CNC加工VS. 3D打印：如何根据成本和产量需求进行选择？

CNC加工与3D打印的选择一直是开发团队成员面临的难题，也因此容易导致代价高昂的决策失误。传统的决策流程往往缺乏数据支持，进而导致项目预算超支和工期延误。即将发布的报告将详细阐述如何突破经验限制，做出更明智的决策。

解决这一难题的方案在于运用数据分析来识别真正的成本驱动因素。因此，我们的方法着重于识别总拥有成本而非单位成本，从而为数控机床和3D打印之间的选择提供决策指导，这可以被视为对实现成本节约的积极贡献。

CNC加工与3D打印：快速参考指南

通过超越流程的单位成本，转而探索总拥有成本，工艺选择中成本高昂的决策难题已得到解决。因此，该框架有助于计算数控加工工艺和3D打印工艺的权衡取舍，从而有助于最大限度地降低总拥有成本，使开发成本降低25%至40% 。

为何信赖本指南？来自 LS 制造专家的实践经验

互联网上有很多关于数控加工和3D打印理论的文章。这篇文章之所以值得一读，是因为它出自LS Manufacturing这家公司的实践经验。LS Manufacturing在加工过程中，已经与影响零件成本的加工工艺问题进行了长达15年的斗争。

我们的车间严格遵循ISO 9001质量管理体系和国际航空航天质量组织（IAQG）的认证标准。我们真正的专业技术正是在实际工作中不断积累而成。我们深知两者之间的差异，也正是这种认知使我们能够准确判断：究竟是数控机床加工出的理想表面质量的飞机零件，还是3D打印原型的真伪。

以下所有建议均来自我们来之不易的经验。我们已掌握了3D打印的各项参数，以及哪些参数值能使最终零件达到最高强度；我们还了解如何改进CNC加工方法，以高效加工高温合金。以下内容总结了我们超过5万个定制零件的经验，可帮助您在选择CNC加工还是3D打印时避免代价高昂的错误。

图 1：LS Manufacturing 公司不同生产方法的比较和成本评估

CNC加工和3D打印的成本结构有何不同？

因此，若不进行成本驱动因素的深入剖析，就无法正确选择工艺流程。本文档可用于剖析数控加工成本流程以及3D打印成本。本文档有助于进行客观的制造成本分析。

就数控加工成本而言，批量生产是理想选择。然而，对于小批量、复杂度较低的产品，3D打印的成本更具优势。为了进行切实可行的制造成本分析，首先需要计算特定批量下的成本。如果您的产量超过500件，则必须进行具有竞争力的总拥有成本（TCO）分析，在这种情况下，数控加工将是最佳选择。

如何根据批量大小科学地选择最佳生产工艺？

为了在当前的商业环境下做出最有效的生产流程决策，需要采用数据驱动的策略，而不是经验法则。以下是用于系统性地选择大批量生产流程的数据：

建立多因素评价框架

我们将通过同时考察三个变量来简化选择过程，这三个变量分别是批量大小、零件复杂度和所需交货时间。例如，在相同的批量情况下，基于拓扑结构的简单支架和发动机支架在经济效益上会有所不同。我们将使用一个矩阵来提供这些变量的加权值，从而消除主观意见，转而采用制造成本分析。

量化主要批次大小阈值

超过125个项目被用于制定第一条经验法则。对于简单的几何零件， 3D打印服务和CNC加工服务的成本预期交叉点预计在80到100件之间。这是因为CNC加工前期较高的编程和设置成本可以很快摊销，而增材制造的成本与零件数量基本呈线性关系，因此在大批量生产中效率较低。

应对复杂性：次要临界点

包含内部通道和生物晶格的几何形状复杂的部件在此阶段变得尤为重要。在这种情况下，尽管基于数控加工的历史成本竞争力会因加工相关问题导致加工时间延长而降低，但由于3D打印提供的几何自由度，这种影响会减弱，从而阻碍昂贵的多轴数控加工，并在案例研究中促成向数控加工服务的过渡——最终导致交叉值在200到300个单元之间。

采用这种方法时，第一步是根据目标批次，在设计组件时确定组件的复杂度等级。对于复杂度较低的组件，复杂度等级的划分单位为80-100 个；而对于复杂度较高的组件，复杂度等级的划分单位则为 200-300 个。

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；但脱离具体情况来看，原始数据很容易产生误导。本文对特种粉末的3D打印成本与块状材料的CNC加工成本进行了量化比较，并提供了开展实际比较所需的必要信息。

在寻求最佳制造工艺选择时，应明确每个零件的有效材料成本。对于数控加工而言，该成本为（毛坯成本/利用率），而对于3D打印而言，则为（粉末重量*粉末成本）。批量超过150件时，应重点考虑采用数控加工，并结合先进的排料技术以最大限度地提高材料利用率。

图 2：LS Manufacturing 公司采用 CNC 加工技术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？

导致这种转变的原因在于零件的复杂性，其影响颠覆了CNC加工与3D打印成本模型中常见的典型差异。在几何零件中加入内部通道、晶格或有机形状，使得基于部分或体积进行的典型分析能够正确地匹配次优的制造工艺选择。这就是如何应用复杂性的经济价值来表示

定义和量化成本模型中的复杂性

• 我们是如何量化它的：我们不使用主观指标，而是根据设备的可及性、二次加工和数控机床的特殊夹具来衡量数控操作的复杂性。
• 实际应用：以随形冷却模具为例，其影响是数控加工需要 5 次装夹，而3D 打印只需一次装夹，从而验证了成本降低60%且时间从3 周缩短至 5 天的假设。

利用增材制造设计（DfAM）原则

1. 我们如何整合 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。
2. 取得的成果：在医疗器械领域，该技术能够制造出优化的零件，与使用数控机床实现的原始复杂组件相比，该零件重量减轻了40% ，生产成本降低了35% 。

计算复杂度调整后的盈亏平衡点

• 我们如何模拟这种转变：我们根据产量修改盈亏平衡计算，以考虑复杂性，方法是增加一个增加数控加工成本的复杂性因素。
• 数据驱动决策：这意味着随着零件内部结构日益复杂，从3D打印转向机械加工的经济临界点可能不再是100件，而是300件以上。这标志着制造工艺选择的根本性转变。

针对此特定目标，您需要确定零件的复杂度惩罚。假设您的零件存在复杂度惩罚，那么您的新目标将是优先选择3D 打印服务进行原型制作或首件生产。在最终选择制造工艺时，您将采用新的盈亏平衡分析方法，而不是传统的批量盈亏平衡分析方法。这将为您提供采购重要零件所需的精确度。

精度要求对流程选择的主要影响是什么？

在比较数控加工服务和3D打印服务时，公差要求可能会与成本因素产生冲突。如果增材制造工艺无法满足以下文档中所述的功能规格，那么仅仅追求高精度加工就可能不再具有成本效益：

将关键公差映射到工艺能力

我们在可行性矩阵中评估这些标准。这些标准也与工艺相关，并源自蓝图要求。标准可能包括±0.025mm的公差，这在数控加工服务中是一个指标性标准，但在3D打印服务中则无关紧要（ ±0.2mm ）。这可以根据关键尺寸与非关键尺寸进行区分。

量化提高准确性的后处理真实成本

我们的方法对3D打印零件实现CNC级表面光洁度所需的辅助工艺进行建模，从而解决了隐性成本问题。对于Ra 0.8μm的表面光洁度，我们计算了加工3D打印近净成形零件相对于加工实心材料零件所需的额外时间和成本，并将其纳入整体制造成本分析中。

将混合制造作为战略解决方案

根据需要，我们采用 3D 打印技术制造复杂的、节省材料的近净成形零件，然后根据需要使用CNC 加工服务进行精确精加工。这项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过程中的材料浪费。

为此，您需要对组件图纸进行审核，以识别通用公差和关键局部公差。对于存在通用公差和关键公差的产品，您可以制定混合制造方案，利用3D 打印服务生产复杂组件的原型，并通过CNC 加工生产功能组件。RFA 中使用的方法论侧重于精度，兼顾技术深度和成本控制，以及关键性能的精度要求。

交货期限紧迫时，如何优化流程选择？

由于截止日期的紧迫性，所有传统的流程​​选择标准都失效了，以往这些标准更强调成本而非速度。对于时间紧迫的项目，存在一种策略性的方法，可以确保在时间限制下取得最佳成果：

基于项目里程碑的战略流程选择

我们详细列出了每个阶段与其最佳流程相匹配所需的时间跨度。为了在1-3 天内创建用于验证的原型，我们将使用3D 打印服务。为了制作功能性原型并加快产品上市速度，同时避免过早地被单一流程束缚，我们将在设计定型后使用CNC 加工服务。

实施并行处理以缩短交付周期

为了缓解因工序顺序限制而造成的困难，我们采取了并行执行关键路径活动的策略。例如，当一家数控加工服务商正在编写最后一道工序的程序时，另一项任务可能包括为3D打印服务商搭建桥接工具和组装夹具。这种方法使50件紧急订单的交付时间至少缩短了30% 。

利用数字化库存管理关键部件

由于这些都是紧急且重复的订单，我们会提前规划并储备常用的标准原材料/组件。因此， CNC加工服务无需等待2-3天的材料采购，即使在大批量生产中也能成为一个不错的选择，因为剩下的只是特征加工。

行动方面，时间表必须与完成进度相匹配：首批产品在72小时内采用3D打印技术，然后对超过20个产品进行CNC加工。必须尽快与供应商沟通，以便规划并行执行。这能够确保在竞争中保持敏捷性。

图 3：LS Manufacturing 公司用于制造选型的 3D 打印流程演示

如何通过混合制造方式平衡成本和性能？

究竟应该选择数控加工还是3D打印，这是一个典型的非此即彼的伪二元论问题。混合制造解决了这个问题，因为它将两种工艺战略性地整合到单个组件中，从而生产出任何一种工艺单独都无法产生的价值。本文阐述了选择集成制造工艺的理由：

解构战略流程分配的组成部分

1. 我们分析零件的方式：通过几何和功能分解来确定每种技术类型的适用区域。
2. 实际应用：在用于3D 打印的精密模具中设置随形冷却通道，同时考虑关键密封/安装表面的精密 CNC 加工。这种混合技术使最终成本降低了40% 。

从一开始就进行混合制造设计

• 我们如何同时实现 DfAM 和 DFM：使用DfAM 设计近净形状以进行 3D 打印，在关键界面区域设置基准和多余材料。
• 已取得成果：它将提供进一步数控加工所需的几何形状，以实现气密密封的±0.025mm公差，以及表面光洁度Ra 0.8μm的材料特性。

量化验证性能和成本收益

1. 总价值的计算方式：总价值将根据减重价值、性能提升价值和总成本计算得出。
2. 数据驱动的结果：在汽车零部件制造方面，与机械加工或打印零件相比，该方法利用有机晶格（3D 打印）实现了高达25%的减重，并将加工点强度提高了20% ，同时降低了成本。

首先，您需要采用混合制造工艺来制造零件。首先，您需要根据零件的特征进行分解分析，将复杂特征委托给3D 打印，而功能性表面则委托给CNC 加工。混合零件的设计中将集成夹具功能。这种战略性综合方案超越了传统的CNC 加工与 3D 打印之争，为高价值应用提供了更优的制造工艺选择。

如何通过流程优化控制小批量生产的成本？

小批量生产面临一些技术成本问题，此时规模经济效应无法充分发挥。常规的解决方法可能效果不佳；因此，工艺优化是降低成本的有效途径。以下讨论概述了在产量低于100件的情况下，如何最大限度地降低CNC加工成本和3D打印成本：

标准化加工顺序以大幅缩短设置时间

针对如此高的初始化成本，我们建议建立一个常用加工程序和刀具路径库。这样可以节省高达50%的类似零件的编程和夹具制作时间，从而降低单批次数控加工成本，并加快40%的周转速度。

实施模块化夹具系统

我们现在不再为新工件设计夹具，而是采用模块化网格系统，该系统包含可调节的夹具和定位器，从而使同一套夹具能够用于一系列不同的项目。这有效地消除了夹具设计工作，而夹具设计正是小批量数控加工成本中最大的成本驱动因素之一。

利用增材制造中的批次优化

为了降低3D打印成本，我们成功地将多个客户零件整合到一台打印机中，从而最大限度地利用了打印腔的容积。我们使用的排样软件能够有效利用打印腔的空间，通过提高零件数量来抵消机器成本。因此，对于5-10个零件的打印量，客户的成本节省了30% 。

在成本控制方面，请分析您的流程，以实现数控机床设置的标准化。在3D打印方面，必须将所有订单合并，以确保打印体积密度。从战略角度来看，这种流程驱动的优化使得小批量生产成为可能，并可作为其他战略选择，然后再做出战略性的大批量生产决策。

图 4：LS Manufacturing 公司对 CNC 加工和 3D 打印的成本和服务进行比较

LS制造：优化手术导航支架生产

本案例研究展示了如何通过结合增材制造和减材制造技术来克服 LS Manufacturing 中的关键十字路口，从而为医疗器械的生产提供可行的解决方案，充分体现了我们在复杂 CNC 加工和 3D 打印的关键交叉领域所擅长的领域：

客户挑战

这家医疗器械公司需要200个采用Ti-6Al-4V ELI 23级材料制成、孔径公差为±0.05mm的手术导航支架。五轴数控加工服务的全套报价超出预算45% ，但可在短短4周内完成。与此同时， 3D打印服务却无法满足所需的抗拉强度和关键表面精度要求。

LS制造解决方案

该部件采用晶格结构，因为它可以实现最佳的支撑结构设计，从而减少后处理工作。关键定位面和孔将由五轴数控机床进行加工，以达到所需的±0.05mm公差和0.8μm的表面粗糙度Ra 。

结果与价值

总成本降低了38% ，交货周期从4周缩短至12天。零件最终重量减轻了30% 。虽然上市时间延长了两周，但利润率提高了22% 。这一切都是在保持手术精度的前提下实现的。

这一点在当前情况下得到了体现，很明显，在选择制造工艺本身时，并没有单一的方法，因为很明显，从制造本身的集成混合方法的角度来看待组件的功能要求，已经在医疗行业的技术市场优势方面实现了收益。

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如何建立科学的制造工艺决策流程？

通过系统化的数据分析方法，可以进一步确保制造工艺选择中消除猜测成分。具体做法是将复杂的零件规格转化为数据评分系统，从而便于比较和对比数控加工服务和3D打印服务在以下方面的优缺点：

将需求分解为加权参数

对于通用过滤要求，该项目分为 12 个参数维度，从批量大小、几何复杂性、公差、材料，一直到关键公差，所有这些都将为表面光洁度等参数分配动态权重，例如，对于轴承座和管道组件，表面光洁度的重要性将有所不同。

执行算法场景分析

相反，在我们的系统中，比较是通过模拟过程实现的。该算法分析了数百种与生产流程相关的场景，计算了仅使用数控加工服务、仅使用3D打印解决方案以及两者混合服务所需的成本和加工时间。该算法能够精确识别成本函数的交点，并指出通过这种混合生产方法可以获得20%到40%成本优势的模式。

制定可执行的实施路线图

最终成果将是一份完整、详细的协议，而非指导原则。该协议将确定流程顺序，明确混合协议中各项功能将采用何种方法执行，并制定分阶段的时间表。届时，原本复杂的制造工艺选择流程将简化为易于操作的功能，从而大大减轻客户的项目负担。

为此，您需要系统地确定零件的12个关键属性，重点关注批量大小、复杂性和材料等方面，并利用这些数据对项目时间和质量风险进行比较。通过这样做，您将能够提升技术水平，使工艺选择成为关键的差异化因素，而不是制约因素。

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？

对于结构中简单的构件，成本拐点出现在构件数量介于80 至 150之间；而对于复杂的结构，成本拐点则出现在构件数量介于200 至 300之间。成本结构取决于材料的复杂性和估算的精度。

2. 对于小批量生产而言，3D 打印真的更经济吗？

对于包含多达50 个零件且具有零件编号的复杂组件，结论是3D 打印与模具成本相比可以节省成本，并且与CNC 加工相比也可以便宜30-50% 。

3. 如何评价两种流程之间的性能差异？

CNC工艺生产的构件的密度和各向同性系数为100% ，而3DP工艺生产的构件具有各向同性，但实际上，其强度系数仅为锻造构件的80-95% 。

4. 3D打印能否降低大规模生产的成本？

如果批量超过5000件，CNC加工就能实现规模经济，成本比3D打印低40-60% 。3D打印则适用于小批量生产。

5. 混合制造如何实现成本优化？

3D打印侧重于复杂特征的制造，而CNC加工则侧重于关键部件的加工。将二者结合，可降低30-40%的成本，并提升20%以上的性能。

6. 如何快速获得两个流程的准确报价？

需要提供材料数据、3D文件、批量大小以及所需的精度等级。LS Manufacturing团队将在收到详细信息后的2小时内，将对比报价发送给客户。

7. 新材料的开发如何影响工艺选择？

高性能复合材料适用于3D打印，而高导电性材料则可用于数控加工。选择合适的材料加工工艺需要了解材料的性能。

8. 如何降低小批量数控加工成本？

通过采用标准化流程、模块化设备和材料管理，LS Manufacturing 能够将小批量 CNC 加工成本降低25-30% ，交货时间缩短35% 。

概括

通过科学的工艺选择和价值工程，制造企业可以最大限度地降低成本，并加快产品上市速度。LS Manufacturing 开发的决策流程基于实际数据，将帮助众多客户实现25% 至 40% 的成本节约。

如需对定制工艺解决方案进行比较并获得合适的报价，请立即联系LS Manufacturing的技术团队，以获取两种方案的成本分析和优化建议。

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