探索协同效应：CNC 3D零件与金属加工

3D打印技术与数控加工技术相结合，重新定义了制造业，因为它为制造全新部件和系统或增强现有部件和系统提供了独特而绝佳的机会。“非CNC即3D打印”的思维模式已不复存在。如今，产品可以采用混合制造提供的完美契合解决方案。通过在炮尾部分更灵活、更理想的CNC和3D组件集成，可以生产更高效、非复制的夹具、工具和机器组件。本文探讨了在建造阶段如何整合这两项技术。它探讨了在最复杂的设计目标下，协同关系如何提高系统运行效率并改进产品编程。无论您是工程师、机械师，还是对先进制造感兴趣的普通人士，您都将了解这些新兴的3D打印和CNC加工策略如何重塑制造业的未来。

3D打印和CNC加工如何协同工作？

3D打印和数控加工是两种不同的技术，它们可以在各种情况下结合使用，以改进制造工艺。3D打印尤其适用于快速生产组件原型和复杂的设计，而数控加工则在利用多种材料制造高质量精密零件方面具有不可估量的价值。通过适当的整合，制造商可以利用3D打印来开发初始设计或精细功能，并利用数控加工来切割和抛光批量产品，或改进设计和提升处理效果。这种集成方法可以缩短批量生产操作的时间，减少废品，并改进制造工艺，从而使小批量生产和复制都更加高效。可以说，在这种趋势下，两者的结合可以为制造业创造价值和机遇。

了解 CNC 3D 零件加工流程

3D打印，官方术语为“增材制造”，是一种突破性的技术，利用数字模型逐层创建三维物体。该过程首先基于所谓的CAD软件（计算机辅助设计）准备一个数字3D模型。该数字文件旨在实现最理想的尺寸。然后，该文件被转换为打印机可以渲染的格式，通常是.STL.OBJ格式。

熔融沉积成型 (FDM)、立体光刻 (SLA) 和选择性激光烧结是 3D 打印领域最流行的技术。每种技术都有特定的用例，这取决于材料和精度要求。例如，FDM 主要用于制作原型和功能部件，因为它易于使用且经济高效。而 SLA 则适合生产具有光泽外观的高精度部件。

据估计，全球3D打印市场规模有望飙升，到15年将达到2021亿美元。到68.71年，该市场规模可能增长至2030亿美元，复合年增长率（CAGR）为18.1%。这一增长得益于航空航天、汽车、消费品和医疗保健等不同行业的技术进步和专业知识。

3D打印技术的显著优势在于：它能够缩短生产周期，使行业参与者能够高效地生产产品；通过减少原材料的使用，提高了回收利用率；此外，它还能创造出传统技术无法实现的几何形状。例如，在医疗保健领域，XNUMXD打印技术在为特定患者定制植入物和假体方面取得了显著进展。与此同时，航空航天领域的轻型部件也得到了升级，以提高燃料利用率。

了解3D打印流程的各个步骤及其包含的众多应用，以及它的优势，将带来巨大的潜力。3D打印是一个即将迎来技术变革的领域，其雄心勃勃的计划包括运用人工智能（AI）和新材料。全球产品的设计和制造预计将迎来更美好的未来。

数控机床在金属制造中的作用

利用计算机编程来控制工具和机械的装置——计算机数控 (CNC)——在金属加工领域尤其受欢迎，因为就加工而言，它们能够提供精确度、速度和工艺的可重复性。这类机械通常包括数控机床（CNC 机床，即“Computer Numerically Controlled Machines”（计算机数控机床）的缩写），它们是由计算机控制的，用于对各种材料进行切割、加工、钻孔等操作。鉴于几乎不可能达到的精度以及以其他方式生产零件的可能性，有必要在航空航天、汽车、医疗设备以及所有涉及材料和优质零件加工的领域提供数控铣床。通过使用数控机床，制造商和工程师可以消除人为错误，从而提高设备的整体效率，尤其是在大规模生产的情况下，同时保持高质量。

3D打印部件与CNC加工相结合的优势

1. 增强设计灵活性

3D打印与数控铣削的结合，成就了令人难以置信的复杂设计。3D打印拥有出色的几何结构和内部组件，而这些组件在其他方面难以实现。相比之下，数控铣削则更注重复杂而微妙的细节和饰面，需要细致的触觉和变化。当这两者——或者更确切地说，这三种加工工艺——结合在一起时，它们将为设计师带来前所未有的独特机遇。

2. 经济高效的原型设计和生产

 3D打印具有诸多优势，例如，在仅制造初始部件并使用数控机床进行最终固定时，节省时间和成本。该技术可以节省原材料，减少使用过程中的废料，将原型制作时的材料剩余量降至最低，并有助于检查部件是否合格；通常，最终生产步骤是借助数控铣削、车削、钻孔、切割等工艺进行高公差制造。

3. 缩短交货时间

这些技术的结合将加快原型制作的进度。现在，使用3D打印和CNC加工制造复杂零件已成为可能。在这种情况下，从生产或后期制作的时间来看，逐一操作比单独完成每项操作要快得多。

4. 提高材料效率

相反，3D打印会计算制造一件产品所需的材料量，从而减少浪费。此外，CNC加工技术无需对最终尺寸进行任何调整。它精度高，有助于节省时间并降低生产过程中的废品率。

5. 最佳强度和性能

3D打印非常适合轻质材料配置，而CNC加工则能提高精度，使零件公差更小，加工效果更佳。这种融合使得轻量化部件的构建成为可能，且不会在强度和功能上存在任何缺陷。

在 CNC 中使用 3D 打印零件有哪些优势？

1. 成本效益

使用3D打印技术可以生产初步部件，从而减少价值链过程中材料浪费的可能性。材料通过单一工序成型或获得，这在很大程度上仍然节省了材料损失和因机械加工而浪费的时间。

2. 设计灵活性

3D打印可以构建传统方法根本无法实现的形状。这些模型可以根据数控铣削编程的编排可能造成的误差进行改进。

3. 原型制作和测试

研发和早期提交将有助于重新设计叠加设计，保持较低的执行时间并实现有效、高效的资源利用。

4. 缩短交货时间

通过集成 3D 打印和 CNC，项目可以在更短的时间内完成，同时获得高质量的最终产品。

其中，不同品质的组件是延长产品效率的优势。

提高精度和表面光洁度

借助3D打印，CNC加工能够提升工艺的精度和表面光洁度。这是因为3D打印能够以中等精度创建复杂的形状，而CNC加工则能够进一步细化这些形状。例如，一项现代加工研究表明，CNC加工通常可以达到约±0.005英寸的公差，这非常低。因此，行业对精度的要求很高。此外，采用多种工艺有助于将表面光洁度提升到可使用的标准——确保粗糙度（Ra）不超过1.6微米（主要通过CNC加工实现）。

此外，3D打印技术带来的改进，例如定制刀具路径和数控机床的实时监控工具，将进一步改善最终质量，减少精加工过程中的误差。该报告预测，到70年，精密技术将应用于工业领域2025%以上的产品制造。精密加工与增材制造相结合，不仅可以减少材料用量，还能提高结构强度，生产出外观精美、功能强大的部件。这种技术在对精度和高质量精加工要求较高的领域尤为突出，尤其是在航空航天、医疗设备和汽车等其他通用性能标准更受青睐的领域。

制造过程成本效益

高效制造包括最大限度地利用产能、简化流程和运用新技术。他们遵循这样的逻辑论证：如果人们严格遵循关系定律，那么专注于精益生产技术将能够减少大量浪费并提高生产力。换句话说，找到这样的解决方案，我们就能克服所有障碍，在成本约束下实现卓越生产。

定制和复杂零件

该行业经历了重大变革。航空航天、汽车制造和医疗保健等各个行业领域都需要定制且复杂的零部件。预计10.2年至2023年期间，全球定制生产市场将增长2030%（复合年增长率）。这进一步表明了市场对定制制造的积极响应。

在当前的制造技术中，3D打印、数控加工和多轴机床在制造高精度复杂部件方面发挥着重要作用。例如，复杂的设计可以通过3D打印实现，从而减少制造商对模具的使用。这反过来又降低了生产成本，并缩短了产品制造时间，比以前快了约70%。

此外，采用精益制造等模块化策略，进一步增强了提供灵活制造解决方案的能力。工业实践表明，精益制造可将大多数故障减少40%，同时提升了引入众多独特设计的能力。借助人工智能软件和生成式CAD等技术进步，生产商可以在不牺牲生产力和完美度的情况下生产精密零件和复杂几何形状。

如何设计有效的 3D 打印 CNC 配件？

如果您正在寻找优质的3D打印CNC配件，请确保您已正确计算CNC的构思和局限性。使用CAD程序制作精确的模型，并根据正确的尺寸进行调整，使您的作品比例匀称。便捷性和耐磨性是基本要素，而材料的选择则取决于该配件的预期功能和使用过程中承受的压力。客户在仅考虑壁面在设计中的用途时，也可以使用其他重量的重量。不要忘记网格配置在壁厚调整中的重要性。在测试车辆建造完成后，最好对后续设计进行修改，以便在必要时进行改进。

设计和几何形状的关键考虑因素

1. 尺寸精度

确保模型测量正确，并应用缩放值以实现所需功能。公差需基于材料的收缩量。大多数工艺的收缩范围为 0.1 毫米至 0.3 毫米。

2. 室壁厚度

必须保持良好的壁厚，以确保材料的耐用性和良好的密封性。大多数零件的壁厚至少需要0.8毫米至1.2毫米，并根据应用和承载要求做出一些牺牲。

3. 悬垂结构和支撑结构

剪切悬垂角度应控制在45度或以下，以避免过度使用支撑材料。样式应考虑易于拆除支撑，且不影响最终产品的完整性或变形。

4. 圆角和倒角

所有尖角处均应留有凹槽，以便均匀释放应力，防止断裂。倒角设计有利于轻松插入孔内；在经常组装或零件需要精确定位的区域，倒角设计使插入更加方便。

5. 孔和间隙

因此，应调整孔径以适应实际负载应用中的正向膨胀。如果情况需要区域之间相互滑动且摩擦力不大，则实际应使用 0.1-0.2 毫米的典型间隙值。

选择合适的材料和金属零件

图像选择和机械结构设计必须谨慎，因为材料选择不当会影响设计机械强度、使用寿命和功能的充分发挥。在这方面，新的进展和趋势可以帮助我们在材料选择及其相关规范方面做出以质量为导向的决策。

1. 材料特性

以下列出一些通常在决定使用哪种材料时起着关键作用的材料特性。例如，铝以其低密度和高耐腐蚀性而闻名。它的强度重量比较低，常用于车辆和航空领域。相比之下，不锈钢具有较高的抗拉强度，并且耐任何形式的磨损和高温，因此适用于更艰苦或更高的环境。

2. 环境考虑因素

除了机械设计之外，材料选择现在也注重在机械设计之外运用“范围内”技巧。因此，替代材料是解决入口和展台材料使用问题的关键。在韦斯顿的众多价值观中，统计学家倾向于关注生产领域的某个领域，并与该地区的城市化研究形成有趣​​的对比。Orientation 和其他组织因其专栏定位目标（直至观察结束）而被视为姊妹组织。

3. 成本和可用性

虽然使用钛等材料具有诸多便利优势，但考虑到其价格昂贵，因此必须在性能需求与资源匮乏之间取得平衡。例如，高强度钢在没有其他材料的情况下会更经济；它很可能成为结构应用的首选方案。行业出版物提供的历史区域数据显示，随着供应链进一步下滑的势头有所缓和，某些工业材料（包括铝和钢）的子弹价格在2023年获得了一些温和的上涨势头。

4. 测试和验证

实际限制要求对金属结构的机械性能进行全面的测试和验证，例如抗拉强度、高温（HT）标度、疲劳试验等。设计工程师还会参考材料制造商报告的久经考验的测量方法，这些方法可能包含在完整的标准中，例如ASTM和ISO证书，这对于自信地选择最合适的材料非常有帮助。由石英纤维增强树脂制成的壁板或其他外壳是消耗品或一次性的，或者根据使用规范定期更换。

5. 特定应用指南

对于承受高机械应力的机械系统，铬钢（铬和钼）可能是首选。另一方面，铜及其合金具有出色的电流性能，尤其是在电路中。据估计，在此类结构中以及使用不同材料的情况下，即使在民用飞机中，减轻复合材料的重量也可以将飞机的效率提高约15-20%。

通过将这些因素与特定项目的特殊需求结合起来，可以根据期望并遵循新的设计和可持续性原则来确定要使用的最佳材料和金属部件。

优化工具兼容性和公差

为了达到规定的精度水平，必须避免使用任何可能失效或难以操作的工具。敏锐的区分不同材料的能力和相当高超的工艺水平始终必不可少，因为这与效率优化领域的最新发展相一致。

金属3D打印和CNC面临哪些挑战？

类别	金属3D打印挑战	CNC加工挑战
重大问题	高孔隙率影响零件强度	材料选择困难
结构问题	冷却过程中开裂	加工过程中刀具破损
流程问题	残余应力导致翘曲	复杂的编程要求
表面质量	粗糙表面需要后处理	表面不规则
成本因素	材料和机器成本高	昂贵的工具和设置
平台精度	零件密度不一致	保持严格的公差
设置	复杂的打印机参数调整	机器校准挑战

解决机械性能和表面问题

在制造过程中，机械性能和表面质量不容忽视，尤其是在增材制造 (AM) 和精密加工等现代生产方法中。为了增强这些性能，迫切需要了解影响材料选择的因素、所用工艺的参数以及完成后的程序。

1. 提高机械性能

最佳的机械性能通常通过精细调整材料成分和制造工艺来实现。例如，发展表明，改变金属3D打印中的热处理工艺，以提高拉伸应力-应变和延展性值，会带来诸多益处。《材料加工技术杂志》上的一篇研究文章指出，调整3D打印中的层厚和构建方向可以降低因烧结陶瓷产生的气泡而产生的内部气隙百分比，从而提高零件质量。由于神经模糊系统、遗传算法和粒度等其他各种因素的共同作用，材料性能也将得到提升。碳纤维增强复合材料等先进复合材料重量轻，非常适合航空航天和汽车工业。

2. 提高表面质量

不平整度的加剧是大多数先进工艺流程中偶尔引起关注的一个话题，尤其是在3D打印和数控设备加工领域。引用ScienceDirect上发表的一项2023年的研究，该研究指出，磨削、抛光和激光精加工等后处理技术可使表面粗糙度改善高达50%。此外，在生产过程中安装的现场监控系统也有助于减少后处理工序的数量。对于需要卓越表面处理的工艺，例如医疗植入物甚至光学设备，可以使用电化学抛光或高级涂层等方法。

工业界可以利用材料性能、加工制造工艺的进步，大幅提升零部件的强度和表面性能。因此，人们正在不断努力研发，力求使上述技术更加高效、经济、可靠，尤其是在高科技应用领域。

管理制造流程和产量

高效控制制造过程参数的优势需要最佳地使用先进的自动化工具、数字技术和有效的物流政策，以最少的成本和最少的浪费来满足生产量的要求。

如何在您的 CNC 加工设备中实现 3D 打印零件？

将 3D 打印材料集成到您的 CNC 工厂，可以确保工厂平稳运行并降低维护成本。此外，还必须确保工厂内某些组件或工具（例如尺寸合适的夹具、治具或原型）能够通过 3D 打印制造。这一步至关重要，因为需要购置 3D 打印机并选择与工艺相关的材料。由于存在特定的应用场景，因此在租赁打印机后，最好围绕相同的生产时间表进行安排……例如，尽可能使用 3D 打印快速测试概念或特定的小批量原型。定期为员工提供实时培训，让他们了解如何使用和应用 3D 打印和 CNC 等技术，从而提升团队能力。当然，这也有助于他们利用 3D 制造功能更高效地完成所有任务或工作。

设置 3D 打印和 CNC 的内部系统

类别	3D打印设置	CNC 设置
空间要求	通风良好且表面平坦的区域	专用、无振动的工作空间
电力需求	电力稳定，类似冰箱	适用于重型机械的高功率
设备	根据材料需求选择打印机	根据材料和精度选择机器
软件	用于 3D 建模的 CAD 软件	用于刀具路径编程的 CAM 软件
安全	通风排烟，操作时戴手套	安全防护罩、正确的工具处理
后期处理	清洁和固化零件的工具	用于表面精加工的精加工工具
培训实施	打印机操作员工培训	CNC编程和安全培训
合作	使用管理软件进行工作流程	复杂项目的团队协调

选择合适的技术和打印机

在根据自身需求选择合适的技术和打印机时，材料需求、数量、精度、产量和成本等多个方面都至关重要。3D打印和数控加工技术的发展使得企业必须研究这些技术在商业活动中的具体应用角度。

1.材料相容性

不同类型的 3D 打印和 CNC 加工支持不同的材料类型。例如，熔融沉积成型系统尤其适用于 PLA 和 ABS 等热塑性塑料，而立体光刻则更适用于精细的树脂材料。相比之下，CNC 机床可以制造大型零件，因为该系统能够处理更广泛的材料，例如金属（铝、黄铜）和坚韧的树脂。除了提高生产流程的灵活性外，CNC 机床还常用于升级设备，尤其适用于高强度要求的机器。

2. 精度和公差

3D打印机的层分辨率通常为100微米或更低，适合设计公差在合理范围内的原型。当代SLA技术的进步使其精度更高，分辨率可达25微米，适用于非常复杂的模型。CNC铣床也是如此，其可实现的公差约为±0.001英寸，这在加工高精度部件时至关重要。

3. 生产速度和规模

FDM 打印机能够以相对较低的成本立即生产出符合设计要求的部件。另一方面，CNC 加工在大规模生产中更具优势，因为它能够高速加工钢制部件。

4. 成本考虑

这关乎消费者愿意为打印系统、材料和服务支付多少钱，因此，这成为分析3D打印机市场潜在盈利能力的关键点。就具体设备而言，3D打印机的成本差异很大，从基础挤出式桌面FDM 200D打印机的约3美元到工业级SLA 5,000DP的3美元不等。加工inesign的攻击会带来几项成本，首先是数控机床需要投入大量资金来购置，最便宜的数控机床价格不低于5000美元到10000美元，具体取决于其产能。原材料、模具和机器维护等成本也必须在最终成本分析中计算出来。

5. 近期市场趋势

根据业内专家的最新报告，预计3年至23.3年，2023D打印市场的复合年增长率将达到2030%。与此同时，由于航空航天、汽车和其他制造业对定制零件的生产需求，对数控制造的需求也在不断增长。

因此，将这些要素结合起来，应该有助于企业根据既定目标和预算，找到最合适的技术和打印机。这还能为构思适用于各种新应用的3D打印和CNC加工技术提供战略性见解，从而规避其固有的局限性。由于3D打印机非常适合所有需要一定性能灵活性的应用，而CNC加工则非常适合要求极高精度和耐用性解决方案的应用，因此将这两种工艺相结合可以增加价值并满足大多数用户的期望。

培训您的团队采用高效的制造方法

培养组织中的人才、提升知识水平和创造个人所需的能力包括让一线员工获得使用这些机器上的 3D 打印和 CNC 进行设计和定位以及其他软件应用程序和防护服的实践经验，以确保实现资源的最佳利用，从而在最短的时间内提供高质量的输出。

案例

1. 为制造实验室开发 3D 打印机和 CNC 铣削台式机
   阅读 ASEE

2. 难切削材料自由曲面加工的三轴与五轴数控中心比较研究
   在 ScienceDirect 上阅读

3. 使用 3D 扫描在 CNC 机床坐标系中自动定位零件
   在 Springer 上阅读

常见问题

问：3D打印和CNC加工有什么区别？

答：3D打印是一种增材制造工艺，逐层构建零件。CNC加工是一种减材制造工艺，通过从实体块上去除材料来制造零件。根据零件的复杂程度和产量，每种方法都有各自的优势。

问：3D 打印机如何进行零件生产？

答：3D打印机的工作原理是逐层沉积材料（例如聚合物细丝），从而创建3D打印部件。这种方法可以制造出传统CNC加工难以实现的复杂形状。

问：我可以使用 CNC 路由器来打印 3D 部件吗？

答：CNC 雕刻机可以切割和成型 3D 打印部件，尤其是在需要额外精加工或安装功能的情况下。不过，部件的初始创建仍然需要通过 3D 打印机完成。

问：与 3D 打印相比，使用 CNC 加工服务有哪些优势？

答：CNC加工服务精度高，并且能够加工各种材料。由于CNC加工能够生产坚固耐用的部件，因此对于大型部件或需要各向同性特性的部件，CNC加工可能是首选。

问：控制器在CNC和3D打印中起什么作用？

答：CNC 和 3D 打印系统中的控制器负责管理铣床或 3D 打印机的运动。它负责解读设计文件，并确保机器精准运行，从而按照预期制造出零件。

问：规模经济如何影响3D打印和CNC加工之间的选择？

答：规模经济在生产选择中起着重要作用。数控加工由于生产速度更快，对于大批量生产来说可能更具成本效益，而3D打印则更适合小批量生产或高度定制的零件。

问：3D 打印部件可以使用哪些类型的材料？

答：3D打印部件的常用材料包括各种聚合物丝材，在某些情况下，还会使用金属粉末来实现更高级的应用。材料的选择取决于最终部件的预期性能。

问：与 CNC 加工相比，3D 打印有哪些局限性？

答：3D打印的局限性包括，与CNC加工相比，大型部件的生产速度较慢，表面光洁度可能较低。此外，CNC加工可能更容易实现某些复杂的几何形状。

问：CNC 和 3D 打印有哪些相互补充的特定应用？

答：CNC 和 3D 打印在零件生产中可以互补。例如，3D 打印可以创建复杂的设计或原型，而 CNC 加工可以用于这些零件的最终生产或精加工。