增材制造技术之四---3D打印与CNC加工的比较

发表于 2017-3-5 13:10:09 显示全部楼层 4 9477

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本文将以几个真实案例来介绍采用3D打印相对于CNC来加工零件时令人期待的点、局限以及不同之处。

目录

介绍
性能比较
案例研究1 - 简单外壳
案例研究2 - 功能支架
案例研究3 - 复杂金属涡轮机
结论

1.介绍

数控加工是一种常见的减材制造技术,与增材制造不同,CNC加工通常从固体块开始,使用锋利的旋转工具或刀具来剪切材料以实现最终形状。CNC是最常用的传统加工方法之一,适用于小型一次抛料和大批量生产,具有较高的重复性和精度,为实现多种几何形状和加工多种材料配备了多种刀具选择。

本文将介绍增材制造(原型制造或3D打印)与CNC加工之间的主要区别,并给出一系列案例研究,以便设计人员能够评估何时使用CNC或AM。

2.性能比较

性能
CNC
3D打印
材料 主要用于加工金属,也可用于加工软木和硬木、热塑性塑料,丙烯酸,造型泡沫和蜡。每种材料需要不同的切削工具。金属,陶瓷,蜡,砂和复合材料
速度 数控机床比3D打印机能够以更快的速度去除材料在加工零件。然而却需要大量的过程规划和设置,特别是当需要多个加工步骤时,零件通常需要重新定位。 可以实现一次成型,这意味着除了后处理之外,不依赖于其它制造阶段。对于许多工艺可以实现批量制造(如SLS和SLM)。
复杂度 底切,工具,内部特征和间隙都是必须考虑的限制因素。对加工过程,制造零件的顺序和零件取向都必须予以考虑。         复杂的设计可以使用3D打印机实现一次成型。成型方向、特征尺寸以及模型大小通常是主要的限制因素。
精度 精度由刀具几何形状决定,因为所有的刀具都是旋转的和具有半径的加工内角。可以生产小于工具尺寸的形状特征,如小于工具直径的薄壁。与3D打印的表面质量相比,CNC加工表面更好。 最小特征尺寸通常由材料输送机构(例如,用于FDM的喷嘴或用于材料喷射的喷嘴)的直径或机器的光斑(例如烧结激光或UV光源)直径控制。FDM打印层厚为100 - 200微米,材料喷射打印机可以以低至16微米的分辨率。
几何形状 CNC机器依靠预定刀具路径的点对点加工工艺来移除材料。因此,CNC机床能达到的表面受到限制,不需要调整零件。可用于加工非常大和非常小的零件。         模型悬空面需要添加支撑,这增加了打印成本和时间。
过程 需操作员或工程师考虑刀具选择,主轴转速,接近位置、角度以及切削路径。这些因素都极大地影响了最终部件的质量和建造时间。         一旦上传了模型并选择了方向,层厚和支撑位置,大多数AM机器就可以打印完整的零件,无需任何人工干预。


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 楼主| 发表于 2017-3-6 11:53:55 | 显示全部楼层
3. 案例研究1 - 简单外壳

使用CNC制造外壳通常由需求来(适合特定产品或一次性产品)驱动。CNC机床能够快速清除材料,但需要设置时间和程序来生产最佳零件。CNC加工机壳的最终质量很大程度上取决于操作员的技能。CNC的加工精度比FDM高很多,表面质量优异。可以加工包括金属和塑料在内的多种材料。

FDM是性价比最高和最受欢迎的3D打印技术。打印材料的低成本(约每公斤25美元到30美元),快速的交货时间和易用性意味着它在业余爱好者和原型制造行业的快速增长。这使得它非常适合制造设计外壳,其中可能需要重复几次才能打印出完美的部件。FDM与CNC加工相比具有相对较低的尺寸精度,但是对于原型,其中形状或拟合比功能才是重要的。FDM工艺意味着零件表面会有很多的层叠纹,而且只能加工热塑性塑料来制造零件。

制造要求:

内部组件间隙
固定方法(螺纹孔,卡扣配合等)
公差为非关键因素
一次成型

总结

特征CNC 3D打印
成本 $$ $
材料 铝合金 ABS/PLA
速度 加工速度很快但步骤繁琐 取决于尺寸和复杂度通常需要3-8小时
精度 ≤0.05mm ≤1mm
表面质量 速度、切削深度和工具形状优化之后可以加工完美 可以看到明显的层叠纹,需要经过后处理来优化表面形貌


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 楼主| 发表于 2017-3-6 15:21:54 | 显示全部楼层
4.案例研究2 - 功能支架

当采用焊接或组装无法制造零件,或零件外观有很高要求时,采用CNC加工是理想的选择。支架是CNC加工制造的常用零件,可以实现高重复性、优异的精度(适合关键特征的制造,如加工中心孔尺寸)以及非常好的表面光洁度。CNC的成本取决于材料、加工时间和人工成本。支架本身多采用坚固、轻质和刚性材料,如铝合金或钛合金,与相同的钢支架相比增加了成本。CAM设计需要优化加工路径。

SLS通常用于生产功能性的尼龙部件,零件通常具有较高的精度(材料通过激光烧结),并且该工艺可以打印悬垂面而无需支撑。尼龙的高强度、抗撕裂性及优异的重量比使它成为支架制造的理想材料。根据尺寸,可以在300mm×300mm×300mm的打印机中实现制造。SLS不需要确定打印的方向,只需要使用粉末打印即可,减少浪费,制造完成后从粉末中取出并用空气清洁即可后处理步骤很少。SLS尼龙粉末的成本通常在每公斤50美元到60美元之间。

制造要求:

轻材质、硬度高
精确的中心孔尺寸以便于安装
挡边和圆角来减少应力集中和便于固定
小批量生产(小于20)

总结

特征CNC  3D打印
成本$$$$ $$$
材料 铝合金 尼龙12
速度 需要设计CAM。刀具路径和材料切削顺序对生产速度和零件质量至关重要。通常可以根据机床床身尺寸一次加工2-3部分。 无需优化制造过程。SLS部件通常分批打印,大约需要20 - 24小时以打印所有部件。之后需要冷却和后处理。
精度 ≤0.005mm ≤0.1 mm(发生一些收缩,但在设计中通常得到补偿)
表面质量 在优化刀具速度,切削深度和刀具几何形状时表面质量优异。 粗糙,无光泽,表面多孔。

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 楼主| 发表于 2017-3-7 08:36:01 | 显示全部楼层
4. 案例研究3 - 复杂金属涡轮机

5轴CNC机床能够以快速的速度切削材料用于加工非常复杂的零件,然而,预先需要的大量CAM工作增加了交货时间和成本。5轴CNC需要高度熟练的设计人员对机床进行编程并优化所有机床参数,在加工过程中须多次切换刀具以提高表面光洁度和尺寸精度。同时也使得5轴CNC机床可以加工大尺寸零件。

DMLS使用金属粉末来生产复杂的金属部件。通过有选择地一次熔化单层粉末,DMLS能够实现高精度和细节特征,生产的表面非常光滑(质量比CNC加工),零件可以打磨和抛光到镜面。使用粉末制造的特征使零件具有优异的机械性能和高度均匀性,但由于DMLS工艺具有较高的温度梯度,容易产生变形和翘曲,因此零件直接被打印在建造平台上,具有大量的支撑,需要通过热处理来减少打印过程中产生的残余应力。根据建造尺寸,零件也可以分批打印。

制造要求:

高精度
良好的表面光洁度
高强度轻质材料
小批量(小于5件)

总结

特征 CNC3D打印
成本 $$$$$ $$$$$
材料 铝合金 铝粉
速度 需要优化加工过程,一旦优化完成生产相对较快。 可以单独或分批打印部件。打印速度慢,但不需要工具或操作人员干预。
精度 ≤0.001mm ≤0.05 mm,若工艺存在问题,容易产生翘曲和变形。
表面质量 在优化刀具速度,切削深度和刀具几何形状时表面质量优异。表面光洁度较好,可以打磨和抛光。

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 楼主| 发表于 2017-3-7 08:41:48 | 显示全部楼层
结论

AM制造最适合于复杂的设计以及原型生产,用于产品验证。与CNC可加工的材料相比可选择的材料种类比较少,表面光洁度和尺寸精度通常不如CNC。许多3D打印技术可实现批量制造。

CNC机床是加工传统材料制造简单零件的理想选择,具有较高的精度和表面光洁度。对专业CAM设计的需求越复杂,将增加成本和交货时间。与3D打印机相比,CNC机器通常需要更多的人力投入,其质量和速度取决于操作人员的专业度。


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