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界使用最廣泛的方法。同時，3D打印目前仍是主要作為減材制造的補充而存在。
減材制造不同于增材制造技術，它是通過去除材料以生產出所需尺寸的零件。它們現在被部署在許多行業，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"數控加工"這個術語。它是計算機數字控制的首字母縮寫，涵蓋了基于控制機床的數字程序的材料去除技術，比如我們常談論的鉆、車、銑或鏜等。數控加工現在可以兼容廣泛的材料，從塑料到金屬。也就是說，并不是所有的減材制造技術都使用數字程序，接下來我們也將介紹一些最流行的切割方法。
△照片來源 Protolabs
什么是數控加工？
數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為模型的零件成為可能。具體而言，它是一種沿旋轉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。主要的區別是，鏜削是在零件的內部工作，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。車削和鏜孔機現在出現在許多行業中，如汽車、航空航天、醫療甚至裝飾部門。
讓我們繼續討論另一種技術，即銑削。銑削具有極高的精確性、創造具有內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進行幾個相同的切割。雖然數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，如汽車制造業使用激光來生產剎車片等精密零件，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，我們發現水射流切割。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生這種水射流。射流的性質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、汽車和機械行業很受歡迎。它具有高精度，與許多材料兼容，而且與各種減材工藝不同，它沒有危害。當其他工藝產生切屑、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勢
如前所述，減材制造技術的主要優勢可能是其提供高尺寸精度的能力。與大多數依賴熱能操作的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。
△減材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量。除了減材制造產生的粉塵外，該過程產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需求，就有可能使用減材制造方法進行大規模生產。一些工藝，如激光切割和水射流切割，可以在很短的時間內設計出大量的零件。然而，其他方法，如數控加工，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，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，并將其對環境的影響降到最低。
△DED技術允許零件被修復
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，可以快速創造出以前從未想象過的精確零件。為了結合這些制造技術，一些投資項目已經創建，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。
對于減材制造和增材制造未來的發展方向，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品，在總價值的體現上必將占有一定市場。
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