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CNC 加工与 3D 打印对于开发团队成员来说，这是一个选择难题，因此会导致代价高昂的决策错误。传统的方向流与缺乏数据有关，因此导致项目超出预算和项目时间延迟。即将发布的报告将阐述如何克服经验障碍以做出明智的决策。
解决这一困境的方法是使用数据分析来识别真正的成本驱动因素。我们的方法在确定总拥有成本方面的相关性而不是建立决策指南以进行选择的每单位成本 CNC 机床和 3D 打印因此可以被视为对实现成本节约的积极贡献。
CNC 加工 VS 3D 打印：快速参考指南
| 方面 | 数控加工 | 3D打印（增材制造） |
| 核心原则 | 减法：从固体块中切割材料。 | 增材制造：通过逐层添加材料来构建零件。 |
| 理想体积 | 高至中批量生产；最适合批量生产。 | 小批量生产；原型;定制零件。 |
| 材料范围 | 金属、塑料/树脂/聚合物/复合材料。材料性能优良。 | 越来越多：顾问主要使用塑料、树脂/金属。材料的属性可以是各向异性的。 |
| 几何复杂性 | 很好，但受到工具访问的限制。内部功能具有挑战性。 | 出色的。解锁复杂的有机形状（格子、内部通道）。 |
| 设置和交货时间 | 更长的设置和编程。批量生产时每个零件的循环时间更快。 | 最少的设置。交货时间与零件数量无关；快速周转的理想选择。 |
| 成本驱动因素 | 设备成本高。减法中的材料浪费。设置以劳动力为导向。 | 与材料量和打印时间相关。减少浪费。每件材料成本较高。 |
| 精度和光洁度 | 优秀：精度高，表面光洁度优异。 | 好：尺寸精度取决于技术。可能需要后期制作处理才能获得良好的效果。 |
| 关键优势 | 增强了经过验证的设计的准确性、强度和可扩展性。 | 广泛的设计自由度能力可迭代设计或定制几何形状。 |
| 何时选择 | 最终生产零件、高性能应用、严格公差、更大批量。 | 原型、复杂/轻型设计、定制/小批量零件、集成组件。 |
通过探索总拥有成本，超越流程的单位成本，解决了流程选择的成本高昂的决策困境。因此，该框架有助于计算CNC 工艺以及 3D打印工艺因此，将有助于最大限度地降低总拥有成本，使开发成本降低25-40% 。
为什么相信本指南？ LS制造专家的实践经验
互联网上有很多与 CNC 加工和 3D 打印相关的理论文章。这篇文章值得一读的地方在于，它是根据一位名叫 LS Manufacturing 的从业者的经验写成的。超过 15 年以来，LS Manufacturing 一直在与影响零件成本的加工工艺进行斗争。
我们的车间在ISO 9001毫不妥协的质量管理体系和国际航空航天质量集团（IAQG） 。我们真正的专业知识是在实际工作过程中辛苦获得的。我们很清楚两者之间的差异，但正是因为这种认识，我们才能确定它是在CNC 机器中加工成理想表面质量的飞机零件还是真实性。 3D 打印原型。
下面的所有建议都是来之不易的知识。我们已经了解了 3D 打印的参数是什么，这些参数的值赋予最终使用零件最高的强度；以及如何修改 CNC 方法以有效加工高温合金。以下是我们与 50,000 多个定制零件相关的所有知识的摘要，可帮助您避免在决定是否使用时犯下代价高昂的错误 CNC 加工或 3D 打印。
图1：LS Manufacturing不同生产方式的比较和成本评估
CNC和3D打印的成本结构有何差异？
因此，如果不对成本驱动因素进行一定的解构，就无法正确选择流程。利用该文档就可以实现对CNC加工成本流程以及3D打印成本的解构。该文件有助于公正的制造成本分析过程。
| 成本构成 | 数控加工 | 3D打印 |
| 主驾驶员 | 原材料钢坯的重量是最重要的因素，占总成本的40-60% 。 | 特种原料是主要成本，占50-70% 。特种原料是主要成本，占50-70% 。 |
| 副驾驶员 | 机器时间和劳动力是重要的成本组成部分，占25%-35% 。 |
设备和系统费用化成本为20%-30%。 |
| 关键变量因素 | 刀具磨损和消耗品占总费用的 10-15%。 | 用于去除支撑和表面精加工的后处理劳动力增加了可变成本。 |
| 经济批量大小 | 对于 500 件以上的订单，通用铝件变得有利。 | 它仍然有利于原型制作和复杂零件以及少于500 件的订单。 |
| 批量成本差异 | 当涉及1000 个以上零件时，它可以提供约35%的合格几何形状，每个零件的成本更低。 | 零件的成本或多或少是相同的，这意味着在这种情况下不会产生规模经济。 |
参考CNC加工成本，最好能批量生产。然而，对于低批量复杂性来说， 3D 打印成本是最佳的。对于可行的制造成本分析，首先计算特定批量大小的成本。如果您的产量超过 500 台，您必须进行有竞争力的 TCO 分析，在这种情况下，CNC 将是最佳选择。
如何根据批量大小科学选择最佳制造工艺？
为了就哪种生产流程在当前业务情况下最有效做出明智的决定，需要使用数据驱动的策略而不是经验法则。用于对大批量生产选择做出系统决策的数据如下：
建立多因素评估框架
我们将通过同时查看三个变量来检查选择的简化，这三个变量是批量大小、零件复杂性和所需的交货时间。以相同体积的场景为例，基于拓扑结构的简单支架和发动机悬置相比之下会有不同的经济点。矩阵将提供变量的加权值，从而消除意见并使用制造成本分析。
量化主要批量大小阈值
超过 125 个项目已用于制定第一个经验法则。成本预期的交叉点 3D打印服务简单几何部件的数控加工服务预计价值在80至100件之间。这是因为 CNC 的高额前期编程和设置成本很快就会摊销，而附加成本在很大程度上与零件数量呈线性关系，使其成为效率较低的大批量生产选择。
调整复杂性：次要临界点
包含内部通道和生物晶格的几何复杂部分在这个阶段变得相关。在这种情况下，虽然基于 CNC 生产的历史成本竞争力会下降，因为与加工相关的问题会增加加工时间，但由于3D 打印提供的几何自由度，这种影响变得较小，从而阻碍了昂贵的成本。多轴数控加工案例研究中向CNC 加工服务的过渡——导致交叉值在 200 到 300 单位之间。
在使用这种方法时，第一个过程涉及在根据目标批次设计组件时分配组件的复杂性级别。在较不复杂的设计中应用这种方法的分配单位包括80-100 的单位，而200-300 规模的单位则用于复杂的设计。
如何定量比较两种工艺中不同材料的成本效益？
材料成本是决定制造工艺选择的重要因素；断章取义的原始数字非常具有误导性。这项工作对特种粉末3D 打印成本与散装材料CNC 加工成本的经济比较进行了量化，并提供了进行实际比较所需的信息。
| 因素 | 数控加工 | 3D打印 |
| 原材料成本 | 散装材料棒材和板材成本较低：例如， 316L 约为 8 美元/千克。 | 专用原料粉末和树脂的成本要高得多：例如， 316L 约为 120 美元/千克。 |
| 有效利用 | 传统材料利用率为40-60% ，减材工艺浪费大量材料。 | 进给材料的利用率几乎达到100% ，并且最大限度地减少了支撑结构的浪费。 |
| 关键优化杠杆 | 策略性嵌套和高度优化的 CAM 编程可将利用率水平提高至高达85% ，并且CNC 加工成本流程可降低一个数量级。 | 成本优化主要侧重于最大限度地利用构建室体积并减少支撑结构的数量。 |
| 经济批次门槛 | 在分析 316L 材料制成的制品的情况时，最佳数控加工当产量在150台以上时，比3D打印更经济。 | 在非常低的体积 ( <50 ) 和高度复杂的几何形状（其中 CNC 浪费令人望而却步）方面保留了优势。 |
| 总成本协议 | 优化后，批量> 150 个单位的CNC 加工成本可比增材替代品降低高达42% 。 | 每件成本没有太大差异，并且对于简单的形状，可扩展性是不可能的。 |
在寻求最佳制造工艺选择时，应定义每个零件的有效材料成本值，对于 CNC，该值将是（毛坯成本/利用率），而对于（粉末重量 * 粉末成本） 3D打印。数量超过 150 台的单位必须专注于使用 CNC 来生产零件，并结合先进的套料以最大限度地提高利用率。
图2：LS Manufacturing通过CNC加工生产的精密零件的成本评估
零件复杂性如何影响工艺选择的经济性？
转向的原因是零件的复杂性，其效果扭转了CNC 加工与 3D 打印成本模型中的典型细分。将内部通道、晶格或有机形状合并到几何部件中导致由部分或体积进行的典型分析与次优制造工艺选择的正确匹配。这就是复杂性的经济价值可以用来表示的方式
定义和量化成本模型的复杂性
- 我们如何量化它：我们不使用主观指标，而是根据设备的使用情况、二次加工和特殊夹具来衡量 CNC 操作的复杂性。数控机。
- 实际应用：就随形冷却模具而言，其影响是CNC 加工必须进行 5 次设置，而3D 打印则需要 1 次设置，从而验证了成本将降低60%且时间从3 周减少到 5 天的假设。
利用增材制造设计 (DfAM) 原则
- 我们如何集成 DfAM：拓扑优化不被视为中间步骤；它与可制造性分析相结合，以整合组件。
- 取得的成果：医疗器械在这种情况下，该技术能够创建一个优化的零件，与使用 CNC 机床实现的原始复杂组件相比，该零件的重量减轻了40% ，生产成本降低了35% 。
计算复杂性调整的盈亏平衡点
- 我们如何对转变进行建模：我们通过添加增加 CNC 成本的复杂性因素来修改基于数量的盈亏平衡计算，以考虑复杂性。
- 数据驱动决策：这意味着随着零件内部变得越来越复杂，何时从 3D 打印切换到加工可能存在另一个经济交叉点，该交叉点可能大于 300 单位，而不是 100 单位。这是制造工艺选择的根本转变。
对于这个特定目标，您必须确定与您的部分相关的复杂性损失。假设您的零件存在复杂性损失，您的新目标将是优先选择用于原型制作或第一篇文章的3D 打印服务。当您继续选择最终的制造工艺时，您将利用新的盈亏平衡分析方法，而不是使用传统的产量盈亏平衡方法。这将为您提供购买贵重零件所需的精度。
精度要求对工艺选择的主要影响有哪些？
在比较CNC 加工服务和3D 打印服务时，存在可能与成本方面发生冲突的公差要求。它很容易达到这样一个阶段，即根据以下文档中的增材工艺无法交付功能规格，仅加工到高公差水平将不再具有成本效益：
将关键公差映射到过程能力
我们在可行性矩阵中评估这些标准。这些标准也是特定于流程的。这些标准源自蓝图要求。该标准可能包括±0.025mm公差，这是CNC加工服务中的指标标准，但与3D打印服务无关（ ±0.2mm ）。这可以根据关键维度与非关键维度来完成。
量化后处理的真实成本以确保准确性
我们的方法模拟了所需的辅助流程 3D打印零件提供 CNC 质量的表面光洁度，从而解决隐藏的成本问题。对于Ra 0.8μm表面光洁度，我们提供了加工3D 打印近净形零件相对于实心坯料加工所需的额外时间和成本的计算，并将其纳入总体制造成本分析中。
实施混合制造作为战略解决方案
根据需要，我们使用 3D 打印来创建复杂的节省材料的近净形状，然后可以根据需要使用CNC 加工服务精确完成。该技术还帮助我们的客户节省了25%的总成本，同时最大限度地减少了 CNC 加工和增材制造零件后处理中的材料浪费。
为此，我要求您对组件的图纸进行审核，以确定通用和关键的局部公差。对于具有通用和关键公差的产品，您可以通过针对复杂组件以及通过CNC 加工完成的功能组件的3D 打印服务来创建原型生产的混合制造计划。 RFA 中使用的方法重点关注精度，具有针对成本的技术深度和针对关键性能的精度。
交货期限紧迫时应如何优化流程选择？
截止日期的紧迫性削弱了流程选择的所有传统标准，即成本的权重比速度因素更重要。存在一种战术方式，可以用来处理那些时间紧迫的项目，以确保在时间紧迫的期限内工作取得最佳结果：
根据项目里程碑选择战略流程
我们逐项列出每个阶段与其最佳流程相一致的时间跨度。为了在1-3天内创建用于验证的原型，对于创建原型的过程，我们将利用3D打印服务。为了获得功能原型和更快的上市时间，但又不会过早地局限于一个流程，我们将利用数控加工服务冻结设计后。
实施并行处理以压缩交付时间
为了减轻因序列瓶颈的需要而产生的困难，我们同时执行关键路径活动。当一个CNC 加工服务正在对最后一道工序进行编程时，另一项任务可能包括为3D 打印服务构建桥接工具和组装夹具。这种方法使得50件紧急订单的交货时间至少缩短了30% 。
利用关键组件的数字库存
由于这些订单是紧急且重复的订单，我们会预先安排并保留常用的标准原材料/组件的库存。因此，数控加工服务不需要等待2-3 天的材料采购，因此即使在大批量生产选择中也可以成为一个不错的选择，因为剩下的就是特征加工。
要采取行动，时间表必须与完成水平保持一致：在 72 小时前对第一批产品应用 3D 打印，然后对 20 多个产品进行 CNC 一次。与供应商的互动必须尽快进行，以便计划并行执行。这使得竞争执行变得敏捷。
图 3：LS Manufacturing 用于制造选择的 3D 打印流程
如何通过混合制造平衡成本和性能？
是否使用CNC 加工与 3D 打印的战略问题是错误的二元困境之一。混合制造解决了这个问题，因为它涉及将两种工艺战略性地集成到一个组件中，以生产两种工艺单独无法产生的有价值的东西。该文件介绍了集成制造工艺选择背后的基本原理：
解构战略流程分配的组件
- 我们如何分析该部件：进行几何和功能分解以确定每种技术类型的适用范围。
- 实际应用：在用于3D 打印的精英模具中分配随形冷却通道，同时考虑到精密 CNC 的关键密封/安装表面。这种混合技术使 wynndlad 成本降低了40% 。
从一开始就进行混合制造设计
- 我们如何同时实施 DfAM 和 DFM：使用DfAM 设计用于 3D 打印的近净形状，在关键界面区域具有基准和多余材料。
- 取得的成果：它将提供进一步所需的几何形状数控加工除了表面光洁度值Ra 0.8μm的材料特性外，还实现了气密密封的±0.025mm公差。
定量验证性能和成本收益
- 我们如何对总价值进行建模：总价值将根据减重、性能改进和总成本的价值进行计算。
- 数据驱动的结果：在汽车零件制造方面，与机器或打印零件相比，这种方法可以使用有机晶格（3D 打印）实现高达25%的重量减轻，并将机加工点增强20% ，同时降低了成本。
从制造零件的混合流程开始，您必须根据特征分析组件分解，复杂特征委托给3D 打印，而功能表面将委托给CNC 加工。混合零件的设计将在零件设计中集成夹具功能。这种战略综合超越了标准CNC 加工与 3D 打印决策，为高价值应用提供了卓越的制造工艺选择。
小批量生产如何通过工艺优化控制成本？
小批量生产面临着一些技术成本问题，其中规模经济是不可忽视的。在这里，常规的补救措施可能无效；因此，工艺优化对于降低成本有很大帮助。下面的讨论概述了最大限度降低CNC 加工成本和成本的可能性 3D打印成本当产量低于 100 件时：
将加工顺序标准化为斜线设置
对于如此高的初始化成本，我们建议建立一个通用加工程序和刀具路径库。这使我们能够为类似零件节省高达50%的编程和装夹时间，从而降低每批次CNC 加工成本，并将周转时间缩短40% 。
实施模块化夹具系统
我们现在不再为新工作设计固定装置，而是使用包含可调节夹具和定位器的模块化网格系统，以允许在一系列不同的项目中使用相同的固定装置。有效消除夹具设计工作的需要，这是小批量CNC 加工成本的最大成本驱动因素之一。
在增材制造中利用批量优化
在努力降低3D 打印成本的过程中，我们成功地将多个客户零件容纳在一个部件中，从而最大限度地扩大了腔室的体积。我们使用的嵌套软件使我们能够通过使用大量零件来补偿机器成本，从而有效地利用体积。因此，对于5 至 10 件的工作量，客户零件的成本节省了30% 。
关于成本控制，分析您的 CNC 设置标准化流程。对于3D打印，绝对有必要结合所有订单来构建体积密度。从战略上讲，这种流程驱动的优化使得小批量生产在做出战略性大批量生产选择之前对于其他战略替代方案来说是可行的。
图 4：LS Manufacturing CNC 加工和 3D 打印的成本和服务比较
LS Manufacturing：优化手术导航支架生产
这案例研究展示了 LS Manufacturing 如何通过结合增材世界和减材世界来克服关键的十字路口，为医疗设备的生产提供可行的解决方案，举例说明我们在复杂 CNC 加工和 3D 打印之间的关键十字路口最擅长的工作：
客户挑战
开发医疗设备的公司需要使用200 块 Ti-6Al-4V ELI Grade 23 材料和 ±0.05mm 孔径公差的手术导航支架。报价涉及整个流程五轴数控加工服务超出预算利润45% ，但仅需4 周即可提供。同时，另一方面， 3D打印服务的整个过程也无法提供所需的足够的拉伸强度和临界表面精度。
LS制造解决方案
组件的晶格结构，因为它将实现最佳的支撑结构设计，从而减少后处理。然后，关键定位表面和孔将通过五轴数控机床进行加工，以达到所需的±0.05mm公差和0.8μm的Ra 。
结果和价值
总成本降低了38% ，交货时间从4 周缩短至 12 天。零件的最终重量减少了30% 。上市时间延长了两周；然而，利润率却提高了22% 。这是在保持手术精度的同时完成的。
这反映在这种特殊情况中，很明显，在制造工艺本身的选择中，没有单一的方法可以做到这一点，因为很明显，在根据制造本身的集成混合方法来考虑组件功能要求时，已经在医疗行业的技术市场优势方面实现了效益。
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如何建立科学的制造工艺决策流程？
系统的数据分析方法进一步保证了制造工艺选择中消除猜测的可能性。这可以通过将复杂的零件规格术语转变为数据评分系统来解决，该系统有助于在以下方面对CNC 加工服务和3D 打印服务之间的权衡进行比较和对比：
将需求解构为加权参数
对于通用过滤要求，项目被分为 12 个参数维度，从批量大小、几何复杂性、公差、材料开始，一直到临界公差，所有这些都将被分配动态权重参数，例如表面光洁度，例如，与管道部件相比，轴承箱的重要性会有所不同。
执行算法场景分析
相反，在我们的系统中，比较是正确的伴随着模拟过程。该算法分析了与生产过程相关的数百个场景，计算出单纯的CNC 加工服务所需的成本以及加工时间，仅 3D打印解决方案，因此，甚至这两种生产解决方案之间的混合服务。该算法准确识别成本函数之间的相交位置，指示通过这种混合生产方法具有20% 到 40%成本优势的形状。
生成可行的实施路线图
结果将是一个完整、详细的方案，而不是指南。该协议将确定顺序，确定混合协议将通过哪种方法完成哪些功能，并建立阶段门控时间表。制造工艺选择的复杂程序将成为一项易于操作的功能，为客户节省项目中的大部分开销。
为此，您必须系统地确定零件的 12 个关键属性，重点关注批量大小、复杂性和材料等方面，并使用数据对项目时间和质量风险进行比较。通过这样做，您将能够提高技术的复杂性，使流程选择成为关键的区别因素而不是限制。
常见问题解答
1. CNC加工和3D打印之间的成本拐点通常在哪里？
结构中简单部件的成本拐点在80-150之间时达到，而在复杂结构中，当它们在200-300之间时达到成本拐点。成本结构基于材料复杂性和精确估算。
2. 3D打印对于小批量生产真的更经济吗？
对于多达50 件且具有零件号的复杂组件，结论是3D 打印将比模具成本节省，并且比CNC 加工便宜30-50% 。
3. 如何评估两个进程之间的性能差异？
CNC工艺生产的构件的密度和各向同性系数为100% ，而3DP则具有各向同性的特性，而实际上强度系数仅为锻造构件的80-95% 。
4. 3D打印能否降低量产成本？
如果批量超过5000台，CNC生产就会产生规模经济，成本将比3D打印降低40-60% 。 3D打印可用于小规模生产。
5、混合制造如何实现成本优化？
3D 打印涉及复杂的特征，而CNC 加工涉及关键部件。前两者的结合将有助于降低30-40%的成本，并提高20%以上的性能。
6、如何快速获取两个流程的准确报价？
需要材料数据、3D 文件、批量大小和所需的精度级别。 LS 制造团队将在收到详细信息后2 小时内将比较估算发送给客户。
7. 新材料开发如何影响工艺选择？
高性能复合材料适合3D打印，而高导电率材料将在数控加工中得到应用。制定适当的材料工艺需要了解材料特性。
8、如何降低小批量CNC加工成本？
通过利用标准化流程、模块化设备和材料管理，LS Manufacturing 能够将小批量 CNC 成本降低25-30% ，并将交货时间缩短35% 。
概括
通过科学的流程选择价值工程，制造公司可以最大限度地提高成本，并加快上市时间。 LS Manufacturing开发的具有实际价值的决策流程将有助于许多客户实现25%至40%的成本节省。
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