CNC-Bearbeitung vs. 3D-Druck: Den richtigen Prozess für Prototypen und Serienfertigung wählen
Einführung
Die Wahl des richtigen Fertigungsverfahrens – CNC-Bearbeitung oder 3D-Druck – ist entscheidend für den Erfolg moderner Produktentwicklung. Jede Technologie bietet spezifische Vorteile, abhängig von Faktoren wie Materialanforderungen, Geometrie, Oberflächenqualität, Lieferzeit und Stückzahl.
Bei Neway Machining sind sowohl CNC- als auch 3D-Druck-Dienstleistungen in einen einheitlichen Workflow integriert – von der Prototypenfertigung bis zur Serienproduktion. So können Kunden die optimale Methode basierend auf ihren Projektzielen auswählen. In diesem Leitfaden zeigen wir, wie Sie zwischen diesen beiden leistungsstarken Technologien für Prototyping und Serienfertigung entscheiden.
Grundlegende Unterschiede zwischen CNC und 3D-Druck
Prozessgrundlagen
CNC-Bearbeitung ist ein subtraktives Verfahren. Material wird aus einem Vollblock mit präzise gesteuerten Schneidwerkzeugen entfernt. Dieses Verfahren eignet sich ideal für hochfeste, maßgenaue Bauteile aus Metallen und technischen Kunststoffen.
3D-Druck, auch additive Fertigung, baut Bauteile Schicht für Schicht aus digitalen Modellen auf. Er eignet sich hervorragend für komplexe Geometrien, die schwer oder gar nicht zerspanbar sind. Häufig wird er für Rapid Prototyping und Kleinserien eingesetzt – insbesondere mit Polymeren und einigen hochentwickelten Metallwerkstoffen.
Materialmöglichkeiten
Die CNC-Bearbeitung unterstützt eine große Bandbreite an Werkstoffen, darunter:
Technische Kunststoffe wie PEEK und Delrin
3D-Druckmaterialien unterscheiden sich je nach Verfahren (SLS, SLA, DMLS, FDM). Bei Neway werden unter anderem folgende Materialien im 3D-Druck verarbeitet:
Nylon (PA12)
Harzbasierte SLA-Materialien
Metallpulver wie Inconel und Edelstahl
Hochleistungspolymere wie ULTEM und PEEK
Geometrische Flexibilität
Der 3D-Druck bietet eine herausragende geometrische Freiheit. Er ermöglicht unter anderem:
Komplexe interne Kanäle
Organische, freie Formen
Leichtbau-Gitterstrukturen
Einteilige Baugruppen, die in der CNC-Bearbeitung mehrere Aufspannungen erfordern würden
Die CNC-Bearbeitung liefert im Vergleich dazu eine überlegene Maßgenauigkeit und Oberflächengüte, ist jedoch durch Werkzeugzugänglichkeit und Spanntechnik begrenzt. Sie ist besonders stark bei:
Eng tolerierten Merkmalen
Glatten, planen Flächen
Zylindrischen Präzisionsteilen
Bauteilen mit hohen mechanischen Festigkeitsanforderungen
Kosten-, Lieferzeit- und Fertigungsaspekte
Kostentreiber in der CNC-Bearbeitung
Die Kosten der CNC-Bearbeitung werden von mehreren Faktoren beeinflusst:
Materialauswahl: Rohstoffe wie Inconel 718 oder Titanlegierungen sind teurer als Aluminium oder Kunststoffe.
Bearbeitungszeit: Komplexe Teile mit engen Toleranzen oder aufwändigen 3D-Konturen verlängern die Maschinenlaufzeit.
Werkzeuge und Rüstung: Mehrachsige Bearbeitungen oder kundenspezifische Spannvorrichtungen für komplexe Bauteile (z. B. aus Kupfer C175) erhöhen die Anfangskosten.
Bei Kleinserien macht die Rüstzeit einen größeren Anteil der Stückkosten aus. Ist die Einrichtung einmal abgeschlossen, sinken die Kosten pro Teil mit steigender Stückzahl, sodass sich CNC-Bearbeitung insbesondere für kleine bis mittlere Serien wirtschaftlich rechnet.
Kostenstruktur im 3D-Druck
Die Kosten im 3D-Druck hängen hauptsächlich ab von:
Materialvolumen: Bauteile mit großem Volumen oder hoher Füllungsdichte benötigen mehr Material.
Baudauer: Hohe Bauteile oder feine Schichtstärken erhöhen die Bauzeit.
Nachbearbeitung: Schritte wie UV-Beschichtung, Entfernen von Stützstrukturen und Finish-Arbeiten verursachen zusätzliche Arbeitskosten.
Im Gegensatz zur CNC-Bearbeitung erfordert der 3D-Druck keine speziellen Werkzeuge oder Vorrichtungen und ist daher sehr kosteneffizient für Einzelteile und Kleinstserien. Die Stückkosten bleiben relativ konstant – ein Vorteil insbesondere in frühen Prototypenphasen.
Vergleich der Lieferzeiten
Der 3D-Druck bietet in der Regel kürzere Lieferzeiten, insbesondere zur Designvalidierung. Ein einfacher Kunststoffprototyp kann oft innerhalb von 1–3 Tagen gedruckt werden, was schnelle Iterationen ermöglicht.
Die Lieferzeit in der CNC-Bearbeitung hängt von Materialverfügbarkeit, Komplexität und Auslastung der Fertigung ab. Typische Beispiele:
Ein einfaches Aluminium-7075-Prototypteil benötigt möglicherweise 5–7 Tage.
Ein komplexes Luft- und Raumfahrtbauteil aus Edelstahl SUS630 kann inklusive KMG-Prüfung und Dokumentation 2–3 Wochen in Anspruch nehmen.
Bei engen Zeitplänen hat sich eine Kombination bewährt: 3D-Druck für frühe Iterationen und CNC-Bearbeitung für finale Validierungsteile.
Skalierbarkeit in der Produktion
Beim Übergang vom Prototyp zur Serie ist die Skalierbarkeit entscheidend.
CNC-Bearbeitung skaliert sehr gut für Klein- bis Mittelserien (10–1.000 Teile). Der Prozess ist stabil und wiederholbar, mit exzellenter Maßkontrolle und Oberflächengüte. So erfordern beispielsweise medizinische Titanimplantate eine gleichbleibend hohe Qualität über viele Chargen hinweg.
3D-Druck eignet sich ideal für Brückenfertigung – kurze Serien von einigen Dutzend bis einigen Hundert Teilen, bevor sich ein Werkzeuginvestment lohnt. Er wird auch für Ersatzteile, Mass Customization oder Geometrien eingesetzt, die sich mit klassischen Verfahren schwer fertigen lassen.
Hybrider Fertigungsansatz
Viele moderne Projekte profitieren von einem hybriden Ansatz:
3D-Druck für Designfreiheit und komplexe Geometrien
CNC-Bearbeitung für finale Präzision und tragende Strukturbauteile
So können beispielsweise Gehäuse für Robotiksysteme als komplexe 3D-gedruckte Außenhüllen ausgeführt werden, während die inneren Halterungen und Strukturrahmen aus Kohlenstoffstahl 4340 CNC-bearbeitet werden.
Auf diese Weise lassen sich Performance, Kosten und Lieferzeit über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg optimieren.
Maßgenauigkeit und Toleranzen
Die CNC-Bearbeitung bietet eine überlegene Maßgenauigkeit. Standardtoleranzen liegen typischerweise im Bereich von ±0,05 mm bis ±0,01 mm; mit optimierten Prozessen sind ±0,005 mm für kritische Luft- und Raumfahrt- oder Medizinbauteile erreichbar. Diese Präzision ist essenziell für Anwendungen mit engen Passungen oder hochbelasteten Komponenten.
So werden etwa Luft- und Raumfahrtkomponenten aus Rene 104 mit extrem engen Toleranzen gefertigt, um die korrekte Integration in Turbinensysteme sicherzustellen. Ebenso müssen Komponenten für medizinische Geräte strengen Maßvorgaben genügen, um regulatorische Anforderungen zu erfüllen.
Beim 3D-Druck sind Toleranzen stärker prozessabhängig und variabler. Industrielle 3D-Druckverfahren erreichen typischerweise Toleranzen von ±0,1 mm bis ±0,2 mm. Das ist für Designvalidierung oder nicht-kritische Merkmale ausreichend, für funktionskritische Passflächen jedoch oft nicht präzise genug.
Oberflächengüte
CNC-bearbeitete Teile weisen direkt nach der Bearbeitung eine sehr gute Oberfläche auf. Eine typische as-machined-Oberfläche liegt bei etwa Ra 1,6–3,2 µm. Nachbearbeitungsverfahren wie Polieren, Eloxieren oder PVD-Beschichten können Optik und Funktion weiter verbessern. So profitieren beispielsweise polierte Aluminium-2024-Bauteile in der Unterhaltungselektronik sowohl von ansprechender Optik als auch von erhöhter Korrosionsbeständigkeit.
3D-gedruckte Teile benötigen in der Regel Nachbearbeitung, um eine hochwertige Oberfläche zu erzielen. Je nach Verfahren sind anfangs Schichtlinien oder raue Strukturen sichtbar. Verfahren wie Trowalisieren, Schleifen oder das Aufbringen von Lackschichten helfen, die gewünschte Oberflächenqualität zu erreichen – insbesondere bei Kunststoffprototypen oder Schaustücken.
Werkstofffestigkeit und mechanische Eigenschaften
Die CNC-Bearbeitung ist die erste Wahl, wenn hohe Festigkeit und definierte mechanische Eigenschaften verlangt werden. Zerspante Teile behalten die isotrope Festigkeit des Ausgangsmaterials. Komponenten aus Hastelloy B-3 beispielsweise bieten hervorragende Korrosionsbeständigkeit und Stabilität unter hohen Temperaturen und Drücken und eignen sich damit für Öl- und Gas- oder Nuklearanwendungen.
Viele 3D-gedruckte Werkstoffe – insbesondere Polymere – zeigen aufgrund des schichtweisen Aufbaus anisotrope Eigenschaften. Dadurch kann die Festigkeit in Z-Richtung geringer sein als in der Ebene. Metall-3D-Druckverfahren wie DMLS können nahezu isotrope Eigenschaften erreichen; die Werte unterscheiden sich jedoch häufig von solchen aus gewalztem oder geschmiedetem Material.
Konstanz über mehrere Chargen
CNC-Bearbeitung bietet eine sehr hohe Reproduzierbarkeit über viele Chargen hinweg. Ausgereifte Prozesskontrolle, Werkzeugverschleißüberwachung und strenge Prüfprozesse sorgen dafür, dass jedes Teil den Spezifikationen entspricht. Dies ist insbesondere in Branchen wie der Energieerzeugung entscheidend, in denen hohe Zuverlässigkeit unverzichtbar ist.
So gewährleistet etwa die präzise Bearbeitung von Buchsen aus Bronze C86300 für Schwerlastanlagen eine gleichbleibende Performance über viele Produktionsläufe.
Die Konstanz im 3D-Druck verbessert sich zwar stetig, bleibt aber sensibel gegenüber Faktoren wie Pulverqualität, Druckerkalibrierung und Baulage. Für Einzelteile oder kleine Serien ist die Wiederholbarkeit meist ausreichend; für sicherheitskritische Komponenten wird jedoch häufig die CNC-Bearbeitung bevorzugt.
Leitlinien für die Wahl des richtigen Verfahrens
Bei der Entscheidung zwischen CNC-Bearbeitung und 3D-Druck sollten folgende Faktoren berücksichtigt werden:
Materialanforderungen. Wenn hohe Festigkeit, Temperatur- oder Korrosionsbeständigkeit erforderlich sind, ist CNC-Bearbeitung von Werkstoffen wie Inconel 939 meist die beste Wahl.
Maßgenauigkeit. Für Merkmale mit Toleranzen enger als ±0,05 mm liefert die CNC-Bearbeitung die überlegene Präzision.
Geometrische Komplexität. Für Bauteile mit organischen Formen, internen Kanälen oder Hinterschnitten ist der 3D-Druck oft im Vorteil. So lassen sich zum Beispiel Gehäuse für Konsumgüter mit komplexer Außenkontur effizient additiv fertigen.
Stückzahl. Bei Mengen über 50–100 Stück bietet die CNC-Bearbeitung in der Regel bessere Kosteneffizienz und Konstanz. Für kleinere Serien oder Einzelteile minimiert der 3D-Druck die Anlaufkosten.
Oberflächenanforderungen. CNC-bearbeitete Komponenten – etwa elektrische Kontakte aus Bronze C51000 – liefern eine hochwertige Oberfläche ohne umfangreiche Nacharbeit. 3D-gedruckte Teile erfordern oft zusätzliche Oberflächenbehandlungen.
Zukünftige Trends in der hybriden Fertigung
Die Zukunft der Fertigung entwickelt sich hin zu hybriden Workflows, die die Stärken beider Technologien kombinieren. Bei Neway setzen Ingenieure diesen Ansatz zunehmend ein, um optimierte Lösungen für Kunden in Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Robotik und Industrie zu realisieren.
Beispiele:
Roboterkomponenten können 3D-gedruckte Leichtbau-Gehäuse mit CNC-bearbeiteten Strukturrahmen aus Aluminium 4045 kombinieren.
Medizinische Baugruppen können 3D-gedruckte PEEK-Operationsschablonen mit CNC-bearbeiteten Implantatkomponenten aus Edelstahl SUS317 vereinen.
In der Energieerzeugung werden zunehmend 3D-gedruckte Kühlstrukturen in CNC-bearbeitete Hochtemperatur-Superlegierungsbauteile integriert, um die Effizienz zu steigern.
Fazit
Sowohl CNC-Bearbeitung als auch 3D-Druck bieten einzigartige Stärken. Wer die Fähigkeiten und Grenzen beider Verfahren kennt, kann fundierte Entscheidungen treffen, die Kosten, Leistung und Lieferzeit optimal ausbalancieren.
Die Zusammenarbeit mit einem vielseitigen Partner wie Neway Machining, der integrierte CNC- und 3D-Druck-Dienstleistungen anbietet, ermöglicht einen hybriden Ansatz, der exakt auf die Anforderungen des jeweiligen Produkts zugeschnitten ist – von Prototypen über Kleinserien bis hin zur Skalierung auf Großserienfertigung.
