CNC銑床與FDM 3D打印機(jī)的七大差異

CNC （計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床）不僅包括 CNC 銑床和車床，還包括 3D 打印機(jī)、機(jī)械臂和其他機(jī)器。CNC機(jī)床和3D打印機(jī)有許多共同點(diǎn)，都以G 代碼形式提供的一系列坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為銑削或打印的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)微控制器，給定的命令被轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。所有 CNC 機(jī)器的基本原理基本相同，主要區(qū)別在于材料和應(yīng)用。為了更好地了解機(jī)器的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合，將比較制造商中最常見(jiàn)的機(jī)器類型，即 CNC 銑床和 FDM 3D 打印機(jī)。

不同點(diǎn)-基本差異

現(xiàn)在請(qǐng)大家思考這樣一個(gè)問(wèn)題，如果FDM打印機(jī)和CNC銑床相似，那么為什么不將銑床的工具頭換成打印頭呢？原則上，這是可行的，但實(shí)際情況卻有所不同，這是因?yàn)槎咴诠に嚰夹g(shù)上存在一定的差異，比如CNC 銑床不需要加熱床，F(xiàn)DM 3D 打印機(jī)也不需要主軸速度控制。

上述問(wèn)題的核心在于，在不更改物理部件和固件設(shè)置的情況下，對(duì)這些機(jī)器中的一些基本條件的要求是不相互兼容的。因此，在工具頭和打印頭之間進(jìn)行交換是不切實(shí)際的，但并非不可能。

開(kāi)源MPCNC試圖提供這種靈活性，但由于上述挑戰(zhàn)而缺乏實(shí)用性。E3D等公司正在努力簡(jiǎn)化工具更換的步驟，不僅包括不同的打印頭，還可能包括用于鉆孔和自動(dòng)后處理的小型銑床。這些系統(tǒng)仍然非常復(fù)雜、昂貴，一般的打印機(jī)愛(ài)好者往往負(fù)擔(dān)不起。

一、成型方式：增材與減材加工

加工方式可以分為兩種：增材制造或減材制造。FDM 3D 打印機(jī)用于增材加工，而 CNC 銑床和銑床用于減材加工。后一種機(jī)器包括銑床、鉆頭或銑刀，切割、去除材料，以獲得想要的結(jié)構(gòu)。

這兩種類型的加工都需要像CNC機(jī)器提供一組命令。但由于這些方法上的差異，獲取 G 代碼中的這些命令的方式不同。默認(rèn)情況下，CNC 銑床和銑床將從給定庫(kù)存材料的表面開(kāi)始，并從中切割所需的對(duì)象。為此，需要使用CAM 軟件創(chuàng)建刀具路徑。在軟件設(shè)置中，需要定義使用的工具、它的尺寸和屬性、所需的速度、起點(diǎn)和終點(diǎn)，以及其他設(shè)置。除此之外，好包括刀具的更換這個(gè)過(guò)程可能相當(dāng)復(fù)雜，需要相當(dāng)多的知識(shí)。

△簡(jiǎn)單的刀具路徑——藍(lán)線表示切割，橙色表示僅移動(dòng)

如果要為3D打印機(jī)創(chuàng)建G代碼，則需要使用切片器。它將給定的對(duì)象并轉(zhuǎn)換為一定層厚度的切片圖像。切片上的每個(gè)點(diǎn)都被轉(zhuǎn)換為 XYZ 坐標(biāo)。默認(rèn)情況下，需要從構(gòu)建表面開(kāi)始，向上處理每一層。許多切片器為常用的 3D 打印機(jī)提供有用的默認(rèn)設(shè)置，可以達(dá)到較合理的切片路徑和結(jié)果，初學(xué)者也能夠很容易地進(jìn)行操作。

二、運(yùn)動(dòng)軸

△在數(shù)控機(jī)床中遇到的基本運(yùn)動(dòng)軸

大多CNC機(jī)器，無(wú)論是銑床還是 3D 打印機(jī)，都只能在三個(gè)維度上運(yùn)行（即 X、Y 和 Z 軸）。也有一些機(jī)器有額外的軸，例如 A 軸、B 軸和 C 軸，某些專業(yè)高端機(jī)器最多可以有 12 個(gè)軸。那么，為什么我們需要那么多軸？對(duì)于銑削和銑削應(yīng)用，多軸操作允許從幾乎任何角度接近工件，從而允許加工簡(jiǎn)單的 3 軸機(jī)床無(wú)法實(shí)現(xiàn)的底切和復(fù)雜特征。

對(duì)于 3D 打印機(jī)來(lái)說(shuō)，多軸打印是一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。多軸打印可以沿著工件表面輪廓進(jìn)行打印，提高打印件的精度，使用多軸打印能夠建立復(fù)雜的結(jié)構(gòu)而無(wú)需支持，如5軸Prusa plus打印機(jī)。

三、材料

最常見(jiàn)的材料是塑料、木材和金屬，所有這些都可以進(jìn)行 CNC 銑削。不過(guò)，在 3D 打印方面，情況要復(fù)雜一些。

●塑料

塑料是FDM 3D打印機(jī)最常用的材料之一，材料種類也非常豐富，從 PLA 到工程塑料。需要特別注意，工程塑料將需要外殼和過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)置，某些塑料制品的煙霧對(duì)人的身體也有危害。

●木材

3D 打印木材只能使用填充木絲，這是一種塑料基材與一定比例的木纖維的復(fù)合材料。不過(guò)，要實(shí)現(xiàn)真正的木質(zhì)外觀比較棘手，但可以進(jìn)行打磨和染色的操作，這有助于改善外觀。對(duì)于那些希望以相對(duì)精度加工木材的人來(lái)說(shuō)，CNC 銑床提供了最佳解決方案。在處理木板和木板或膠合板時(shí)，重要的考慮因素包括機(jī)器可以容納的格式、銑刀主軸的功率以及可實(shí)現(xiàn)的最大切割深度。

●金屬

對(duì)于愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，真正的金屬 3D 打印目前在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)都是遙不可及的，但使用金屬填充燈絲的打印卻并非如此。它也是一種混合了塑料和金屬成分的復(fù)合材料。

對(duì)于珠寶制作和某些功能部件，通常需要打印和燒結(jié)操作。燒結(jié)過(guò)程會(huì)燒掉粘合劑聚合物并留下金屬材料，這一過(guò)程需要使用燒結(jié)爐，需要額外的支出或使用打印和燒結(jié)服務(wù)。同時(shí)，尺寸精度是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槲矬w在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)收縮。脫蠟技術(shù)是另一種選擇。從本質(zhì)上講，這個(gè)物體是用蠟或其他材料 3D 打印出來(lái)的，然后嵌入到澆注化合物中。蠟?zāi)Ｐ捅粺龤?，留下一個(gè)模具，其中填充了熔融金屬。尺寸精度也是一個(gè)問(wèn)題，但可以通過(guò)優(yōu)化流程，提高精度。

金屬零件最好通過(guò)銑削制成。CNC 銑床可實(shí)現(xiàn)高精度，但復(fù)雜的金屬零件需要更復(fù)雜的銑床，成本會(huì)提高。實(shí)際限制是金屬的硬度。普通機(jī)器可以加工鋁、銅和某些等級(jí)的黃銅，但鋼材通常太硬，只能以非常低的速度進(jìn)行加工。

四、精度

精度，決定了零件在制造后對(duì)其尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)的真實(shí)程度。精度要求將根據(jù)材料和設(shè)計(jì)而有所不同。為了更好地了解可機(jī)器的局限性，需要知道機(jī)器可達(dá)到的精度。CNC 銑床的精度可以小到0.005 毫米到 0.0005 毫米，消費(fèi)級(jí)臺(tái)式機(jī)可以實(shí)現(xiàn)低至 0.01 毫米到 0.03 毫米的重復(fù)精度。當(dāng)涉及到特定材料的機(jī)器時(shí)，會(huì)有一些變化。例如，用于切割木材的 CNC 刳刨機(jī)通常精度較低。消費(fèi)級(jí)桌面型號(hào)可達(dá)到0.05 毫米的精度。

FDM 3D 打印機(jī)的精度范圍從 0.12 毫米（牙科用打印機(jī)）到 0.5 毫米（普通打印機(jī)）不等。據(jù)稱工業(yè)打印機(jī)可以低至 0.01 毫米。

在零件加工或 3D 打印之間做出決定在很大程度上取決于其功能。如果想快速且廉價(jià)地創(chuàng)建有形的非功能性原型，3D 打印無(wú)疑會(huì)勝出。這些材料很便宜，產(chǎn)生的廢物也很少。然而，若需要耐熱功能部件，最好由金屬銑削而成，因?yàn)樗鼈冊(cè)诰确矫婧苡袃?yōu)勢(shì)。

五、應(yīng)用

在專業(yè)加工和3D打印環(huán)境中，許多事情都是可能的，但業(yè)余愛(ài)好者的機(jī)器會(huì)受到一些限制。機(jī)器的功能與成本、復(fù)雜性的增加以及對(duì)如何操作這些高級(jí)機(jī)器的更高級(jí)知識(shí)的需求相關(guān)聯(lián)。

愛(ài)好者 CNC 銑床更適合木材加工。它們非常靈活，可以切割家具面板以裝配露營(yíng)車，用板材制作家具，創(chuàng)造復(fù)雜的雕刻和木鑲嵌結(jié)構(gòu)。FDM 3D 打印是唯一一種已在愛(ài)好者制造商社區(qū)中廣泛使用的增材加工方法。應(yīng)用非常廣泛：棋盤(pán)游戲的裝飾小雕像、功能性工程模型、掛鉤、夾子、各種小部件，應(yīng)有盡有。由于這種幾乎無(wú)限的應(yīng)用范圍，3D 打印得到了普及。不過(guò)，只要確保您為應(yīng)用程序使用正確的材料即可。PLA 非常適合非功能性或低應(yīng)力物品，而 PETG、TPU 或高性能線材更適合功能性應(yīng)用。

六、對(duì)環(huán)境造成的影響

任何制造商，業(yè)余愛(ài)好者或?qū)I(yè)人士，無(wú)論規(guī)模大小，都應(yīng)考慮其活動(dòng)的碳足跡。例如，為了制造金屬材料，整個(gè)供應(yīng)鏈?zhǔn)歉叨饶茉疵芗偷?。從采礦、冶煉和軋制，再到運(yùn)輸?shù)阶罱K用戶，考慮到能源消耗和成本考慮，浪費(fèi)應(yīng)保持在最低限度，任何廢物都應(yīng)回收利用。

幸運(yùn)的是，對(duì)于金屬來(lái)說(shuō)，回收相當(dāng)簡(jiǎn)單，但它仍然是能源密集型的，不能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。木材作為一種很好的材料，但它仍然會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。商業(yè)林業(yè)、采伐、加工和運(yùn)輸都是資源和能源密集型的。其他潛在的環(huán)境影響是由板材中使用的粘合劑（通常是甲醛）引起的，切割時(shí)會(huì)釋放煙霧。雖然可以回收純木材廢料，但必須根據(jù)當(dāng)?shù)鼗厥辗ㄒ?guī)處理廢纖維板和其他加工過(guò)的木板，不得焚燒。與加工金屬一樣，噪音和振動(dòng)是木工的問(wèn)題領(lǐng)域。CNC 銑床也是一個(gè)多塵的地方，強(qiáng)烈建議在加工時(shí)戴上防塵面具，以保護(hù)自己免受危險(xiǎn)的細(xì)顆粒物的傷害。

3D FDM 打印可以在家中回收并再次變成細(xì)絲。然而，制造長(zhǎng)絲會(huì)產(chǎn)生環(huán)境成本，特別是在合成塑料所需的電、水和油方面。3D 打印過(guò)程本身使用電力，但與功能強(qiáng)大的 CNC 銑床相比，它通常相對(duì)較少

七、成本影響

購(gòu)買任何機(jī)器都會(huì)產(chǎn)生各種成本影響，包括一次性成本和運(yùn)行成本。有些成本可以通過(guò)使用軟件等開(kāi)源資源來(lái)降低，但有些則不能。例如，制造機(jī)器的零件價(jià)格。運(yùn)行成本將根據(jù)使用的材料、切割和銑削鉆頭、熱端和其他組件而有所不同。

開(kāi)源 CNC 機(jī)器的計(jì)劃范圍很廣，它的成本實(shí)際上取決于許多因素。小型 DIY CNC 銑床起價(jià)約為 140 美元，最好的數(shù)控銑床時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)起價(jià)約為 250 美元。各種鉆頭需要額外付費(fèi)，根據(jù)質(zhì)量，40 件套的價(jià)格低至 35 美元。FDM 3D打印機(jī)起價(jià)低至 190 美元。在軟件方面，有很多合適的免費(fèi)開(kāi)源軟件可用于數(shù)控銑床給加工和3D打印。

材料成本

△銑床加工還是打?。?/p>

材料是一個(gè)更棘手的考慮因素，因?yàn)楣に嚭筒牧系倪x擇將取決于設(shè)計(jì)階段。例如，如果您正在制作原型，3D 打印外殼設(shè)計(jì)的原型會(huì)更便宜。與從一塊實(shí)心鋁材上銑出一個(gè)空心外殼相比，它只需要幾克塑料絲。為了了解所用材料的單位體積成本差異，南極熊比較了普通 3D 打印絲與鋁的密度。計(jì)算出一個(gè)100mm的實(shí)心立方體需要的材料量，然后根據(jù)每kg的價(jià)格計(jì)算成本。結(jié)果有點(diǎn)意外：

1 立方分米的 PLA 成本在 18.60 美元到 24.80 美元之間，而相同體積的鋁成本約為 22 美元。在用不同材料制造 50 個(gè)相同支架的成本比較中，很明顯最終價(jià)格不僅取決于原材料成本，還取決于材料、制造方法、項(xiàng)目數(shù)量以及生命周期成本的組合。然而，對(duì)于普通愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，運(yùn)行 3D 打印機(jī)或 CNC 銑床之間幾乎沒(méi)有任何成本差異。