3D打印與CNC、注塑和金屬粉末注射成型之間的工藝差異

 

發(fā)布日期：[2024/3/6]
 

3D打印最初是作為快速成型的一種方法而創(chuàng)建的，它也被稱為增材制造，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為真正的制造過程。3D打印機(jī)使工程師和公司能夠同時(shí)生產(chǎn)原型產(chǎn)品和最終用途產(chǎn)品，與傳統(tǒng)的制造工藝相比，它具有顯著的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)包括實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制、增加設(shè)計(jì)自由度、允許減少裝配，并且可以作為一個(gè)經(jīng)濟(jì)高效的小批量生產(chǎn)過程。

CNC機(jī)加工和3D打印的對(duì)比

材料上的差異

3D打印的材料主要有液態(tài)樹脂（SLA）、尼龍粉末（SLS）、金屬粉末(SLM)、線材（FDM）等。液態(tài)樹脂、尼龍粉末和金屬粉末占據(jù)了工業(yè)3D打印的絕大部分市場(chǎng)。

而CNC機(jī)加工用的材料全部都是一塊一塊的板材，通過測(cè)量出零部件的長(zhǎng)寬高+耗損，再去切割對(duì)應(yīng)大小的板材用于加工。CNC機(jī)加工材料選擇比3D打印多，一般的五金類和塑料類板材都能進(jìn)行CNC機(jī)加工，而且成型部件致密度要比3D打印好。

因成型原理導(dǎo)致的零件差異

3D打印是把模型切割成N個(gè)層/N個(gè)多點(diǎn)，然后按照順序一層一層/一點(diǎn)一點(diǎn)堆積起來，就像搭積木一樣。因此3D打印能有效地加工出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，如鏤空零件，而CNC則很難實(shí)現(xiàn)鏤空零部件的加工。

CNC加工是減材制造，通過高速運(yùn)轉(zhuǎn)的各種刀具，按照編程刀路切割出所需零部件。因此CNC機(jī)加工只能加工出有一定弧度的圓角，外直角CNC機(jī)加工沒問題，但無法直接加工出內(nèi)直角，要通過線切割/電火花等工藝來實(shí)現(xiàn)。此外對(duì)于曲面而言，CNC機(jī)加工加工曲面很耗時(shí)，而且如果編程和操機(jī)師傅經(jīng)驗(yàn)不夠，很容易在零部件上留下明顯的紋路。對(duì)于具有內(nèi)直角或曲面面積比較多的零件，3D打印則不存在加工困難的問題。

有人將3D打印比作用蛋糕粉堆積成一個(gè)蛋糕，CNC則是把大蛋糕切成一塊塊小蛋糕，比喻較為貼切。

操作軟件上的差異

3D打印的切片軟件大都操作簡(jiǎn)單，在專業(yè)指導(dǎo)下一兩天時(shí)間就能熟練操作切片軟件。切片軟件目前優(yōu)化得十分簡(jiǎn)單，支撐可以自動(dòng)生成，這也是為什么3D打印能普及到個(gè)人用戶。

CNC編程軟件則復(fù)雜的多，需要專業(yè)人士來操作，零基礎(chǔ)的人一般要學(xué)半年左右的時(shí)間。另外還需要一名CNC操機(jī)師傅去操作CNC機(jī)器。比較常用的有UG、MASTERCAM、CIMATRON，還有國產(chǎn)的精雕。這些軟件的學(xué)習(xí)均有一定難度。

一個(gè)零部件能有很多種CNC加工方案，編程十分復(fù)雜。而3D打印則只會(huì)因?yàn)閿[放位置對(duì)加工時(shí)間耗材有一小部分的影響，相對(duì)來說較為簡(jiǎn)單。

后期處理上的差異

3D打印的零部件后處理選擇不多，一般都是打磨、噴砂、去毛刺、染色等等。而CNC機(jī)加工的零部件后處理選擇五花八門，除了打磨、噴油、去毛刺，還有電鍍、絲印、移印、金屬氧化、鐳雕、噴砂等等。

CNC機(jī)加工和3D打印各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。選擇合適的加工工藝更為重要。

3D打印技術(shù)與注塑成型技術(shù)的區(qū)別

塑料注塑成型是指在一定溫度下，通過螺桿攪拌完全熔融的塑料材料，用高壓射入模腔，經(jīng)冷卻固化后，得到成型品的方法。該工藝始于20世紀(jì)20年代，已有近百年的發(fā)展歷史，是目前使用非常廣泛、非常成熟的工業(yè)制造技術(shù)。

在塑料制造產(chǎn)業(yè)中，3D打印與注塑成型經(jīng)常被拿來PK，關(guān)于3D打印是注塑成型的終結(jié)者的言論也比比皆是。對(duì)于制造商來說，二者的競(jìng)爭(zhēng)力究竟誰高誰低也是他們*關(guān)心的話題之一。那么，3D打印技術(shù)與注塑成型又有什么區(qū)別呢？

生產(chǎn)模式

注塑成型工藝只要有注塑模具，就可以低成本、大規(guī)模地生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，因此，對(duì)于傳統(tǒng)大批量、大規(guī)模制造來說，目前注塑成型仍然是*佳選擇。

而3D打印機(jī)不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具、機(jī)床或任何模具，就能直接把計(jì)算機(jī)的任何形狀自動(dòng)、快速、直接和比較*地將計(jì)算機(jī)中的三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型，得益于3D打印機(jī)大異于傳統(tǒng)注塑成型工藝的特性，越是復(fù)雜非實(shí)心的物體，加工速度越快，越節(jié)省原材料成本，因此比較擅長(zhǎng)個(gè)性化、多樣化產(chǎn)品的制造。

制造成本

由于注塑成型的原材料的廣泛易得，其大規(guī)模、快速進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的特性，也有利于降低單個(gè)產(chǎn)品成本，因此，從制造成本而言，注塑成型的成本遠(yuǎn)低于3D打印技術(shù)。

不過，對(duì)于工業(yè)制造來說，3D打印真正節(jié)約成本的環(huán)節(jié)在于修改原型環(huán)節(jié)，修改原型只需要修改CAD模型，不會(huì)產(chǎn)生任何制造成本。

而在注塑成型中，如果原型是鋼材模具，修改成本會(huì)相對(duì)較低，但如果使用的是鋁合金制模工具，成本就要高出很多。這也是目前很多從事模具設(shè)計(jì)的企業(yè)或個(gè)人，會(huì)選擇3D打印機(jī)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)打印的原因。

應(yīng)用領(lǐng)域

目前，注塑成型工藝能夠?qū)崿F(xiàn)批量制造形狀一致的物品，因此非常適合大批量的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品制造。

3D打印只需通過控制終端輸入三維圖像，就能將原材料打印成實(shí)物模型，甚至直接制造零件或模具，從而有效地縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期。目前，3D打印已廣泛在創(chuàng)客、建筑設(shè)計(jì)、模具模型設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到成熟應(yīng)用。

粘結(jié)劑噴射金屬3D打印與注射成型的對(duì)比

金屬注射成型(MIM)是一種用于金屬零件大批量生產(chǎn)的強(qiáng)大制造工藝。但粘結(jié)劑噴射金屬3D打印以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)提供了一種引人注目的替代方案。

粘結(jié)劑噴射金屬3D打印采用陣列式噴頭，把CAD模型切片得到一系列二維數(shù)據(jù)。根據(jù)切片得到的二維圖形，在金屬粉末床中選擇性的噴射粘結(jié)劑來固化成型，層層疊加制作完成整個(gè)初坯零件。然后將初坯零件通過預(yù)燒結(jié)得到一定強(qiáng)度后，進(jìn)行清粉。*后通過高溫?zé)Y(jié)將粘結(jié)劑去除并實(shí)現(xiàn)粉末顆粒之間的熔合，從而得到高致密度和高強(qiáng)度的零件。兩種技術(shù)之間既有相同之處，也有不同之處。

粘結(jié)劑噴射金屬3D打印與注射成型的異同點(diǎn)

首先3D打印的設(shè)計(jì)約束少，逐層制造零件的特點(diǎn)使該技術(shù)具有更好的設(shè)計(jì)自由度，原則上來可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜形狀零件的打印。這也意味著可以將幾個(gè)零件整合——幾個(gè)連接件可以被一個(gè)零件取代，但實(shí)現(xiàn)的功能一樣——從而減少零件數(shù)量并縮短裝配時(shí)間。而MIM的設(shè)計(jì)需要考慮零件脫模，所以限制了一些形狀，無法像3D打印一樣制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。不過，粘結(jié)劑噴射金屬3D打印后期燒結(jié)工藝因?yàn)橹亓湍Σ烈约笆湛s的影響，不擅長(zhǎng)加工無支撐結(jié)構(gòu)的大面積薄壁件，也不善于制造細(xì)枝樹狀零件等。

其次成型工藝不一樣，粘結(jié)劑噴射金屬3D打印采用陣列噴頭選擇性的噴射粘結(jié)劑固化而成，而MIM則采用模具注射成型。但是兩者的后處理工藝是相同的，均需要高溫?zé)Y(jié)。燒結(jié)后，3D打印的零件致密度可以達(dá)到98%以上，與MIM工藝相近。但是由于MIM需要專門的脫脂過程，決定了不可能做很厚實(shí)的零件。

第三，粘結(jié)劑噴射金屬3D打印的制造步驟比MIM少。MIM需要開模，而粘結(jié)劑噴射金屬3D打印可以直接打印零件。因?yàn)閷?duì)于小批量的加工速度明顯優(yōu)于MIM工藝。并且，MIM的模具一旦加工完成，就不容易調(diào)整。所以在不增加費(fèi)用的情況下，金屬3D打印可以進(jìn)行多次迭代。

如何在粘結(jié)劑噴射金屬3D打印與MIM之間選擇?

大多數(shù)情況下，如何取舍，主要在于產(chǎn)量。對(duì)于原型制造和小批量生產(chǎn)，比如幾萬件，選擇前者是不錯(cuò)的選擇。但是MIM在大批量生產(chǎn)時(shí)更具成本效益，比如幾十萬件以下可以選擇MIM工藝。

除了產(chǎn)量是決定性因素之外，還有其他的原因。

由于脫脂的限制，MIM不能做太大和厚實(shí)的零件。一般MIM零件的質(zhì)量在500g以下范圍，所以對(duì)于大尺寸零件，傾向于選擇3D打印工藝。

此外，復(fù)雜的設(shè)計(jì)也傾向于選擇3D打印，因?yàn)镸IM零件的幾何形狀受到脫模的限制。

兩種工藝在表面質(zhì)量方面也存在差異。MIM的表面光潔度略高，粗糙度約為1~2μm，粘結(jié)劑噴射金屬3D打印零件的表面粗糙度在3μ以上。對(duì)于具有較高裝配精度要求的，加工后期工藝需要采用CNC，既可以選擇注射成型也可以選擇3D打印。

結(jié)論

無論對(duì)于3D打印的哪種工藝形式，均是對(duì)傳統(tǒng)制造工藝的有益補(bǔ)充。對(duì)于一些小批量、較復(fù)雜的產(chǎn)品，開?；蛘咂渌麄鹘y(tǒng)工藝的成本比較高，這時(shí)候用3D打印可能具備更為明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)和制造效率。因此未來，隨著具體行業(yè)對(duì)3D打印工藝認(rèn)識(shí)程度的加深，該技術(shù)將成為該行業(yè)鏈條上的一種選擇。3D打印，僅僅是一種加工工藝而已。