数控加工和 3D 打印各具优势，但它们的适用性很大程度上取决于零件要求、材料选择、生产批量、几何复杂度以及整体项目目标。
数十年来，CNC加工一直是精密零件加工的核心技术，近些年兴起的增材制造，拓展了复杂设计、轻量化结构和快速原型制作的工艺选择。不应将这两种方法视为互斥的，而应将其看作互补技术。每种工艺在特定场景下都能发挥优势。对于许多项目而言，最佳解决方案可能是两种工艺互补混合采用：利用增材制造工艺制作复杂特征，再通过数控加工处理关键表面并保证严格公差。
CNC加工概述
CNC加工是一种减材制造工艺，通过高精度旋转切削工具从实心坯料中去除材料，最终获得所需的净形几何结构。数控机床通过CAD设计程序进行控制，使工程师能够高精度重复生产复杂零件，且人为误差极小。
| 工艺 | 描述 |
|---|---|
| 铣削 | 旋转切削工具沿多轴方向去除材料 |
| 车削 | 工件旋转，切削工具固定不动 |
| 钻孔 | 高精度钻孔加工 |
| 磨削 | 通过磨削去除材料，保证严格公差和表面光洁度 |
| 多轴加工（3+2，5轴） | 沿 3 个及以上轴同时运动 |
数控加工材料
数控加工支持多种材料，包括金属，塑料，复合材料等。
| 材料类别 | 示例 | 说明 |
|---|---|---|
| 金属 | 铝、钢、不锈钢、钛、因科镍合金 | 具有完全各向同性强度，机械性能优异 |
| 塑料 | 尼龙、聚醚醚酮（PEEK）、丙烯腈 – 丁二烯 – 苯乙烯共聚物（ABS）、聚甲醛（Delrin） | 适用于低载荷或耐化学腐蚀场景 |
| 复合材料 | 碳纤维、玻璃增强塑料（GRP）、增强塑料 | 需要专用刀具；数控加工可保持纤维取向 |
数控加工的优势
- 公差精度高：典型公差为 ±0.01 mm，若需更高精度可通过增加成本实现，最高±0.005 mm。
- 表面光洁度好：通常无需后处理即可直接投入最终使用，但会影响成本和生产效率。
- 机械强度全面：具有各向同性性能。对冷铸或锻造零件进行数控精加工具，可保留加工形成的微观结构（如结晶度和晶粒）。
- 材料选择广泛：从低成本聚合物到高性能超级合金均可适用。
- 重复性极佳：对于中高批量生产的数控铣削和数控车削加工，劳动力成本极低。
数控加工的局限性
- 复杂内部特征（尤其是倒扣和内部空腔）难以或无法通过一体成型制造。
- 小批量生产的设置成本较高，因为编程和干湿运行评估会占用宝贵的机器时间和熟练劳动力。
- 产生废料：与零件成品相比，废料占比通常较大，这是减材工艺的固有特性。
- 轻量化潜力有限：与增材制造相比，实现轻量化需要大量机器加工时间。
3D 打印工艺概述
3D 打印直接根据数字化 CAD 模型逐层构建零件。与减材工艺不同，3D 打印仅在需要的位置沉积材料，能够制造传统加工无法实现的复杂几何形状、内部特征和晶格结构。
倒扣、悬伸和封闭内部通道等复杂结构的制造，可通过以下方式实现：双液树脂或粉末基工艺中的内置支撑结构；单丝基结构中的可断裂外置支撑结构；或共挤出打印多材料加工设备中的水溶性支撑结构。
| 技术 | 描述 | 典型材料 | 应用 |
|---|---|---|---|
| 熔融沉积成型（FDM） | 挤出热塑性细丝 | 聚乳酸（PLA）、ABS、尼龙、PEEK | 功能原型、夹具、外壳 |
| 立体光刻（SLA） | 通过紫外线固化光聚合物树脂 | 标准树脂、工程树脂、高温树脂 | 精细特征原型、牙科模型、医疗模型 |
| 选择性激光烧结（SLS） | 通过激光烧结粉末聚合物 | 尼龙、热塑性聚氨酯（TPU）、PA12 | 功能零件、复杂内部通道 |
| 直接金属激光烧结（DMLS）/ 选择性激光熔化（SLM） | 通过激光烧结金属粉末 | 不锈钢、钛、铝合金 | 航空航天、医疗植入物、刀具 |
| 粘结剂喷射 | 向粉末床沉积粘结剂 | 金属、陶瓷、砂 | 快速原型制作、复杂金属结构 |
3D 打印的优势
- 可制造复杂几何形状以及复杂、嵌入式和完全封闭的内部空腔与结构。
- 原型制作和设计迭代周期大幅缩短，相比减材制造更具效率。
- 材料利用率高，废料极少（尽管这一优势常被夸大，许多增材工艺存在隐藏废料负担）。
- 可通过晶格或蜂窝填充实现轻量化结构，在不影响坚固性的前提下大幅减轻重量。
- 混合制造潜力大：增材与减材工艺的结合，不仅提升了增材工艺的实用性，还能更好地发挥减材工艺在细节加工方面的优势。
3D 打印的局限性
- 许多增材工艺制造的零件机械强度低于整体加工金属，这是由各向异性性能、层间附着力有限以及工艺导致的材料替代限制共同造成的。
- 表面光洁度通常需要后处理：逐层堆积或像素化颗粒结构无法实现高质量表面，尤其是曲面。
- 工艺分辨率往往有限，导致精细特征出现模糊和细节损失。
- 金属和高性能聚合物的材料选择有限，限制了零件的实用性或实际应用场景。
- 大型或复杂零件的制造时间较长，可能带来高昂的成本负担。
CNC加工与3D打印的比较
选择制造方法时，必须明确两者在加工方式、能力和局限性方面的差异。以下表格总结了关键对比因素：
| 对比因素 | 数控加工 | 3D 打印 |
|---|---|---|
| 制造方式 | 减材制造：从实心坯料中去除材料 | 增材制造：逐层沉积材料 |
| 设计复杂度 | 内部通道和倒扣受限；复杂零件需多轴加工 | 可实现高度复杂几何形状、内部空腔和晶格结构 |
| 材料选择 | 多种金属、塑料、复合材料 | 聚合物、树脂、金属（合金有限）、部分复合材料 |
| 机械性能 | 完全各向同性强度 | 可能存在各向异性；特定方向强度略低 |
| 公差精度 | 典型公差 ±0.01–0.05 毫米 | 典型公差 ±0.05–0.3 毫米（取决于技术） |
| 表面光洁度 | 光滑，典型粗糙度 Ra 0.4–1.6 微米 | 存在层纹，通常需要后处理 |
| 生产速度 | 中高批量生产速度快；需提前设置 | 小批量或复杂原型制作速度快；大批量生产速度慢 |
| 成本 | 设置成本较高；规模化生产后单位零件成本低 | 设置成本较低；规模化生产后单位零件成本高 |
| 后处理 | 极少（阳极氧化、电镀为可选工艺） | 通常需要（抛光、机械加工、热处理） |
| 废料 | 减材工艺产生切屑；但批量生产中，切屑材质明确，可通过回收重新获得性能稳定的材料 | 名义上废料极少；实际中，不同工艺的设置和运行材料消耗量差异较大，废料通常无法使用或难以二次利用 |
数控加工的精度源于使用高精度刀具对实心坯料进行精细切削，能够实现高质量表面光洁度和稳定的材料性能，但内部几何形状设计受到严格限制。
3D 打印通过逐层堆积实现零件制造：细丝基工艺可构建开放式编织结构，粉末基系统可制造有利于流体流动或热性能的内部通道，通过刻意设计的内部晶格结构可优化减重效果。
设计复杂度与几何限制
尽管数控加工可制造精密零件，但封闭空腔、薄晶格和悬伸等特征通常需要多次设置，且往往难以实现。3D 打印无需额外工具即可轻松制造此类几何结构，因此特别适合需要功能集成或拓扑优化的零件。
材料选择与性能
数控加工支持几乎所有金属（钢、铝、钛、因科镍合金、镁、铜及其衍生的多种合金），以及多种塑料,如 PEEK、尼龙、ABS、高密度聚乙烯（HDPE）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚碳酸酯（PC）等。玻璃增强塑料、碳纤维和硬胶木等复合材料，以及少数可加工陶瓷，均能通过数控加工实现高质量成型。
金属 3D 打印技术不断发展，但合金选择仍相对有限，且打印后通常需要热处理才能实现全面的机械性能。
聚合物 3D 打印提供了多种加工方式和材料选择，但只有选择性激光烧结（SLS）等粉末床工艺的产品性能接近模塑或实心加工件。
精度、公差与表面光洁度
数控加工可实现 ±0.01 mm的公差精度（若增加机器加工时间和成本，可达到更高精度±0.005mm），适用于金属、塑料、复合材料和陶瓷等功能型最终使用零件的制造。
3D 打印的公差因技术而异，典型范围为 ±0.05–0.3mm。
所有材料和工艺的 3D 打印零件，若需达到数控加工的表面质量，通常需要进行打磨、化学平滑或数控精整处理。
金属3D打印和CNC加工的对比
对于金属零件，工程师需在减材数控加工和金属增材制造之间做出选择。数控加工技术成熟、应用广泛，适用于高强度金属；而直接金属激光烧结（DMLS）、选择性激光熔融（SLM）和粘结剂喷射等增材技术则越来越多地用于制造复杂金属零件。这些增材工艺可接近原生材料性能，但缺乏锻造和冷铸零件的微观结构优势。
3D打印工艺降低了设计约束，使设计师能够突破CNC加工的加工复杂设计的局限。
金属 3D 打印技术
| 技术 | 描述 | 材料 | 优势 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|
| 选择性激光熔融（SLM） | 通过激光逐层烧结细金属粉末 | 不锈钢、钛、因科镍合金、钴合金 | 几何复杂度高、可制造内部特征、轻量化效果好 | 航空航天支架、医疗植入物、刀具 |
| 粘结剂喷射 | 逐层粘结金属粉末，随后进行烧结 | 不锈钢、青铜、工具钢 | 可制造大型零件、成本较低、可实现复杂形状 | 原型、刀具、小批量生产 |
| 电子束熔化（EBM） | 通过电子束熔化金属粉末 | 钛、钴铬合金 | 机械性能优异、致密度高 | 航空航天、生物医学植入物 |
金属 3D 打印技术可制造适度的内部晶格结构、优化的冷却通道和零件一体化结构，这些都是数控加工难以或无法实现的。然而，为保证表面质量、功能 / 界面区域性能、残余应力释放和致密化，通常需要进行后处理（往往基于数控加工），这会增加时间和成本。
何时选择金属 3D 打印
- 需要高度复杂或优化的几何形状、内部流动通道、减重晶格、热交换针 / 板和晶格区域时。
- 小批量生产或原型制作中，需避免或延迟承担高昂的模具成本（设计迭代期间模具成本过高）时。
- 航空航天或汽车零件需满足轻量化要求且不降低强度时。
- 希望实现零件一体化（即将多个组件打印为单个 “装配体”）时。
金属零件的成本对比
| 对比因素 | 数控加工 | 金属 3D 打印 |
|---|---|---|
| 设置成本 | 中等（需夹具和编程） | 原型制作成本低；所需刀具极少 |
| 材料成本 | 废料较多时成本较高 | 粉末可回收，但工艺速度较慢 |
| 单位零件成本 | 随批量增加而降低 | 大批量生产时单位零件成本高；规模效应有限 |
| 后处理 | 可选（表面精整） | 大多数高性能应用需要后处理 |
| 交付周期 | 小批量至中批量生产速度快 | 制造时间长；大型零件生产速度慢 |
何时选择CNC加工
由于材料性能、公差要求和生产规模 / 单位零件成本目标等因素，许多应用场景更适合减材数控加工。当项目满足以下条件时，可考虑选择数控加工：
- 中高批量生产：设置成本分摊后，单位零件成本降低。
- 表面光洁度要求高：对外观或功能表面有严格要求。
- 公差精度严格（<±0.02 mm）：适用于机械装配场景。
- 材料选择需求广泛：包括高强度金属或特种合金。
- 功能型最终使用零件：需要全面的强度和抗疲劳性。
- 要求材料具有各向同性性能。
- 需保证尺寸重复性。
- 关键机械性能要求使用原生材料。
- 设计复杂度有限，无需隐藏特征或内部通道。
何时选择 3D 打印
在CNC加工受设计限制的时候可选择 3D 打印：
- 需制造数控加工无法实现的复杂几何形状和内部特征。
- 需快速原型制作和设计迭代。
- 注重材料效率，减少废料产生。
- 小批量定制产品生产。
成本对比
了解成本随批量、复杂度和材料选择的变化规律，对项目规划至关重要。
| 生产批量 | 数控加工 | 3D 打印 |
|---|---|---|
| 1–10 件 | 设置成本高，单位零件成本中低 | 设置成本低，单位零件成本高 |
| 50–200 件 | 成本效益高，重复性好 | 单位零件成本仍较高 |
| 500 件以上 | 最具成本效益 | 相比数控加工通常不经济 |
- 盈亏平衡点通常在 5 件至 20 件之间，但受材料 / 工艺选择以及零件复杂度、编程和夹具成本（数控加工）的显著影响。
- 随着批量增加，零件价格小幅稳步下降；当设备选择（如体积）随零件数量增加而调整时，价格可能快速下降或出现阶梯式下降。
- 黑线及相关区域（数控加工零件成本）：
- 小批量生产时，成本主要来自编程、设置和夹具成本（分摊至少量零件），因此单件产品成本通常高于 “同等” 3D 打印产品。
- 批量增加（10–100 件）时，初始设置的单位零件成本占比下降，整体价格快速降低。
- 大批量生产（1000 件以上）时，机器时间和材料成本（近乎固定）主导成本，批量增加带来的成本优势逐渐减弱。
适用材料对比
材料选择是数控加工与 3D 打印的主要差异点之一。了解材料的机械性能、耐热性和化学相容性，对保证零件性能至关重要。
需特别注意的是，材料选择需满足性能要求，同时其对生产效率、可制造性和质量的连锁影响也不容忽视。能否敏锐洞察这些选择的下游影响，是项目成功的关键因素。
| 材料类别 | 数控加工 | 3D 打印 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 塑料 / 聚合物 | ABS、尼龙、PEEK、聚甲醛（Delrin） | PLA、ABS、PETG、尼龙、TPU、高性能树脂 | 加工塑料具有各向同性强度；3D 打印零件可能存在各向异性 |
| 金属 / 合金 | 铝、钢、钛、因科镍合金、铜 | 不锈钢、钛、铝合金（SLM） | 加工金属保留完整机械性能；3D 打印金属通常需要热处理 |
| 复合材料 | 碳纤维、玻璃纤维增强塑料 | 有限：短纤维增强细丝 | 3D 打印复合材料仅限于短纤维 |
表面光洁度与后处理要求
表面质量往往决定是否需要二次加工，而表面质量直接取决于材料、工艺和刀具选择。平衡材料和加工选择带来的组件成本增加，与后处理的复杂度和成本控制，是一个复杂的多维度过程。
| 工艺 | 典型表面光洁度（Ra） | 常见后处理方式 |
|---|---|---|
| 数控加工 | 0.4–1.6 μm | 抛光、阳极氧化、电镀，粉末喷涂 |
| 3D 打印 | 5–25 μm（取决于层厚） | 机械抛光、化学抛光（聚合物）、关键面CNC铣削（聚合物和金属）、热处理（金属） |
数控加工零件通常只需少量精整处理，而 3D 打印零件的功能区域、外观区域或公差关键区域，始终需要大量后处理。
然而，数控加工获得的最高等级表面光洁度，需要消耗大量额外加工时间。
数控加工与 3D打印互补
设计师可先通过 3D 打印制造复杂几何形状，再利用数控加工实现：
- 保证关键表面的公差精度。
- 钻制或攻丝精密孔。
- 对接触表面进行精整处理。
通过 3D 打印制造刀具或夹具，支持数控加工操作，从而加快生产设置速度并降低刀具成本。
如何选择合适的制造工艺
选择数控加工还是 3D 打印，需要评估多个因素，包括零件几何形状、材料、批量、公差、设备成本、供应商技术水平和预算。结构化的评估方法可确保获得最优结果。
选择前需明确的关键问题
- 生产批量是多少？数控加工擅长中高批量生产，3D 打印适合原型制作和小批量生产。
- 公差要求是什么？数控加工精度和重复性高，也可作为 3D 打印零件的后处理工艺。
- 需要哪些后处理？需考虑表面光洁度、热处理或涂层的成本影响和可行性。
- 预算和时间计划是什么？需综合考虑设置成本、机器时间和交付周期限制。