增材制造和減材制造：互補(bǔ)還是競爭對手,？

導(dǎo)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(shí),，3D打印目前仍是主要作為減法制造的補(bǔ)充而存在。

減材制造不同于增材制造技術(shù),，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(xì)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(bǔ)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(gè)術(shù)語,。它是計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的首字母縮寫，涵蓋了基于控制機(jī)床的數(shù)字程序的材料去除技術(shù),，比如我們常談?wù)摰你@,、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(shù)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(gè)過程,，首次介紹車削和鉆孔技術(shù)，加工過程針對于旋轉(zhuǎn)軸上的移動(dòng)部件,。加工零件所需的能量是由零件本身的運(yùn)動(dòng)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(fù)制的二維圖紙,，從而形成一個(gè)三維模型。盡管名稱不同,，但車削和鏜削是非常相似的,，因?yàn)樗鼈兌际褂孟嗤�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(jìn)行加工,。車削和鏜孔機(jī)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(shù),，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(shù)使用銑刀來橫向切割材料。這意味著,，當(dāng)銑刀在材料中時(shí),，它可以垂直移動(dòng)并沿其路徑去除材料。由于適用于各種任務(wù)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(diǎn),，會降低它的加工便捷性,。例如，一個(gè)零件的加工通常分為幾個(gè)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(yīng)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(diǎn),，但在打孔時(shí)，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(jìn)行幾個(gè)相同的切割,。雖然數(shù)控加工包含了許多技術(shù)，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(shù)

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(shù)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(yīng)用到混凝土,、石頭、金屬和許多其他材料的零件的生產(chǎn)當(dāng)中,。

除了放電加工外,，激光切割也是一種常用的切割技術(shù)。這種技術(shù)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(dá)1平方毫米的零件,，公差為正負(fù)20微米。除了切割之外,，激光機(jī)還能進(jìn)行雕刻,。激光切割機(jī)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(jī)有很多優(yōu)點(diǎn),，但也有一些缺點(diǎn)：在操作此類機(jī)器時(shí)，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(jìn)行冷卻，這往往需要額外的輔助設(shè)備,。

最后,，在幾種主要的減材制造工藝和更具體的切割技術(shù)中，我們發(fā)現(xiàn)水射流切割,。這個(gè)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(dǎo)致材料收縮和分離,，形成所需的最終形狀。需要一個(gè)高壓壓縮機(jī)來產(chǎn)生這種水射流,。射流的性質(zhì)和有關(guān)材料將影響切割的深度和速度,。這種技術(shù)在航空航天、汽車和機(jī)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(dāng)其他工藝產(chǎn)生切屑、灰塵或煙霧時(shí),，水射流切割消除了所有這些廢物,，因?yàn)樗�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(shù)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(guān)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(jìn)行控制,。例如，如果你想用一整塊鋼來設(shè)計(jì)一個(gè)零件,，就必須至少提前3天將材料帶入要進(jìn)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(jī)，而在同一臺機(jī)器上它是對金屬,、塑料或木材零件進(jìn)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(diǎn),。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?yàn)樗�只使用所需的材料量�?/font>例如，在機(jī)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(shí)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(gè)可打印的零件有時(shí)需要多次操作,，使用不同的機(jī)器,，拆成多個(gè)零件進(jìn)行組裝，才能被減材制造所復(fù)制,。最后,，用材料去除工藝實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的幾何形狀更加困難。增材制造在設(shè)計(jì)過程中允許更多的自由,。換句話說,，設(shè)計(jì)師將不必?fù)?dān)心所使用的機(jī)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(bǔ)的？

由于減材和增材制造兩種技術(shù)途徑不同,，它們大多是以互補(bǔ)的方式使用,。自從3D打印技術(shù)開始強(qiáng)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(shù)優(yōu)勢,，它允許快速和低成本地制造多個(gè)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(jìn)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(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出大量的零件,。然而，其他方法,，如數(shù)控加工,，可能非常耗時(shí)。這種技術(shù)需要一個(gè)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(shù),。

此外，雖然減材制造可以對物體進(jìn)行修復(fù),，但3D打印在這一領(lǐng)域提供了更多可能性,。一個(gè)例子是定向能量沉積（DED）工藝，它可以用來修復(fù)金屬零件,，而不必改變它們,。具體而言，該技術(shù)能夠在現(xiàn)有的零件上增加材料,，從而避免了不必要地進(jìn)行組裝或更換大型零件,。在更大的范圍內(nèi)，3D技術(shù)允許復(fù)制有問題或被時(shí)間磨損的零件,，所有這些都是按需和小批量進(jìn)行的,。用戶可以修復(fù)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(shù)允許零件被修復(fù)（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(jìn)的,。由于它們各自的特點(diǎn)，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(shù)，一些投資項(xiàng)目已經(jīng)創(chuàng)建，如混合先進(jìn)制造,。通過整合各家技術(shù),，來提供增材制造的設(shè)計(jì)自由和減材制造的精度。

南極熊認(rèn)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(diǎn)很是中肯,。他預(yù)測，不久的將來,，3D打印將從概念上的三足鼎立走向價(jià)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(jià)值的產(chǎn)品,，在總價(jià)值的體現(xiàn)上必將占有一定市場。