原型实验室选 3D 打印还是 CNC 铣削?实用指南

准确评估搭建原型实验室所需,首要任务是抉择:3D 打印 vs CNC 铣削。
两者在现代制造流程中都至关重要,各自拥有相较传统制造方法的优势清单。归根结底,3D 打印 vs CNC 铣削,“选择用 CNC 机床还是 3D 打印机做原型,取决于几件事:价格区间、零件/原型尺寸、使用材料类型。”
所以我们决定澄清事实、消除几个误解。虽然 3D 打印无疑有其地位,但评估 CNC 铣床在工业原型中的优势时,切勿短视。
以下从定义、历史、应用、前景拆解两大工艺,随现代制造持续演进。最终希望这信息能指引你决定:搭建原型实验室时,你的业务具体需要什么。
定义 3D 打印 vs CNC 铣削
3D 打印简单解释:“一种制造工艺,通过增材或分层开发框架,逐层铺设创建三维实体对象。能创建物体的物理 3D 模型。”因此 3D 打印也称增材制造。
Investopedia 指出:“3D 打印技术已提升制造生产力,潜力巨大——若能成功用于大规模生产、制造更本地化,将大规模颠覆制造物流和库存管理行业。”
另一方面,“计算机数控(CNC)机床通过嵌入微型计算机的软件自动控制机床工具。常用于制造金属和塑料零件加工。”
关于 CNC 的常见误解:自动化控制有代价——字面意义上的代价。CNC 常被误认为更贵,部分因认为需要高技能劳动力。现实中,CNC 加工已显著远离这些初始真相。
3D 打印简史
现代 3D 打印应用植根于 1980 年代初。3D 打印史是快速演进史。1981 年 3D 打印诞生后,1984 年光固化立体成型(SLA)诞生——“一种 3D 打印技术,用光化学过程使化学单体链接成聚合物,逐层创建模型、原型、样件、生产零件。”

医疗行业迅速抓住 3D 打印进展:1999 年 Wake Forest 再生医学研究所(Anthony Atala 医学博士领导)宣布成功打印并生成人类膀胱组织,植入患者体内,因源自自身细胞结构或支架,免疫排斥风险极低。
快进到 2016 年,“研究所宣布成功用研究者十年设计的专用 3D 打印机打印活体组织结构。科学家打印耳、骨、肌肉结构,植入动物后成熟为功能性组织并形成血管系统。”
目前,“最先进的预期 3D 打印应用是复杂器官生物打印。估计离全功能可打印心脏不足 20 年。”
工业快速原型用 3D 打印方面,“制造商在更广泛制造策略中对 3D 打印依赖度增加,生产用途受访者占比从 2018 年 38.7% 升至 51%。”
Forbes《2019 3D 打印现状》亮点不应令人意外:
研究设计涵盖八大行业:工业品(13.6%)、高科技(10.6%)、服务(9.9%)、消费品(8.6%)、医疗健康(6.2%)、汽车(5.7%)、航天国防(5.5%)、教育(4.9%),展现 3D 打印支持多元垂直领域的多样潜力。

然而在《制造之战:增材 vs 减材》中,CNC 机床称霸:“尽管增材制造在航天汽车业取得显著进展,CNC 加工仍是绝大多数制造商的首选。”
CNC 铣床如何诞生
《CNC 100 历史与定义》概述:CNC 机床原称 NC 机床,“由复杂电路控制。NC 机床从打孔纸带或聚酯带的零件程序中逐行读取执行代码。”
小型计算机技术演进,计算机开始控制机床工具;由此诞生 CNC 制造工艺。从第一行代码起,CNC 机床发展出存储数百程序的能力。
CNC 机床工具深度历史见 Encyclopedia.com。值得注意的关键里程碑:
- 木工车床上溯圣经时代,但 1800 年 Henry Maudslay 发明金属车床。
- 1818 年 Eli Whitney(以发明轧棉机闻名)引入首台铣床。
- 两机均需人工操作,导致成品有人为误差。
- 二战后,John T. Parsons 引入首台现代铣床,融入早期 IBM 计算机。
- 1960 年代价格下降、机床更易获取,成为更多应用和行业核心。
- 集成电子进步,纸/聚酯带被淘汰,现代机床从程序计算机内存读取数据。

目前,“使用 CNC 机床的常见制造工艺包括弯曲、钻孔、冲孔、胶合、磨削、激光切割、火焰/等离子切割、铣削、拾取放置、超声焊接等。铣床、车床、电火花加工、水刀切割常基于 CNC 运行。”
快速回顾 3D 打印和 CNC 机床历史,证实两者搭建原型实验室时均有潜力优化制造流程。
评估增材 vs 减材制造工艺
为确定原型实验室需 3D 打印还是 CNC 铣床,首先考虑你的产品设计是否更适合增材 vs 减材制造工艺高效交付。
减材相对增材的关键优势:“除了消除增材分层,减材工艺还有其他优势。提供多种表面光洁度,消除许多增材工艺常见的‘阶梯面’。光洁度在零件需滑动时功能重要、原型用于市场测试时外观重要。”
考虑这些工艺支持的应用类型有帮助。
理解增材 vs 减材应用
虽然是后来者,“增材制造已用于生产令人印象深刻的产品阵列。”这些产品主要集中在:航天、汽车、医疗、产品开发。
尽管 3D 打印在各行业趋势显著,事实依然:“减材制造让你有机会用最终使用材料设计、原型、制造。适合大小批量生产、获取特定光洁度、获取特定力学性能的零件。”
因此,“减材工艺在制造中极广泛应用……车削、铣削、钻孔、锯切、螺纹加工、齿轮加工是传统在专用机床上进行的涉及金属切削的减材工艺例子。”

除应用外,权衡 3D 打印和 CNC 加工还有其他因素。
关注噪音与振动
想到 CNC 加工基础工具:铣床、车床、等离子切割、电火花、多主轴机、水刀,不难想象减材制造产生的噪音振动比 3D 打印等增材制造大得多。视你的选址,这将决定最佳原型实验室配置。
哪个更易操作?3D 打印机还是 CNC 机床
总体上,3D 打印被吹捧为比 CNC 更易操作。主因:“文件准备好后,只需选零件方向、填充、支撑(如需)。打印开始后无需监管,打印机可无人值守直到零件完成。”
因 CNC 涉及更多人工,普遍认为 CNC 需受过训练的机加工。过去或许,但时代变了。
我们的 DATRON 机床集成多项功能实现易设置。事实上,机床能引导新手完成首次 CNC 机床设置的完整八步流程。平均仅需 1-2 天培训即可舒适自信使用技术。
界面设计外观和功能类似智能手机,配备摄像头和机械探测系统,自动识别零件,免去技术员手工录入。集成工装解决方案和切削刀具技术全内含,移除外采同类组件需求,全流程内部化。
知晓限制:精度、尺寸、几何复杂度
考虑 3D 打印 vs CNC 加工——哪个是你原型的最佳选择?Josh Biggs 称:“CNC 加工是追求极佳尺寸精度的好选择。此外,CNC 能加工尚无法打印的材料如木材。CNC 加工金属也更强,塑料同样适用。”

他继续断言:“此外,CNC 机床通常提供更精确结果。需要极窄件或极紧公差时 CNC 更好。无东西能匹敌 0.01mm 公差。”
甚至致力于增材制造细节的 3Dnatives 团队也报告减材制造显著优势:“就公差而言,CNC 加工优于所有 3D 打印工艺。”
但制造高几何复杂度零件时,3D 打印有优势。
权衡成本:3D 打印 vs CNC
制造非单一解决方案。原型实验室所需资金取决于产品是什么、尺寸多大、生产多少件。

例如,据 Biggs 简单成本效益分析:
Interesting Engineering 发布《CNC 加工生产常见误区》,打破 CNC 昂贵迷思:
显然,你业务最具成本效益路径取决于具体产品设计和计划。
3D 打印机选项、尺寸、价格跨度巨大,能实际打印的材料也五花八门。加上未知或未定义的材料成本,操作员通常需资深专家培训,代表人员教育投入。
DATRON 设备兼容任意供应商的塑料、木材、铝、钢,让你提前估算确立材料成本。如前所述,无需高阶培训操作我们机床,节省人力成本,使 DATRON CNC 机床成为更具成本效益的替代方案。
变废为宝
鉴于减材制造本质——剥离材料层创建产品——更别提所需 CNC 加工工具类型,CNC 机床留下些许“烂摊子”不足为奇。

烂摊子有多大、废料意味什么,Energy.gov 在 2015 年评审《先进制造创新清洁能源技术》中评估。报告强调增材制造潜在优势:“通过消除生产步骤、使用大幅更少材料、实现副产品再利用、生产更轻产品来节能。”
报告继续:
推出更清洁的做法
DATRON 精调高速加工设备以消除烂摊子,使成品无需去毛刺、脱脂即可取出。
更进一步,DATRON CNC 刀具和配件在市场最小占地机床上提供最高 RPM——视为我们自己的绿色倡议。
典型工业级 CNC 铣床配大电机,产生大量热,需油冷却润滑机床部件。处置废油必要,但过程有环境风险,过去重大泄漏事件证明。
因我们不需同等热量、油、大水冷却维护机床,从更小占地获得更好节能。
结论:3D 打印 vs CNC 加工
你专业原型实验室需 3D 打印还是 CNC 加工,取决于具体产品。虽希望分享信息带来清晰,真相是两者皆可行——甚至互补,视制造需求而定。
事实上,有几种情况应结合 3D 打印和 CNC 加工,主因是公差、时间、显著大工件;而且,“结合这两工艺不需要你想象的复杂工作流。同样重要的是,能为制造公司带来多项实质性收益。”
想深入探讨适合你原型实验室的制造工艺或组合工艺,联系我们。我们响应迅速、乐于分享专业知识。
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