如何利用数控加工实现多材料混合快速原型开发？

几天之内，你就能拿到一个功能齐全的原型：一面是冷加工铝合金，精密加工出散热鳍片​​和结构框架；另一面是硬质工程塑料，模制成符合人体工程学的外壳；里面甚至还有一个柔软的硅胶密封圈。

这种多材料组件的组装并非在多条生产线上完成，而是在一台数控加工中心上，通过一次装夹或精益流程即可完成。这就是当今快速原型制造的能力。

本指南将探讨CNC 快速原型技术如何利用金属、塑料和复合材料轻松开发多材料原型，从而大幅简化您的产品创新周期。

关键答案概要

如何实现多材料原型制作？JS精密数控加工解决方案

JS Precision 在多材料快速原型制作方面拥有超过 15 年的实践经验，已为 12 个行业的 500 多家客户完成了多材料原型项目，包括航空航天、医疗和消费电子等行业。

例如，我们为一家航空航天客户制作了钛合金和PEEK 复合材料传感器外壳原型，将交付时间缩短至仅四天，同时保持了±0.005 毫米的尺寸精度。

在为一家医疗客户完成不锈钢和医用硅胶导管连接器的原型设计时，我们通过采用物理互锁结构，使抗拉强度提高了30% 。我们还为一家消费电子客户制作了集成PC塑料和铝合金外壳的原型，在美观性和结构强度方面都表现出色。

该经验涵盖十余种材料组合，并涉及五轴数控加工和自适应参数调整等关键技术。本指南汇集了上千个快速原型开发项目的经验，每一项都经过反复试验和测试。

JS Precision凭借其深厚的多材料CNC加工经验，可为您的快速原型开发项目提供定制化解决方案。您只需将设计图纸发送给我们，我们将立即审核并提供工艺建议，以高效地执行您的项目。

快速原型开发的引擎：克服数控加工的核心挑战

为了实现高质量的多材料快速原型制作，我们首先必须解决数控加工的基本挑战——即材料特性差异和工艺复杂性带来的挑战。只有克服这些挑战，才能确保快速原型开发的效率和精度。

挑战 1：设计整合

传统原型通常由多个独立组件构成，这很容易导致后续组装时出现精度问题。多材料原型制作要求设计人员从一开始就考虑材料的连接和固定。例如，当金属和塑料连接时，必须预先设计物理互锁结构，以防止后续连接强度不足。

挑战二：制造序列化

制造流程化的基础在于加工顺序规划和夹具设计。先加工硬质材料还是软质材料？如何使夹具牢固地夹持不同材质的工件？这些问题若得不到解决，就会导致加工缺陷。例如，先加工软质材料很容易受到后续加工硬质材料时产生的振动影响。

挑战3：素材“对话”

不同材料的切削力、热膨胀系数和刚度差异很大。例如，加工铝（金属）和ABS塑料时，铝需要高速低进给，而ABS则需要低速高进给。

对所有零件使用相同的参数很容易导致零件变形或尺寸误差，从而影响快速原型制造的质量。

挑战四：效率与成本的权衡

多材料加工需要更复杂的工艺规划和额外的设置，这会增加加工时间和成本。如何在满足快速原型制作的基本速度要求的同时保持质量，是企业必须克服的挑战。

掌握快速原型制造：数控加工的关键技术

克服了数控加工多材料原型的基本挑战之后，掌握关键技术是推进快速原型制造的关键。这些技术在以下三个方面提升了质量和效率：

高级CAM软件和仿真

通过使用具备多轴加工和“加工顺序”规划功能的CAM软件（例如Mastercam），可以精确地规划多材料加工流程。同时，在虚拟环境中进行切削仿真可以提前预测刀具夹具干涉问题，避免实际加工中的误差，从而减少材料浪费。

自适应加工策略

1.“单次装夹”技术：将不同材料预先夹持在精密夹具中。所有材料均在一次装夹中通过程序控制进行加工，从而获得极佳的相对位置精度，并消除多次装夹误差。

2. 顺序参数调用： CAM软件能够自动调用不同的切削参数库，例如，金属加工的高速低进给率和塑料加工的低速快速进给率的瞬时切换。系统会自动选择最佳刀具，无需持续手动调整。

智能灯具设计

借助模块化、可配置的夹具系统，例如专用夹具或可铣削虎钳块，可以针对各种不规则形状的毛坯进行定制。这种夹具不仅安装便捷，还能稳定加工各种材质的工件，从而提高快速原型加工的精度。

图 1：CNC 快速成型

快速原型加工的精度：克服复合材料的挑战

在多材料快速成型中，复合材料（碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料）的加工精度直接影响快速成型的整体加工质量。它们各自的特性带来了不同的挑战，需要定制化的数控加工解决方案。

复合材料挑战与数控解决方案对比

更多数控解决方案

通过精细调校优化工艺参数至关重要。采用“剪切”而非“拉伸”的方式加工纤维，可获得完美的边缘，避免分层和毛刺。强力吸尘器可直接吸除粉尘，保护设备和工人健康，防止粉尘影响加工精度，确保快速流畅的原型制造。

JS Precision 精通复合材料的 CNC 快速原型加工技术，彻底解决了复合材料加工中的撕裂和刀具磨损问题，确保高精度快速原型加工，满足您的功能测试要求。

克服金属和塑料快速原型制作的挑战

金属和塑料是最常用的多材料快速成型组合。但它们物理性质的差异（例如导热性和硬度）带来了巨大的加工挑战。只有克服这些挑战，才能保证金属和塑料快速成型原型的质量。

热控制是一个大问题。金属加工产生的热量会传递到周围的塑料并使其软化。解决方法是采用跳式加工：先加工金属部件一段时间，然后再加工塑料部件或其他区域，以便让金属部分冷却。局部冷却，例如空气冷却，也用于防止塑料因热变形。

界面应力和精度也至关重要。我们如何才能实现塑料和金属部件之间的无缝界面？

解决方案是利用 JS Precision 等定制 CNC 快速原型服务提供商的精密加工能力，直接加工微结构（例如倒扣和加强筋），以实现压入配合、卡扣配合或粘合，从而实现物理互锁，增强连接强度和密封性。

为了克服快速原型金属和塑料加工的挑战，JS Precision 提供创新的热管理和界面加工解决方案，以确保两种材料之间结合的精度和持久性，从而保证原型的稳定性能。

图 2：金属快速成型

硬质和软质材料定制数控快速原型制作策略

在定制原型制作中，硬质材料（例如不锈钢和铝合金）与软质材料（例如软塑料和硅胶）的组合十分常见。通过采用科学的加工方法，平衡不同材料的加工要求，可以实现高质量的定制CNC快速原型制作。

加工原理及参数调整

先加工硬质材料，因为加工过程更稳定，产生的振动和变形更少。然后，以加工好的硬质材料为基准来加工软质材料，可以提高整体精度。

切削刀具的选择应兼顾锋利度和防止切屑堆积的能力。动态参数调整可防止软材料因过热而熔化或变形，从而确保定制数控快速原型加工的质量。

JS Precision 提供定制 CNC 快速原型制作专业服务，并可根据硬质和软质固体的特性开发定制加工技术，以确保原型质量并精确满足您的定制要求。

CNC加工与3D打印：多材料原型生产的巅峰对决

CNC加工和3D打印是目前最热门的多材料原型制作技术。两者各有优势，具体采用哪一种取决于您快速原型开发的需求。了解它们的区别可以帮助您做出正确的选择。

CNC与3D打印多材料原型制作的优缺点比较

结论： CNC快速成型更适合制作高精度、高强度、功能测试级别的原型，满足快速原型开发的高性能要求。而3D打印更适合概念验证、形状匹配以及具有复杂内部空腔的原型制作。

图 3：多材料 CNC 加工原型（左）VS. 3D 打印零件（右）。

案例研究：JS Precision 如何为无人机打造集成式多材料推进原型

这个例子能更直观地展现数控加工如何解决多材料快速原型开发的问题。接下来，我们将详细介绍JS Precision为无人机行业的客户打造多材料推进原型的整个流程。

客户要求

一家无人机公司需要一款轻型、高推力推进原型机进行飞行测试。

高强度和高同轴度的碳纤维复合材料叶片与铝合金轮毂是设计要求。叶片重量需控制在20克以下，轮毂需能承受10000转/分钟的转速并保持轻量化，两者接口精度需达到±0.003毫米。

最突出的挑战是 CFRP 叶片抗撕裂加工、铝制轮毂的高强度轻质结构设计以及两者界面处的微米级精度。

JS Precision 的解决方案

1.协同设计：我们的工程师与客户合作，改进了连接设计，采用榫卯结构而非简单的粘合。这种结构使连接强度提高了35%，并简化了加工和装配。

2.序列化加工：

• 所有 CFRP 叶片首先由五轴数控机床一次性精密加工而成，采用金刚石涂层刀具，转速高达 12,000 rpm，切削深度仅为 0.1 mm，边缘无分层现象。
• 在第二个例子中，在同一装配体中，刀片中心采用硬质合金切削刀具进行高精度榫眼连接结构预处理。
• 第三，将预处理后的铝合金轮坯安装在精密夹具中，并采用空心结构（减重 20%）加工榫头，使其与榫眼接头过盈配合。

3. 集成与验证：采用耐高温粘合剂和物理互锁设计，将两个部件压入配合，形成完整的螺旋桨。然后使用坐标测量机检查关键尺寸，以确保其符合要求。

结果

客户在 5 天内就获得了可用于飞行和高速风洞测试的工作原型，验证了设计，并将产品开发周期缩短了 70% 。

原型机在测试中表现出预期的推力，并且运行稳定，确保了必要的投资，并使客户能够成功地将其快速原型开发项目推进到下一阶段。

图 4：碳纤维和铝合金折叠螺旋桨采用五轴数控加工制造。

启动您的项目：聘请专业的数控快速原型制作服务

为了顺利进行多材料数控原型开发，您应该选择专业的数控快速原型制作服务提供商。

评估其技术实力：了解服务提供商是否具备处理项目中所有材料所需的专业知识和设备，从快速成型金属到特种塑料。例如，服务提供商能否处理PEEK和陶瓷填充复合材料等特殊材料？是否拥有用于加工复杂结构的五轴数控设备？

探索工程支持能力：优秀的供应商会提供可制造性设计审查，而不仅仅是被动地接受图纸。他们能够主动指出设计中的可制造性问题，并提供优化建议，从而节省后期修改成本，提高快速原型制造效率。

质量体系评审：应询问服务提供商如何控制多材料原型关键尺寸，尤其是接口配合的精度。他们是否拥有坐标测量机等测试设备以及完善的测试流程，直接影响原型质量。

引导报价流程：现代化的服务平台应具备流畅的在线报价流程，并清晰阐述流程问题和成本结构。快速且固定的报价有助于您及时规划项目预算，并最大限度地缩短项目启动时间。

JS Precision是一家拥有完整技术能力、专业工程师团队支持和完善质量保证体系的CNC快速原型制作服务公司。我们快捷的报价流程能让您高效、自信、迅速地启动项目。

常见问题解答

问题1：CNC加工多材料原型比3D打印慢很多吗？

并非总是如此。对于结构复杂但强度要求不高的原型，3D打印可能更快。但对于需要高精度、表面光洁度好且材料性能真实的实用原型，CNC加工通常在首件交付时间方面具有优势。这是因为CNC加工确实节省了3D打印后繁琐的后续工序，例如去除支撑、打磨和后固化，更符合快速原型开发的效率要求。

Q2：多材料CNC原型制作成本很高吗？

多材料加工虽然复杂，成本更高，但其价值远远超过增加的成本。通过一次性快速原型制造，您可以预先解决材料兼容性问题、装配干涉和性能瓶颈，避免在批量生产中因变更而导致的成本增加数十倍甚至数百倍。

Q3：我多久能拿到一个多材料CNC原型？

在JS Precision，按照我们标准的快速原型加工流程，从收到您提供的合格数据到交付，简单的多材料原型可在2-3个工作日内完成，复杂的原型也只需5-7个工作日。这样，我们就能按时满足您的快速原型开发计划，而不会延误您的开发周期。

Q4：你们可以加工哪些特殊材料组合？

除了标准金属和塑料外，我们还成功加工过PEEK和钛合金组合、陶瓷填充复合材料和铝合金，以及ULTEM和铜合金组合。我们的工程师在定制CNC快速成型方面经验丰富。欢迎致电我们，探讨您的具体需求，我们将为您制定高效的加工方案。

概括

CNC加工早已超越了“切割金属”的刻板印象，凭借其无与伦比的灵活性和精度，将快速原型制作提升到了新的高度。

通过结合各种材料的最佳性能，它可以让您在产品开发的初期就触摸和确认接近成品的产品体验，从而降低研发风险并加快产品上市速度。

如果您正在打造创新产品，并正在寻找一位熟悉您复杂设计且能高精度生产该产品的制造合作伙伴，那么JS Precision 就是您的理想之选。

凭借我们丰富的经验、先进的技术和高效的流程，我们保证高质量地执行您的快速原型开发项目，使您能够按时将产品推向市场。