制造工艺相当复杂,生产方法的选择与此直接相关。
了解更多→此外,产品开发过程总是涉及塑料原型的创建。这意味着选择合适的生产技术对于此阶段至关重要。 CNC 加工和 3D 打印是生产此类物品的常用方法。但是,哪一个是更好的选择?本文将详细比较这两种方法,突出它们的优点、缺点和显著的区别。在准确性、效率、可用材料范围和成本效益方面,本手册可以指导您在权衡 CNC 和 3D 打印作为原型设计的替代方案时做出选择。

CNC加工和3D打印在工艺、应用和材料利用方面存在显著差异。
CNC 加工和 3D 打印在利用材料和制造产品的方式上有所不同。前者是一种减材工艺,从固体材料毛坯开始,然后剥离以获得最终形状。同时,后者会堆积聚合物、金属或复合材料的各层,从而使其成为一种增材制造工艺。此外,CNC 加工通常会使零件具有更高的精度和表面粗糙度,而 3D 打印在生产复杂设计方面具有独特优势,在原型阶段只需最少的材料浪费。因此,每种方法都特别适用于特定的用途或生产要求。
CNC 加工可与各种材料兼容,包括金属、塑料、木材和复合材料。常用的金属包括铝、钢、钛和黄铜,它们在需要高精度的应用中因其耐用性和强度而受到青睐。ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)、聚碳酸酯或尼龙等塑料也广泛用于轻质或耐腐蚀部件。CNC 加工通常使用木材和特定复合材料来定制工业或艺术产品。
另一方面,3D 打印支持的材料选择范围不断扩大,大致可分为聚合物、金属、陶瓷,甚至用于特殊应用的生物打印介质。在聚合物中,常用的有聚乳酸 (PLA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS) 和聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PETG),用于原型和功能部件。金属 3D 打印包括不锈钢铝钛钴铬,分别可用于生产航空航天和医疗行业的复杂、轻便、坚固的部件。此外,3D 打印制成的陶瓷材料也用于耐热电绝缘部件,非常适合工业用途。还有一些新兴发展,如含有碳纤维或玻璃增强聚合物的复合长丝,可增强其结构性能。
另一方面,每种方法与材料的特定兼容性表明了其强度;这使得所有行业能够根据设计要求、性能预期和成本效益优化其制造流程。
3D 打印的生产时间取决于所应用的技术、材料和生产对象的复杂性。例如,熔融沉积成型 (FDM) 的输出速度通常较慢,因为其采用逐层沉积的方法,复杂设计需要几个小时到几天的时间。另一方面,立体光刻 (SLA) 在高细节物体方面速度更快,因为光聚合物树脂可以高效地逐层固化。
与注塑或 CNC 加工等传统制造技术相比,3D 打印非常适合原型设计和小规模生产,因为它只需很少的设置时间。例如,传统的注塑可能需要数周时间才能准备好用于批量生产的模具,而 3D 打印机可以在一夜之间制造出工具或零件。尽管如此,在处理大量产品时,传统方法在速度和效率方面仍然优于 3D 打印。根据最近的报告,多射流熔合 (MJF)、连续纤维 3D (CF3D) 打印等现代发展带来的吞吐量的提高使某些应用的生产率比旧的 3D 打印方法快十倍。这些进步继续缩小增材制造和传统方法之间的差异,表明 CNC 优于 3D 打印。

大多数 3D 打印方法的尺寸精度和公差都比 CNC 加工更高。一般来说,CNC 加工的公差可达 ±0.005 英寸(±0.127 毫米),甚至更精细,具体取决于材料、设备和零件设计。精密的 CNC 机器通常可在 ±0.001 英寸(±0.025 毫米)的公差范围内运行,这使得它们非常适合制造精细部件或必须精确制造的部件。
另一方面,根据所采用的打印技术,不同的 3D 打印部件的尺寸精度和公差水平也各不相同。例如,熔融沉积成型 (FDM) 通常可实现 ±0.005 至 ±0.02 英寸(±0.127 至 ±0.5 毫米)范围内的公差,具体取决于层高和所用材料 [4]。除此之外,立体光刻 (SLA) 和选择性激光烧结 (SLS) 的精度更高,公差保持在约 ±0.002 – ±0.01 英寸(±0.05 至 ±0.25 毫米)。然而,多射流熔融 (MJF) 等新方法现在正在接近传统方法,能够实现高达 ±00 2 英寸的极限,尤其是小型或中型部件 [4]。
最终选择哪种方法取决于应用的独特需求。在需要极高的精度和良好的表面光洁度的情况下,CNC 加工是首选方法;然而,增材制造方法正变得越来越先进,从而缩小了这一差距,同时提供了其他好处,例如复杂的形状和更少的材料使用。
对于表面光洁度质量,考虑 CNC 加工和增材制造技术非常重要。CNC 加工提供的表面光洁度非常出色,可实现约 0.4 µm Ra 的粗糙度水平(具体取决于材料和切削参数),这可能是选择性零件的要求。铣削或车削等 CNC 工艺可以精确去除材料并留下光滑一致的表面(Schneider 等人,2013 年)。此外,诸如金刚石刀具之类的工具可以增强高要求应用的光洁度。
相反,增材制造由于采用逐层构建工艺,通常会产生更粗糙的表面。常见的 3D 打印技术,例如熔融沉积成型 (FDM) 或选择性激光烧结 (SLS),其表面粗糙度在 5 µm 至 20 µm Ra 之间变化,具体取决于层高和材料特性等。尽管如此,通过增材制造方法(例如基于树脂的立体光刻 (SLA) 或多喷射熔融 (MJF)),表面质量已得到极大改善,在某些情况下可达到低至 0.8 µm Ra 的值;这还可能涉及旨在实现更好表面光洁度的后处理程序,例如打磨、抛光或化学平滑,从而增加制造这些部件的时间和成本(Islam 等人,2020 年)。
总之,对于需要顶级表面光洁度和严格公差的应用,CNC 加工仍然是最佳选择。尽管如此,增材制造正在发生变化,技术和后处理方法的进步正在逐渐缩小表面质量的差异。
CNC 加工的后处理替代方案。
去除支撑物——去除打印过程中使用的支撑结构

影响数控加工成本的因素
low-体积
各种因素决定了传统制造方法(例如注塑成型)还是增材制造技术(例如 3D 打印)是否是小批量生产最具成本效益的方式:
结语
有时,3D 打印比传统制造方法更适合小批量生产。该技术能够减少初始投资、在小批量下保持有竞争力的单位成本并缩短生产交付周期,因此非常适合用于原型设计、不寻常的几何形状和限量版产品。
在评估扩大生产的成本影响时,考虑传统制造和 3D 打印中的主要成本驱动因素至关重要。
传统制造工艺(例如注塑成型或 CNC 加工)的规模化生产通常会导致单位成本下降。这一现象很大程度上是由于规模经济。在大量摊销包括工具和设置在内的前期成本后,每件产品的生产支出会大幅下降。例如,注塑成型可能需要在工具上进行初始投资,根据零件的复杂程度,投资额在 5,000 至 50,000 美元之间,但在大批量生产中,后续单元的成本可能只有几美分甚至几美元。超过特定产量水平(通常是数千个单元)时,传统方法往往更具成本效益,固定成本平均分摊在所有单元中。
3D 打印则不然。另一方面,由于这种方法是一种逐层生产技术,因此无论打印多少件,每个 3D 打印对象的成本都保持相当稳定,当产量增加时,材料使用量或单位所需时间不会显著减少。与在中小型生产周期中对模具或工具进行大量前期投资相比,这是一件好事。这意味着,通过将设计灵活性和更短的交货时间纳入考量,3D 打印通常可以在生产量低于 500-1000 件时保持竞争力,但超出这个范围后,成本效益就会开始降低,因为它无法像传统制造那样扩大规模。
显然,扩大生产规模代表了这些方法之间的巨大差异。例如,传统制造最适合大批量抵消规模经济带来的成本的场景,而需要复杂定制且不会产生任何额外成本的中低水平生产更适合 3D 打印。根据其特定的生产需求,组织应在确定合适的制造方法时考虑这种折衷方案。

关于 CNC 加工,我知道它的几何约束主要来自切削刀具和机器的接触。内部尖角的困难通常是由于刀具的圆度,导致这些地方有半径。此外,由于刀具接触范围和干涉的限制,非常深的凹槽或复杂的底切可能非常难以加工甚至无法加工。同样,我也欣赏一些设计可以得到改进,以便机器能够尽快接触到所有表面。
根据所使用的打印机类型和技术,3D 打印的尺寸限制存在很大差异。例如,桌面 FDM(熔融沉积成型)打印机的构建体积通常为 150 x 150 x 150 毫米到约 300 x 300 x 400 毫米。但是,工业级 3D 打印机可以支持更大的尺寸,其中一些打印机的构建尺寸超过或接近约 1,000 x 1,000 x 1,000 毫米。例如,通常用于原型设计和制造的大尺寸 FDM 打印机可以容纳沿一个轴接近两米的尺寸。
光学系统(包括树脂桶)限制了 SLA(立体光刻)或 DLP(数字光处理)的打印尺寸,从而使其构建面积小于其他模型。通常,尺寸范围从小型办公室版本每边略大于一百毫米到工业模型每轴近三百毫米不等。
直接金属激光烧结 (DMLS) 和电子束熔化 (EBM) 是金属 3D 打印工艺,打印室尺寸约为每边 XNUMX 英寸到 XNUMX 英寸。与此同时,这些限制已经被大规模金属打印的新技术所超越;
尽管它们具有令人印象深刻的功能,但这些尺寸限制通常需要对其进行分割和后期组装。在考虑任何给定应用的实际尺寸限制时,诸如打印机的设计、与所用材料的兼容性或构建系统中的热/结构稳定性等因素也很重要。
材料特性在选择 CNC 加工和 3D 打印作为特定应用的最合适制造方法时起着至关重要的作用。CNC 加工适用于金属(例如铝、钢、钛)和一些塑料,因为它在生产高强度、耐热和韧性的零件方面表现最佳。它可以高精度地加工致密而坚硬的材料;因此,它是航空航天工业、汽车行业和医疗领域等需要机械性能的不同应用的选择。
3D 打印的工作原理有所不同,它使用增材制造技术,允许使用光聚合物材料,如热塑性塑料(例如 PLA、ABS、尼龙)、选择性金属或复合粉末。材料科学的最新进展已导致生产出具有增强的柔韧性、抗拉强度和对恶劣条件的耐受性的高性能物质。尽管如此,与计算机数控加工制造的材料不同,这些材料通常不表现出各向同性的机械性能,因为它们是逐层构建的。
例如,研究结果表明,CNC 加工铝材的屈服强度超过 400 MPa;这使得它成为承重部件的必备材料,而 3D 打印铝材的抗拉强度通常约为 210-220MPa,具体取决于所用的打印方法。同样,PLA 等常见热塑性塑料的抗拉强度通常约为 60 MPa,这适用于原型制作,但不适合 CNC 加工 Delrin 或尼龙等重型应用,后者的抗拉强度很容易超过 70-80MPa。
此外,材料兼容性也会影响成本考虑,尤其是当零件需要不适合传统 CNC 加工工艺的材料时。CNC 加工的减材技术通常会导致材料浪费增加,而 3D 打印则最大限度地减少了材料的浪费。另一方面,一些 3D 打印材料(包括高性能聚合物和金属粉末)可能更昂贵,需要专门的后处理方法来增加功能特性。
最后,CNC 和 3D 打印之间的决策很大程度上取决于特定材料的需求,包括机械性能、表面光洁度、热性能和预期应用的成本限制。

CNC 加工对于需要高精度、严格公差和出色表面光洁度的项目特别有用。航空航天、汽车和医疗器械制造业都依赖于 CNC 加工,这种加工在许多情况下可以生产精度高达 0.001 英寸的组件。因此,它可以用于即使是微小的错误也可能损害其功能或安全性的应用中。
CNC 加工还适用于制造具有高材料稳定性和抗变形性的塑料部件。例如,可以加工工业级 PEEK、Delrin 或 PTFE 等高级塑料,以获得一致的机械性能和性能。根据最近的行业数据,与增材制造技术 (AM) 相比,CNC 加工对于中小批量项目(数百或数千个精确复制品)的生产速度更快,因此如果需要生产数百或数千个相同的部件,CNC 加工是一种经济的选择。
CNC 加工的能力和可重复性是区别于 3D 打印工艺的另一个关键方面。在需要大量复制复杂设计的情况下,CNC 机器可确保在所有迭代中保持一致性。此外,在处理承受巨大压力的零件时,它们在结构内提供均匀的密度,没有弱点,与 3D 打印机制造的零件相比,它们可生产出无故障的组件。这使得它非常适合在施工期间支撑或承载重物。
在创建精细而精确的设计时,是否使用 CNC 加工在很大程度上取决于零件的复杂性。CNC 机器可实现高水平的细节处理和严格的公差,使其适合生产具有复杂特征的零件。然而,这会增加加工时间和成本——这些因素应该得到充分考虑。尽管如此,对于要求精确结果的应用,CNC 加工仍然经常被选择。

3D 打印具有几个显著的原型制作优势:速度、成本效率和设计灵活性。与传统方法相比,它可以快速生产原型,缩短交货时间。此外,这种低成本技术消除了小批量生产所需的昂贵工具或模具。此外,它支持复杂和定制的设计,使工程师能够快速迭代和改进模型。所有这些优势使其成为早期产品开发和创新的理想选择。
定制零件设计或详细的最终用途 3D 打印更适合生产少量零件。这些行业包括医疗保健、汽车和航空航天,因为它们大多需要小批量生产或个性化组件。此外,3D 打印通过实现按需制造来降低库存和交货时间。

CNC 加工和 3D 打印可以通过多种方式协同工作以优化制造。在快速原型和复杂几何形状的创建中,3D 打印无可匹敌,但 CNC 加工在准确性、表面光洁度和精度方面更胜一筹。最常见的方法是使用 3D 打印制作近净形状元素,然后再使用 CNC 加工进行精加工操作。这种混合方法减少了材料浪费和生产时间,因此在两种选择中很受欢迎。
在航空航天工业中,通常使用 3D 打印生产具有复杂晶格结构的内部组件,以在不影响强度的情况下尽量减轻重量。然后通过 CNC 加工工艺完成此类产品,从而确保满足关键公差并且最终表面看起来光滑。此外,这些方法提高了材料的性能。同时,先进的复合材料或轻质聚合物已用于 3D 打印,这些材料可以通过采用 CNC 加工进行精炼,以用于高性能应用。
最近的案例研究显示,同时利用这两种工艺的中小型生产运行可减少高达 50% 的成本,并缩短 30% 的交货时间。当增材制造的优势与减材加工相结合时,可以提高快速成型或最终用途零件生产的效率、灵活性和创新性。
汽车行业的工具制造
混合制造的典型代表是汽车行业的定制模具生产。制造商越来越多地采用 3D 打印通过金属增材制造开发模具,从而以最少的材料浪费获得近净成型结构。然后通过 CNC 加工对后者进行微调,以达到注塑或冲压工艺所需的尺寸精度。事实证明,这种方式能够将模具生产时间缩短约 XNUMX%,同时将材料消耗减少约 XNUMX%,因此既经济又环保。
航空航天应用的金属部件制造
航空航天公司已将混合制造工艺应用于涡轮叶片和其他喷气发动机部件。例如,3D 打印可构建复杂的几何形状,如通常由耐热超级合金制成的内部冷却通道。使用 CNC 进行后加工可确保产品满足极端操作环境所需的严格公差和表面光洁度。研究结果表明,这种方法可以减轻重量高达 XNUMX%,同时改善或保持机械性能不变,从而提高现代飞机的燃油效率。
定制医疗植入物
医疗行业在此应用混合制造技术来制造定制植入物,例如髋关节置换或颅骨板。3D 打印提供了一种途径,通过该途径可以使用钛合金等生物相容性材料设计出与患者特定解剖结构相匹配的部件。铣床可对关键表面(包括界面区域)进行精加工,以实现完美贴合和光滑度。与传统方法相比,此过程可实现更高水平的定制,从而改善患者的治疗效果并将生产时间缩短近 30%。
能源相关应用
此外,在制造叶轮和泵壳等能源行业的关键部件时,混合制造被广泛采用。增材制造有助于制造这些部件,使其内部特征针对流体动力学进行优化,而 CNC 加工可实现外部精度和装配兼容性。这种组合缩短了交货时间,一些操作的生产周期比标准方法快 45%。
因此,组织能够通过在各个行业部署混合制造来确保最佳性能、成本节约和可持续发展目标。增材制造和减材制造方法的集成可以提高制造精度和效率,从而为制造工作流程开辟新的维度。
答:3D 打印是一种增材制造工艺,通过逐层构建物体,而 CNC 加工是一种减材制造技术,从实心块中切割材料。3D 打印通常更适合复杂几何形状和小批量生产,而 CNC 加工可以实现更高的精度和更多的塑料原型材料。
答:如果您的零件几何形状复杂、批量较小或需要快速成型,则可以使用 3D 打印。此外,当零件具有内部空腔或难以通过 CNC 铣削获得的复杂特征时,3D 打印也大有裨益。
答:使用 CNC 加工制作塑料原型的优点包括精度更高、表面质量更好、材料可用性更高。此外,CNC 机器提供更严格的公差;因此,它们通常用于需要特定机械性能或紧密模仿最终产品的部件,尤其是当考虑金属部件时。
答:零件几何形状会影响使用 3D 打印还是 CNC 加工效果最佳。它非常适合生产具有复杂细节的零件,例如有机形状和复杂内部结构的零件。CNC 更适合根据可轻松使用的切削工具制造具有简单几何形状和平坦表面的零件。在决定使用哪种方法时,请查看原型的几何形状。
答:3D 打印通常使用热塑性塑料长丝,如 PLA、ABS 和 PETG,以及用于 SLA 打印的树脂基材料。另一方面,CNC 加工提供了更广泛的材料选择,包括尼龙、聚甲醛和 PEEK 等工程塑料。对于您的原型,如果它具有特定的材料特性或需要由与最终产品相同的材料制成,那么 CNC 加工可能是首选。
答:但是,生产速度取决于许多变量;一般来说,对于小批量的复杂部件,3D 打印速度更快,而使用 CNC 铣削可以快速生产形状简单的大型部件。例如,3D 打印机一层一层地构建部件,如果是大型或坚固的物体,这可能会耗费时间。与此相反,使用 CNC 铣削可以快速制造,尤其是在处理较软的塑料时,但对于更复杂的细节,设置时间可能需要更长的时间。
答:在决定使用哪种方法时,请考虑零件的几何形状、所需的精度、材料特性、批量大小和生产速度。使用 CNC 和 3D 打印检查每种工艺的优势,看看您的需求如何。对于复杂的一次性原型,可以选择 3D 打印。对于必须满足严格公差或特定材料的原型,CNC 加工可能更合适。在某些情况下,两种方法都可以使用,以获得最佳结果。
1. 标题:3D 打印假设和 CNC 加工条件对所选 PET 材料机械参数的影响
2. 标题:使用 CNC 铣削确定 3D 打印 PLA 部件的最佳合适切削刀具
3. 标题:3D打印——药物研发和医疗保健领域一项前景光明的革命性技术
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