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    3D打印與傳統CNC、注塑和金屬注射成型之間的工藝差異
    2022-03-30 17:12:49   發布者:System

    3D打印*初是作為快速成型的一種方法而創建的,它也被稱為增材制造,現在已經發展成為真正的制造過程。3D打印機使工程師和公司能夠同時生產原型產品和*終用途產品,與傳統的制造工藝相比,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,并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打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打印的對比


    材料上的差異


    3D打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占據了工業3D打印的絕大部分市場。


    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于加工。CNC機加工材料選擇比3D打印多,一般的五金類和塑料類板材都能進行CNC機加工,而且成型部件致密度要比3D打印好。


    因成型原理導致的零件差異


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


    CNC加工是減材制造,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。此外對于曲面而言,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。對于具有內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單,在專業指導下一兩天時間就能熟練操作切片軟件。切片軟件目前優化得十分簡單,支撐可以自動生成,這也是為什么3D打印能普及到個人用戶。


    CNC編程軟件則復雜的多,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。這些軟件的學習均有一定難度。


    一個零部件能有很多種CNC加工方案,編程十分復雜。而3D打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。


    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機加工和3D打印各有各的優缺點。選擇合適的加工工藝更為重要。


    3D打印技術與注塑成型技術的區別


    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,經冷卻固化后,得到成型品的方法。該工藝始于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、非常成熟的工業制造技術。


    在塑料制造產業中,3D打印與注塑成型經常被拿來PK,關于3D打印是注塑成型的終結者的言論也比比皆是。對于制造商來說,二者的競爭力究竟誰高誰低也是他們*關心的話題之一。那么,3D打印技術與注塑成型又有什么區別呢?


    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,對于傳統大批量、大規模制造來說,目前注塑成型仍然是*佳選擇。


    而3D打印機不需要傳統的刀具、夾具、機床或任何模具,就能直接把計算機的任何形狀自動、快速、直接和比較*地將計算機中的三維設計轉化為實物模型,得益于3D打印機大異于傳統注塑成型工藝的特性,越是復雜非實心的物體,加工速度越快,越節省原材料成本,因此比較擅長個性化、多樣化產品的制造。


    制造成本


    由于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,也有利于降低單個產品成本,因此,從制造成本而言,注塑成型的成本遠低于3D打印技術。


    不過,對于工業制造來說,3D打印真正節約成本的環節在于修改原型環節,修改原型只需要修改CAD模型,不會產生任何制造成本。


    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打印機進行模具設計打印的原因。


    應用領域


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


    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物模型,甚至直接制造零件或模具,從而有效地縮短了產品研發周期。目前,3D打印已廣泛在創客、建筑設計、模具模型設計等領域得到成熟應用。


    粘結劑噴射金屬3D打印與注射成型的對比


    金屬注射成型(MIM)是一種用于金屬零件大批量生產的強大制造工藝。但粘結劑噴射金屬3D打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打印采用陣列式噴頭,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,層層疊加制作完成整個初坯零件。然后將初坯零件通過預燒結得到一定強度后,進行清粉。*后通過高溫燒結將粘結劑去除并實現粉末顆粒之間的熔合,從而得到高致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打印與注射成型的異同點


    首先3D打印的設計約束少,逐層制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復雜形狀零件的打印。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——從而減少零件數量并縮短裝配時間。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打印一樣制造復雜結構零件。不過,粘結劑噴射金屬3D打印后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,也不善于制造細枝樹狀零件等。


    其次成型工藝不一樣,粘結劑噴射金屬3D打印采用陣列噴頭選擇性的噴射粘結劑固化而成,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,均需要高溫燒結。燒結后,3D打印的零件致密度可以達到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的零件。


    第三,粘結劑噴射金屬3D打印的制造步驟比MIM少。MIM需要開模,而粘結劑噴射金屬3D打印可以直接打印零件。因為對于小批量的加工速度明顯優于MIM工藝。并且,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打印可以進行多次迭代。


    如何在粘結劑噴射金屬3D打印與MIM之間選擇?


    大多數情況下,如何取舍,主要在于產量。對于原型制造和小批量生產,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。


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


    此外,復雜的設計也傾向于選擇3D打印,因為MIM零件的幾何形狀受到脫模的限制。


    兩種工藝在表面質量方面也存在差異。MIM的表面光潔度略高,粗糙度約為1~2μm,粘結劑噴射金屬3D打印零件的表面粗糙度在3μ以上。對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。


    END


    無論對于3D打印的哪種工藝形式,均是對傳統制造工藝的有益補充。對于一些小批量、較復雜的產品,開;蛘咂渌麄鹘y工藝的成本比較高,這時候用3D打印可能具備更為明顯的價格優勢和制造效率。因此未來,隨著具體行業對3D打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打印,僅僅是一種加工工藝而已。



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