•    發佈時間：2023/08/04
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【概要描述】 分析比較：3D列印與傳統CNC、注塑和金屬注射成型之間的工藝差異

 

3D列印最初是作為快速成型的一種方法而創建的，它也被稱為增材製造，現在已經發展成為真正的製造過程。3D印表機使工程師和公司能夠同時生產原型產品和最終用途產品，與傳統的製造工藝相比，它具有顯著的優勢。這些優勢包括實現大規模定制、增加設計自由度、允許減少裝配，並且可以作為一個經濟高效的小批量生產過程。

本文概述了3D列印技術與當前成熟的傳統CNC、注塑和金屬注射成型工藝之間的差異。

CNC機加工和3D列印的對比

材料上的差異

3D列印的材料主要有液態樹脂（SLA）、尼龍粉末（SLS）、金屬粉末(SLM)、線材（FDM）等。液態樹脂、尼龍粉末和金屬粉末佔據了工業3D列印的絕大部分市場。

而CNC機加工用的材料全部都是一塊一塊的板材，通過測量出零部件的長寬高+耗損，再去切割對應大小的板材用於加工。CNC機加工材料選擇比3D列印多，一般的五金類和塑膠類板材都能進行CNC機加工，而且成型部件緻密度要比3D列印好。

因成型原理導致的零件差異

3D列印是把模型切割成N個層/N個多點，然後按照順序一層一層/一點一點堆積起來，就像搭積木一樣。因此3D列印能有效地加工出結構複雜的零件，如鏤空零件，而CNC則很難實現鏤空零部件的加工。

CNC加工是減材製造，通過高速運轉的各種刀具，按照編程刀路切割出所需零部件。因此CNC機加工只能加工出有一定弧度的圓角，外直角CNC機加工沒問題，但無法直接加工出內直角，要通過線切割/電火花等工藝來實現。此外對於曲面而言，CNC機加工加工曲面很耗時，而且如果編程和操機師傅經驗不夠，很容易在零部件上留下明顯的紋路。對於具有內直角或曲面面積比較多的零件，3D列印則不存在加工困難的問題。



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

 

操作軟體上的差異

 

3D列印的切片軟體大都操作簡單，在專業指導下一兩天時間就能熟練操作切片軟體。切片軟體目前優化得十分簡單，支撐可以自動生成，這也是為什麼3D列印能普及到個人用戶。



 

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3D列印數據處理軟體magics

CNC編程軟體則複雜的多，需要專業人士來操作，零基礎的人一般要學半年左右的時間。另外還需要一名CNC操機師傅去操作CNC機器。比較常用的有UG、MASTERCAM、CIMATRON，還有國產的精雕。這些軟體的學習均有一定難度。



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CNC編程操作頁面

一個零部件能有很多種CNC加工方案，編程十分複雜。而3D列印則只會因為擺放位置對加工時間耗材有一小部分的影響，相對來說較為簡單。

 

後期處理上的差異

 

3D列印的零部件後處理選擇不多，一般都是打磨、噴砂、去毛刺、染色等等。而CNC機加工的零部件後處理選擇五花八門，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機加工和3D列印各有各的優缺點。選擇合適的加工工藝更為重要。

 

3D列印技術與注塑成型技術的區別

 

塑膠注塑成型是指在一定溫度下，通過螺杆攪拌完全熔融的塑膠材料，用高壓射入模腔，經冷卻固化後，得到成型品的方法。該工藝始於20世紀20年代，已有近百年的發展歷史，是目前使用非常廣泛、非常成熟的工業製造技術。

在塑膠製造產業中，3D列印與注塑成型經常被拿來PK，關於3D列印是注塑成型的終結者的言論也比比皆是。對於製造商來說，二者的競爭力究竟誰高誰低也是他們最關心的話題之一。 那麼，3D列印技術與注塑成型又有什麼區別呢？

 

生產模式

 

注塑成型工藝只要有注塑模具，就可以低成本、大規模地生產標準化產品，因此，對於傳統大批量、大規模製造來說，目前注塑成型仍然是最佳選擇。



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注塑成型原理

 

而3D印表機不需要傳統的刀具、夾具、機床或任何模具，就能直接把電腦的任何形狀自動、快速、直接和比較精確地將電腦中的三維設計轉化為實物模型，得益於3D印表機大異於傳統注塑成型工藝的特性，越是複雜非實心的物體，加工速度越快，越節省原材料成本，因此比較擅長個性化、多樣化產品的製造。

 

製造成本

 

由於注塑成型的原材料的廣泛易得，其大規模、快速進行標準化生產的特性，也有利於降低單個產品成本，因此，從製造成本而言，注塑成型的成本遠低於3D列印技術。

不過，對於工業製造來說，3D列印真正節約成本的環節在於修改原型環節，修改原型只需要修改CAD模型，不會產生任何製造成本。



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3D列印的塑膠製品

 

而在注塑成型中，如果原型是鋼材模具，修改成本會相對較低，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計的企業或個人，會選擇3D印表機進行模具設計列印的原因。

 

應用領域

 

目前，注塑成型工藝能夠實現批量製造形狀一致的物品，因此非常適合大批量的標準化產品製造。

3D列印只需通過控制終端輸入三維圖像，就能將原材料列印成實物模型，甚至直接製造零件或模具，從而有效地縮短了產品研發週期。目前，3D列印已廣泛在創客、建築設計、模具模型設計等領域得到成熟應用。

 

粘結劑噴射金屬3D列印與注射成型的對比

 

金屬注射成型 (MIM) 是一種用於金屬零件大批量生產的強大製造工藝。但粘結劑噴射金屬3D列印以其獨特的優勢提供了一種引人注目的替代方案。

粘結劑噴射金屬3D列印採用陣列式噴頭，把CAD模型切片得到一系列二維數據。根據切片得到的二維圖形，在金屬粉末床中選擇性的噴射粘結劑來固化成型，層層疊加製作完成整個初坯零件。然後將初坯零件通過預燒結得到一定強度後，進行清粉。最後通過高溫燒結將粘結劑去除並實現粉末顆粒之間的熔合，從而得到高緻密度和高強度的零件。兩種技術之間既有相同之處，也有不同之處。

 

粘結劑噴射金屬3D列印與注射成型的異同點

 

首先3D列印的設計約束少，逐層製造零件的特點使該技術具有更好的設計自由度，原則上來可以實現各種複雜形狀零件的列印。這也意味著可以將幾個零件整合——幾個連接件可以被一個零件取代，但實現的功能一樣——從而減少零件數量並縮短裝配時間。而MIM的設計需要考慮零件脫模，所以限制了一些形狀，無法像3D列印一樣製造複雜結構零件。不過，粘結劑噴射金屬3D列印後期燒結工藝因為重力和摩擦以及收縮的影響，不擅長加工無支撐結構的大面積薄壁件，也不善於製造細枝樹狀零件等。

 



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粘結劑噴射金屬3D列印與注射成型原理

 

其次成型工藝不一樣，粘結劑噴射金屬3D列印採用陣列噴頭選擇性的噴射粘結劑固化而成，而MIM則採用模具注射成型。但是兩者的後處理工藝是相同的，均需要高溫燒結。燒結後，3D列印的零件緻密度可以達到98%以上，與MIM工藝相近。但是由於MIM需要專門的脫脂過程，決定了不可能做很厚實的零件。

第三，粘結劑噴射金屬3D列印的製造步驟比MIM少。MIM需要開模，而粘結劑噴射金屬3D列印可以直接列印零件。因為對於小批量的加工速度明顯優於MIM工藝。並且，MIM的模具一旦加工完成，就不容易調整。所以在不增加費用的情況下，金屬3D列印可以進行多次迭代。

 

如何在粘結劑噴射金屬3D列印與MIM之間選擇?

 

大多數情況下，如何取捨，主要在於產量。對於原型製造和小批量生產，比如幾萬件，選擇前者是不錯的選擇。但是MIM在大批量生產時更具成本效益，比如幾十萬件以下可以選擇MIM工藝。

除了產量是決定性因素之外，還有其他的原因。

由於脫脂的限制，MIM不能做太大和厚實的零件。一般MIM零件的品質在500g以下範圍，所以對於大尺寸零件，傾向於選擇3D列印工藝。

 



注射成型和粘結劑噴射金屬3D列印的零件對比

此外，複雜的設計也傾向於選擇3D列印，因為MIM零件的幾何形狀受到脫模的限制。

兩種工藝在表面品質方面也存在差異。MIM 的表面光潔度略高，粗糙度約為1~2μm，粘結劑噴射金屬3D列印零件的表面粗糙度在3μ以上。對於具有較高裝配精度要求的，加工後期工藝需要採用CNC，既可以選擇注射成型也可以選擇3D列印。

無論對於3D列印的哪種工藝形式，均是對傳統製造工藝的有益補充。對於一些小批量、較複雜的產品，開模或者其他傳統工藝的成本比較高，這時候用3D列印可能具備更為明顯的價格優勢和製造效率。因此未來，隨著具體行業對3D列印工藝認識程度的加深，該技術將成為該行業鏈條上的一種選擇。3D列印，僅僅是一種加工工藝而已。

 

注：本文內容來自3D列印技術參考。

 

3D金屬列印的案例

 

One Click Metal通過為義大利帕多瓦大學的學生提供金屬3D列印組件來支持他們的賽車。One Click Metal提供的組件是鋁制的轉向箱，由Race Up團隊的EV機械結構部門使用。One Click Metal期待繼續與雄心勃勃的Race Up團隊合作，用他們的3D金屬印表機列印關鍵組件。



偏轉杆負責將車輪接觸力的動力傳遞到彈簧阻尼器系統。得益於分離的彈簧阻尼器系統，動力傳輸是三維的，從而形成了獨特的形狀。得到的形狀是同時具有最小品質的最大剛性幾何形狀。與去年相比，品質可以減少430g，剛度提高了約3倍。