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减材制造对比增材制造

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。

  1. 首先,设计要打印部件的CAD模型。
  2. 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。
  3. 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。


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