增材制造和減材制造：互補(bǔ)還是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手？
時(shí)間：2022-06-21 10:48 來(lái)源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導(dǎo)讀：雖然越來(lái)越多的公司開(kāi)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(guò)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(chē)、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(lèi)型的，就像增材制造包含了多種工藝.例如，你可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)"數(shù)控加工"這個(gè)術(shù)語(yǔ)。它是計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的首字母縮寫(xiě)，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(chē)、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(shuō)，并不是所有的減法制造技術(shù)都使用數(shù)字程序，接下來(lái)我們也將介紹一些最流行的切割方法。
△照片來(lái)源。Protolabs
什么是數(shù)控加工？
數(shù)控加工包括幾個(gè)過(guò)程，首次介紹車(chē)削和鉆孔技術(shù)，加工過(guò)程針對(duì)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(wú)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(chē)削和鏜削是非常相似的，因?yàn)樗鼈兌际褂孟嗤脑怼Ｖ饕膮^(qū)別是，鏜削是在零件的內(nèi)部工作，而車(chē)削是在外部工作，允許對(duì)木材、金屬和某些塑料材料進(jìn)行加工。車(chē)削和鏜孔機(jī)現(xiàn)在出現(xiàn)在許多行業(yè)中，如汽車(chē)、航空航天、醫(yī)療甚至裝飾部門(mén)。
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(lái)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(huì)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(guò)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(chē)制造業(yè)使用激光來(lái)生產(chǎn)剎車(chē)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(duì)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(guò)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(lèi)機(jī)器時(shí)，可能會(huì)釋放出有害氣體。此外，由于激光是通過(guò)熱量來(lái)切割材料的，激光器本身可能會(huì)過(guò)熱。因此，有必要對(duì)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(guò)程是基于使用水射流，伴隨著磨料，以高速?zèng)_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(lái)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(chē)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(méi)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)樗淞髟谄渎窂缴蠋ё吡诉@些廢物。
△水射流切割過(guò)程（圖片來(lái)源：Fogepack Systèmes）。
與增材制造相比的劣勢(shì)和優(yōu)勢(shì)
如前所述，減材制造技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)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(wèn)題。為了確保減材制造的尺寸精度，必須對(duì)環(huán)境進(jìn)行控制。例如，如果你想用一整塊鋼來(lái)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(tái)基于不同工藝的打印機(jī)，而在同一臺(tái)機(jī)器上它是對(duì)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(huì)留下大量的廢料，而增材制造則具有吸引力，因?yàn)樗皇褂盟璧牟牧狭俊＠纾跈C(jī)械加工中，必須在制造過(guò)程中清除碎片和其他灰塵，以限制可能干擾切割過(guò)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(guò)程產(chǎn)生的煙霧也有可能對(duì)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(jiàn)。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(guò)程中允許更多的自由。換句話說(shuō)，設(shè)計(jì)師將不必?fù)?dān)心所使用的機(jī)床所帶來(lái)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(kāi)始強(qiáng)勁增長(zhǎng)以來(lái)，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(shì)，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(duì)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(duì)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(lái)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(wèn)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(duì)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(lái)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(lèi)型的制造相輔相成，可以快速創(chuàng)造出以前從未想象過(guò)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(guò)整合各家技術(shù)，來(lái)提供增材制造的設(shè)計(jì)自由和減材制造的精度。
對(duì)于減材制造和增材制造未來(lái)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(cè)，不久的將來(lái)，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(méi)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(chǎng)。
(責(zé)任編輯：admin)
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