CNC(计算机数控机器)不仅包括数控铣床和车床,还包括3D打印机、机械臂和其他机器。 CNC 机床和3D 打印机有很多共同点。两者都提供一系列G 代码形式的坐标,可转换为铣削或打印的运动。通过单片机,将给定的命令转换为步进电机的运动。所有数控机床的基本原理本质上是相同的,主要区别在于材料和应用。为了更好地了解机器的特性和应用,我们将比较制造商中最常见的机器类型,即CNC 铣床和FDM 3D 打印机。
差异- 基本差异
现在请大家思考一下这个问题,如果FDM打印机与数控铣床类似,那么为什么不把铣床的工具头换成打印头呢?原则上这是可行的,但实际情况有所不同。这是因为两者的工艺技术存在一定的差异。例如,CNC铣床不需要加热床,FDM 3D打印机不需要主轴速度控制。
上述问题的核心是,在不更改物理组件和固件设置的情况下,这些机器中某些基本条件的要求是不兼容的。因此,工具头和打印头之间的交换是不切实际的,但并非不可能。
开源MPCNC试图提供这种灵活性,但由于上述挑战而缺乏实用性。 E3D 等公司正在努力简化工具更换,不仅包括不同的打印头,还包括用于钻孔和自动后处理的潜在更小的铣床。这些系统仍然复杂、昂贵,并且通常超出了普通打印机爱好者的能力范围。
1、成型方式:增材、减材加工
加工方法可分为两种:增材制造或减材制造。 FDM 3D打印机用于增材加工,而数控铣床和铣床用于减材加工。后者的机器包括铣床、钻头或切割机,用于切割和去除材料以获得所需的结构。
两种类型的加工都需要向CNC 机床提供一组命令。但由于这些方法的不同,在G代码中获取这些命令的方式也不同。默认情况下,数控铣床和铣床将从给定库存材料的表面开始,并从中切割出所需的物体。为此,使用CAM 软件创建刀具路径。在软件设置中,您需要定义所使用的工具、其尺寸和属性、所需的速度、起点和终点以及其他设置。除此之外,包括工具更换在内的过程可能相当复杂,并且需要大量知识。
简单刀具路径—— 蓝线表示切削,橙色表示仅移动
如果您想为3D 打印机创建G 代码,则需要使用切片机。它获取给定的对象并将其转换为特定层厚度的切片图像。切片上的每个点都会转换为XYZ 坐标。默认情况下,您从构造表面开始,逐步到达每一层。许多切片机为常用的3D打印机提供了有用的默认设置,可以实现合理的切片路径和结果,并且易于初学者操作。
2. 运动轴
数控机床遇到的基本运动轴
大多数CNC 机床,无论是铣床还是3D 打印机,都只能在三个维度(即X、Y 和Z 轴)上运行。也有机器带有A、B、C轴等附加轴,一些专业高端机器最多可以有12轴。那么为什么我们需要这么多轴呢?对于铣削和铣削应用,多轴操作允许从几乎任何角度接近工件,从而可以加工简单3 轴机床无法实现的底切和复杂特征。
多轴打印是3D 打印机的新领域。多轴打印可沿工件表面轮廓进行打印,提高打印件的精度。使用多轴打印可以在没有支撑的情况下构建复杂的结构,例如5 轴Prusa plus 打印机。
3. 材料
最常见的材料是塑料、木材和金属,所有这些都可以进行数控铣削。然而,当谈到3D 打印时,事情就有点复杂了。
塑料
塑料是FDM 3D打印机最常用的材料之一,材料种类很多,从PLA到工程塑料。需要特别注意的是,工程塑料会需要外壳和过滤系统的设置,而且一些塑料制品产生的烟雾对人体也有害。
木
木材只能使用填充木丝进行3D 打印,填充木丝是塑料基底和一定比例木纤维的复合材料。实现真正的木质外观比较困难,但打磨和染色可以帮助改善外观。对于那些希望以相对精度加工木材的人来说,数控铣床提供了最佳解决方案。使用木板、木板或胶合板时,重要的考虑因素包括机器可以适应的格式、铣床主轴的功率以及可实现的最大切削深度。
金属
对于爱好者来说,真正的金属3D 打印目前在经济和技术上对大多数人来说都是遥不可及的,但使用金属填充丝进行打印却并非如此。它也是一种混合塑料和金属成分的复合材料。
对于珠宝制作和某些功能部件,通常需要印刷和烧结操作。烧结过程会烧掉粘合剂聚合物并留下金属材料,需要使用烧结炉,这需要额外的费用或使用印刷和烧结服务。同时,尺寸精度也是一个问题,因为物体在烧结过程中会收缩。失蜡技术是另一种选择。本质上,该物体是用蜡或其他材料3D 打印出来的,然后嵌入铸造化合物中。蜡模型被烧掉,留下充满熔融金属的模具。尺寸精度也是一个问题,但可以通过优化工艺来提高。
金属零件最好通过铣削制造。数控铣床可以实现高精度,但复杂的金属零件需要更精密的铣床,这增加了成本。实际限制是金属的硬度。普通机器可以加工铝、铜和某些等级的黄铜,但钢通常太硬,只能以非常低的速度加工。
4. 准确性
精度决定了零件制造后其尺寸设计参数的真实程度。精度要求因材料和设计而异。为了更好地了解机器的局限性,有必要知道机器可以达到的精度。数控铣床可实现低至0.005 毫米至0.0005 毫米的精度,消费级台式机床可实现低至0.01 毫米至0.03 毫米的重复精度。对于特定材料的机器来说,存在一些差异。例如,用于切割木材的数控铣床通常精度较低。消费级桌面型号可达到0.05 毫米的精度。
FDM 3D打印机的精度范围从0.12毫米(牙科打印机)到0.5毫米(普通打印机)。据说工业打印机的打印精度可以低至0.01 毫米。
决定对零件进行机械加工还是3D 打印很大程度上取决于其功能。如果您想快速且廉价地创建有形的、非功能性的原型,3D 打印无疑会胜出。这些材料价格便宜并且产生的废物很少。然而,如果需要耐热功能部件,最好采用金属铣削加工,因为金属在精度方面具有优势。
5. 申请
在专业加工和3D 打印环境中,许多事情都是可能的,但业余爱好者的机器会有一些限制。机器功能与增加的成本、复杂性以及对如何操作这些先进机器的更高级知识的需求相关。
业余爱好者数控铣床更适合木材加工。它们非常灵活,可以切割家具面板来组装露营车,用木板制作家具,以及制作复杂的雕刻和木镶嵌结构。 FDM 3D 打印是唯一已在业余创客社区中广泛使用的增材加工方法。应用非常广泛:棋盘游戏的装饰雕像、功能工程模型、挂钩、夹子、各种小零件,应有尽有。 3D打印因其几乎无限的应用范围而受到欢迎。不过,请确保您使用适合您的应用的材料。 PLA 非常适合非功能性或低应力物品,而PETG、TPU 或高性能线材更适合功能性应用。
六、对环境的影响
任何制造商、爱好者或专业人士,无论规模大小,都应考虑其活动的碳足迹。例如,制造金属材料,整个供应链都是高度能源密集型的。从采矿、冶炼和轧制,到运输到最终用户,废物应保持在最低限度,任何废物都应回收利用,同时考虑到能源消耗和成本。
幸运的是,对于金属来说,回收相当简单,但它仍然是能源密集型的,并且无法在现场进行。木材是一种很好的材料,但它仍然对环境产生影响。商业林业、伐木、加工和运输都是资源和能源密集型行业。其他潜在的环境影响是由板材中使用的粘合剂(通常是甲醛)引起的,切割时会释放烟雾。虽然纯木材废料可以回收利用,但废弃纤维板和其他加工木板必须根据当地回收法规进行处置,并且不得焚烧。与金属加工一样,噪音和振动是木工加工中的问题领域。数控铣床也是一个灰尘较多的地方,强烈建议在加工时佩戴防尘口罩,以保护自己免受危险细颗粒的侵害。
3D FDM 打印可以在家中回收并再次变成长丝。然而,制造长丝会带来环境成本,特别是合成塑料所需的电力、水和石油。 3D 打印过程本身需要用电,但与强大的CNC 铣床相比通常相对较少
7. 成本影响
购买任何机器都会产生各种成本影响,包括一次性成本和运行成本。有些成本可以通过使用软件等开源资源来降低,但有些则不能。例如,制造机器的零件价格。运营成本将根据所使用的材料、切割和铣削钻头、热端和其他部件而有所不同。
开源数控机床有多种计划,其成本实际上取决于许多因素。小型DIY CNC 铣床起价约为140 美元,我们发现最好的CNC 铣床起价约为250 美元。各种钻头需要额外付费,40 件套的价格低至35 美元,具体价格取决于质量。 FDM 3D 打印机起价低至190 美元。在软件方面,有许多适合CNC 铣削和3D 打印的免费开源软件。
材料成本
铣床加工还是印刷?
材料是一个更棘手的考虑因素,因为工艺和材料的选择将取决于设计阶段。例如,如果您正在制作原型,则3D 打印住房设计的原型会更便宜。它不需要用实心铝片铣削出空心壳体,而只需要几克塑料丝。为了了解所用材料单位体积成本的差异,Antarctica 将常规3D 打印线材与铝的密度进行了比较。计算一个100毫米实心立方体所需的材料量,然后根据每公斤的价格计算成本。结果有点令人惊讶:
一立方分米的PLA 成本在18.60 美元到24.80 美元之间,而相同体积的铝成本约为22 美元。通过对不同材料制造50 个相同支架的成本进行比较,可以清楚地看出,最终价格不仅取决于原材料成本,还取决于材料、制造方法、项目数量和生命周期成本的组合。然而,对于普通爱好者来说,运行3D 打印机或CNC 铣床几乎没有成本差异。