自工业革命以来，许多制造技术得到了发展。根据工艺的不同，这些技术可以分为不同的类别。主要有三大类：增材制造、减材制造和成形制造。本文将探讨其中两类——减材制造和增材制造的工艺、优缺点及其差异。
什么是减材制造
减材制造通过逐步从一个固体块或板材上去除材料来创建物体。材料的去除是通过切割、钻孔、镗孔或磨削实现的。这些工艺可以手动进行，但通常使用计算机数控技术来完成。如今流行的减材制造工艺是CNC加工。
在CNC加工中，计算机数控切削工具通过机械去除材料来实现所需的几何形状。该过程涉及使用计算机辅助设计（CAD）软件来设计加工模型，以及使用计算机辅助制造（CAM）软件来指导数控机床如何精确地去除材料。根据3D模型进行材料去除的三大主要加工工艺是车削、钻孔和铣削。其他减材制造工艺包括激光切割、水刀切割、电火花加工和等离子切割，这些方法主要用于2D加工。
减材制造的优点
- 适用于多种材料，包括金属、塑料、塑料复合材料甚至木材。
- 可以用于获得几乎任何几何形状，如平面、孔、圆柱、螺纹、插槽等。
- 可以实现高精度，公差约为0.025毫米
- 可以获得光滑的表面处理
减材制造的局限
- 材料浪费较多，因为切屑会被废弃。即使这些切屑可以回收利用，它们仍然是废料
- 每个部件的加工时间比增材制造和成形制造方法更长
什么是增材制造
增材制造是一种通过逐层堆积材料，从3D模型数据中制造部件的过程，与减材制造和成形制造方法相反。尽管目前全球增材制造的大部分应用集中在聚合物基系统上，但在金属部件制造方面也有越来越多的行动和兴趣。
增材制造广为人知的是3D打印。它通过使用3D打印机设备实现。3D打印这个术语涵盖了一系列不同的工艺，这些工艺根据原料和能源来源而异。然而，所有操作中都存在一些共同的基本步骤。
- 首先，设计要打印部件的CAD模型。
- 然后，使用专用的切片软件将这个模型切片成多个横截面层。
- 根据所使用的技术，3D打印机会开始熔化、熔融或固化原料，并逐层堆积，直到形成所需的几何形状。原料可以是粉末、线材、板材或液体。
3D打印工艺包括树脂光固化成型 (SLA), 激光烧结成型 (SLS), 惠普尼龙多流射熔融成型 (MJF) , 热塑性材料熔融沉积成型 (FDM), 金属激光烧结成型 (SLM)等。
增材制造的优点
- 消除了废料因此效率很高
- 相较之下从设计到生产的速度更快
- 能够轻松制造复杂而精细的设计
增材制造的局限
- 与其他制造工艺相比，可用材料种类有限
- 在处理金属时成本较高
- 不适合大批量生产
增材制造和减材制造的比较
| 增材制造 | 减材制造 | |
| 可实现复杂度 | 可以生产具有高度复杂化和精细几何形状的部件，甚至比五轴数控机床加工更好 | 更适合相对简单的几何形状 |
| 可生产特征 | 无法有效生产孔和螺纹等特征 | 能够有效地创建孔和螺纹部分 |
| 所生产部件的性能 | 所生产的部件可能机械性能不足。由于部件是逐层堆叠而成，各层之间可能会出现结构弱点，从而影响特定性能。 | 所生产的部件具有出色的机械和热性能 |
| 精度 | 可实现的尺寸精度较低。更精确的增材制造工艺如激光选区熔化（SLM）或直接金属激光熔融（ DMLS）能够生产公差严格至0.100毫米的部件。 | 可以实现更高的尺寸精度。公差可严格至0.025毫米。 |
| 生产材料 | 主要用于塑料，也适用于少量金属。 | 适用于广泛的材料，包括塑料、金属、木材、泡沫、玻璃和石材。 |
| 后处理 | 所生产的部件都需要进行后处理。 | 所生产的部件不一定需要后处理。 |
| 设置 | 需要更少的设置，从设计到生产的时间较短。在设计部件的CAD模型并进行转换后，只需设置原料，其余工作由3D打印机完成。 | 设置过程需要更多的时间和精力。例如，在数控机床加工中，设计完CAD模型并转换为G代码后，需要设置数控机床的多个方面和参数，包括将工件放置在工作台上，选择和准备适当的切削液，选择和固定切削工具，并设置正确的速度、进给和切削深度。 |
| 可扩展性 | 生产成本与生产数量成正比。随着生产数量的增加，生产成本显著上升。 | 生产成本与生产数量成反比。随着生产数量的增加，生产成本会降低。 |
| 速度和成本 | 对于几何形状较小的部件、塑料和小批量生产，速度更快且成本更低。 | 对于相对较大的部件、金属和大批量生产，速度更快且成本更低。 |
增材制造和减材制造之间的选择
增材制造和减材制造都适用于原型制作。然而，3D打印更适合使用塑料进行原型制作，而金属原型制作则更适合采用增材制造。对于成品，减材制造更为合适。这是因为减材制造生产的部件通常不需要后处理，并且具有更好的机械性能。
对于小批量生产，如1-10个相同的部件，如果使用聚合物材料，使用3D打印更为合适，因为对于这种数量来说成本较低。而生产10-10000个相同部件，减材制造更具成本效益。对于超过10000个数量的生产，应考虑使用成形制造工艺。
增材制造更适合生产较小尺寸的部件。而减材制造则更适合用于较大尺寸的部件。
像金属、木材、玻璃、石材和泡沫这样的材料，要么非常昂贵，要么无法使用增材制造进行制造，因此这些材料需要使用减材制造方式。另一方面，像柔性热塑性聚氨酯弹性体橡胶（TPU）和金属超合金这类难以加工的材料可以通过3D打印来制造。
增材制造对于小批量塑料制品而言比减材制造更具成本效益。然而，对于金属而言，金属激光烧结成型 (SLM)的成本比CNC加工高出100%左右。
总而言之，增材制造更适合用于塑料制成的小型、高度复杂的部件原型制作和小规模生产。而减材制造则更适合用于各种材料制成的相对简单、大型部件的大规模生产。