тем, есть ряд успешных примеров, когда обе технологии могут использоваться совместно – в этом случае 3D печать помогает создать сложную геометрию, а последующая фрезеровка обеспечивает точные допуски и высокое качество поверхности.