增材制造和減材制造：互補還是競爭對手？

導讀：雖然越來越多的公司開始選擇增材制造作為一種加工手段,，但減材制造仍然是目前工業(yè)界使用最廣泛的方法。同時,，3D打印目前仍是主要作為減法制造的補充而存在,。

減材制造不同于增材制造技術，它是通過去除材料以生產(chǎn)出所需尺寸的零件,。它們現(xiàn)在被部署在許多行業(yè),，如航空,、汽車、冶金等,。南極熊本期文章仔細討論了減材制造和增材制造之間的差異,，以及它們彼此之間的互補作用。

首先減材制造方法也是擁有多種類型的,，就像增材制造包含了多種工藝.例如,，你可能聽說過"數(shù)控加工"這個術語。它是計算機數(shù)字控制的首字母縮寫,，涵蓋了基于控制機床的數(shù)字程序的材料去除技術,，比如我們常談論的鉆、車,、銑或鏜等,。數(shù)控加工現(xiàn)在可以兼容廣泛的材料,，從塑料到金屬,。也就是說，并不是所有的減法制造技術都使用數(shù)字程序,，接下來我們也將介紹一些最流行的切割方法,。

△照片來源。Protolabs

什么是數(shù)控加工,？

數(shù)控加工包括幾個過程,，首次介紹車削和鉆孔技術，加工過程針對于旋轉(zhuǎn)軸上的移動部件,。加工零件所需的能量是由零件本身的運動提供的,。這些方法使得制造任何以旋轉(zhuǎn)為模型的零件成為可能。具體而言,，它是一種沿旋轉(zhuǎn)軸無限復制的二維圖紙,，從而形成一個三維模型。盡管名稱不同,，但車削和鏜削是非常相似的,，因為它們都使用相同的原理。主要的區(qū)別是,，鏜削是在零件的內(nèi)部工作,，而車削是在外部工作，允許對木材,、金屬和某些塑料材料進行加工,。車削和鏜孔機現(xiàn)在出現(xiàn)在許多行業(yè)中，如汽車,、航空航天,、醫(yī)療甚至裝飾部門,。

讓我們繼續(xù)討論另一種技術，即銑削,。銑削具有極高的精確性,、創(chuàng)造具有內(nèi)部空腔零件的能力和加工零件的能力，是一種極其重要的制造手段,。該技術使用銑刀來橫向切割材料,。這意味著，當銑刀在材料中時,，它可以垂直移動并沿其路徑去除材料,。由于適用于各種任務和材料加工，銑削與許多材料兼容,。盡管如此,，這種方法也有一些缺點，會降低它的加工便捷性,。例如,，一個零件的加工通常分為幾個步驟/操作，這些都需要定期更換刀具,。

△銑削過程

鉆孔和銑削使用的工具非常相似,，但不應混淆。鉆孔只用于用鉆頭打圓孔,。雖然銑削提供了更大的制造自由度,，特別是允許制作直徑大于自身的孔或形狀，但鉆孔允許你鉆出與鉆頭直徑相等的孔,。盡管有許多優(yōu)點,，但在打孔時，銑削要比鉆孔慢得多,，這就是為什么鉆孔更適合于連續(xù)進行幾個相同的切割,。雖然數(shù)控加工包含了許多技術，但減材制造并不限于這些,。其他方法,，如切割，也被許多行業(yè)所采用,。

不同的切割技術

有些人使用激光切割,，如汽車制造業(yè)使用激光來生產(chǎn)剎車片等精密零件，而其他人則選擇EDM,。EDM也就是放電加工,，這種技術有3種形式：線切割、沉降片切割和快速鉆孔,，它與傳統(tǒng)的鉆孔不同,，能夠利用電極打出更薄,、更深的孔。雖然這些不同的方法相對較慢,，但它們與其他方法的區(qū)別在于精確度,。放電加工可應用到混凝土、石頭,、金屬和許多其他材料的零件的生產(chǎn)當中,。

除了放電加工外，激光切割也是一種常用的切割技術,。這種技術通過功率為幾百瓦的激光器,，可以快速、精確地切割幾種材料,。例如,，切割面積達1平方毫米的零件，公差為正負20微米,。除了切割之外,，激光機還能進行雕刻。激光切割機有兩種形式,。二氧化碳激光器和光纖激光器,，它們用于切割和雕刻金屬。盡管激光切割機有很多優(yōu)點,，但也有一些缺點：在操作此類機器時，可能會釋放出有害氣體,。此外,，由于激光是通過熱量來切割材料的，激光器本身可能會過熱,。因此,，有必要對其進行冷卻，這往往需要額外的輔助設備,。

最后,，在幾種主要的減材制造工藝和更具體的切割技術中，我們發(fā)現(xiàn)水射流切割,。這個過程是基于使用水射流,，伴隨著磨料，以高速沖擊材料的表面,。這導致材料收縮和分離,，形成所需的最終形狀。需要一個高壓壓縮機來產(chǎn)生這種水射流,。射流的性質(zhì)和有關材料將影響切割的深度和速度,。這種技術在航空航天,、汽車和機械行業(yè)很受歡迎。它具有高精度,，與許多材料兼容,，而且與各種減法工藝不同，它沒有危害,。當其他工藝產(chǎn)生切屑,、灰塵或煙霧時，水射流切割消除了所有這些廢物,，因為水射流在其路徑上帶走了這些廢物,。

△水射流切割過程（圖片來源：Fogepack Systèmes）。

與增材制造相比的劣勢和優(yōu)勢

如前所述,，減材制造技術的主要優(yōu)勢可能是其提供高尺寸精度的能力,。與大多數(shù)依賴熱能操作的3D打印工藝不同，減材制造允許在室溫下制造零件,，從而避免了與材料的工作（收縮）有關的尺寸精度問題,。為了確保減材制造的尺寸精度，必須對環(huán)境進行控制,。例如,，如果你想用一整塊鋼來設計一個零件，就必須至少提前3天將材料帶入要進行切割的房間,，否則它將根據(jù)溫度和濕度改變工作尺寸,。

減材制造工藝還得益于更廣泛的兼容材料。與3D打印相比,，如果你想使用不同的材料,，就必須有幾臺基于不同工藝的打印機，而在同一臺機器上它是對金屬,、塑料或木材零件進行減材加工是可能的,。

△減法制造提供了高尺寸精度

然而，減材制造工藝有很大的缺點,。首先,，與3D打印相比，不同的減材制造生產(chǎn)方式會留下大量的廢料,，而增材制造則具有吸引力,，因為它只使用所需的材料量。例如,，在機械加工中,，必須在制造過程中清除碎片和其他灰塵，以限制可能干擾切割過程的多余材料的數(shù)量。除了減法制造產(chǎn)生的粉塵外,，該過程產(chǎn)生的煙霧也有可能對操作人員造成很大傷害,，這在使用激光或電火花加工時非常常見。

此外,，減材制造不能像3D打印那樣提供制造的自由度,。一個可打印的零件有時需要多次操作，使用不同的機器,，拆成多個零件進行組裝,，才能被減材制造所復制。最后,，用材料去除工藝實現(xiàn)復雜的幾何形狀更加困難,。增材制造在設計過程中允許更多的自由。換句話說,，設計師將不必擔心所使用的機床所帶來的限制,，因此能夠讓他的想象力自由馳騁，不受制造能力的限制,。

減材和增材制造是如何互補的,？

由于減材和增材制造兩種技術途徑不同，它們大多是以互補的方式使用,。自從3D打印技術開始強勁增長以來,，它最常被用于原型制作。憑借著3D打印本身的技術優(yōu)勢,，它允許快速和低成本地制造多個部件,，因此提供了不同迭代的可能性。

對于確定了形狀和材料的部件生產(chǎn)需求,，就有可能使用減材制造方法進行大規(guī)模生產(chǎn),。一些工藝，如激光切割和水射流切割,，可以在很短的時間內(nèi)設計出大量的零件。然而,，其他方法,，如數(shù)控加工，可能非常耗時,。這種技術需要一個重要的編程步驟,，以及必要的人力成本。今天,，數(shù)控加工主要用于注塑模具的制造,，這是一種成型的制造技術。

此外,，雖然減材制造可以對物體進行修復,，但3D打印在這一領域提供了更多可能性,。一個例子是定向能量沉積（DED）工藝，它可以用來修復金屬零件,，而不必改變它們,。具體而言，該技術能夠在現(xiàn)有的零件上增加材料,，從而避免了不必要地進行組裝或更換大型零件,。在更大的范圍內(nèi)，3D技術允許復制有問題或被時間磨損的零件,，所有這些都是按需和小批量進行的,。用戶可以修復他們的零件，而不是扔掉,，并將其對環(huán)境的影響降到最低,。

△DED技術允許零件被修復（圖片來源：AdvancedPowders）。

盡管有差異和流程,，但減材制造和增材制造往往是齊頭并進的,。由于它們各自的特點，這兩種類型的制造相輔相成,，可以快速創(chuàng)造出以前從未想象過的精確零件,。為了結(jié)合這些制造技術，一些投資項目已經(jīng)創(chuàng)建,，如混合先進制造,。通過整合各家技術，來提供增材制造的設計自由和減材制造的精度,。

南極熊認為,，對于減材制造和增材制造未來的發(fā)展方向，盧秉恒院士給出“減材,、等材,、等材三分天下”觀點很是中肯。他預測,，不久的將來,，3D打印將從概念上的三足鼎立走向價值分享的三分天下，即便在批量生產(chǎn)方面3D打印或許沒有模具制造,、切削加工那么大,，但它可以制造出一些具有高端價值的產(chǎn)品，在總價值的體現(xiàn)上必將占有一定市場,。