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    【工業(yè)科技前瞻】增材制造和減材制造



                  增材制造和減材制造:互補還是競爭對手?          

    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材制造的補充而存在。

    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。



    【減材制造】

    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)"數控加工"這個(gè)術(shù)語(yǔ)。它是計算機數字控制的首字母縮寫(xiě),涵蓋了基于控制機床的數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。數控加工現在可以兼容廣泛的材料,從塑料到金屬。也就是說(shuō),并不是所有的減材制造技術(shù)都使用數字程序,接下來(lái)我們也將介紹一些最流行的切割方法。


    數控加工包括幾個(gè)過(guò)程,首次介紹車(chē)削和鉆孔技術(shù),加工過(guò)程針對于旋轉軸上的移動(dòng)部件。加工零件所需的能量是由零件本身的運動(dòng)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(wú)限復制的二維圖紙,從而形成一個(gè)三維模型。盡管名稱(chēng)不同,但車(chē)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(chē)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(chē)削和鏜孔機現在出現在許多行業(yè)中,如汽車(chē)、航空航天、醫療甚至裝飾部門(mén)。


    讓我們繼續討論另一種技術(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(zhù),當銑刀在材料中時(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。


    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(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進(jìn)行幾個(gè)相同的切割。雖然數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(xiàn)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(chǎn)當中。


    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(jìn)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(yōu)點(diǎn),但也有一些缺點(diǎn):在操作此類(lèi)機器時(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,有必要對其進(jìn)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(shù)中,我們發(fā)現水射流切割。這個(gè)過(guò)程是基于使用水射流,伴隨著(zhù)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(gè)高壓壓縮機來(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,而且與各種減材工藝不同,它沒(méi)有危害。當其他工藝產(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,因為水射流在其路徑上帶走了這些廢物。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。與大多數依賴(lài)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,必須對環(huán)境進(jìn)行控制。例如,如果你想用一整塊鋼來(lái)設計一個(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(jìn)行減材加工是可能的。

     

    【技術(shù)對比】

    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(guò)程中清除碎片和其他灰塵,以限制可能干擾切割過(guò)程的多余材料的數量。除了減材制造產(chǎn)生的粉塵外,該過(guò)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(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,使用不同的機器,拆成多個(gè)零件進(jìn)行組裝,才能被減材制造所復制。最后,用材料去除工藝實(shí)現復雜的幾何形狀更加困難。增材制造在設計過(guò)程中允許更多的自由。換句話(huà)說(shuō),設計師將不必擔心所使用的機床所帶來(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,它們大多是以互補的方式使用。自從3D打印技術(shù)開(kāi)始強勁增長(cháng)以來(lái),它最常被用于原型制作。憑借著(zhù)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(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,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)修復金屬零件,而不必改變它們。具體而言,該技術(shù)能夠在現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,3D技術(shù)允許復制有問(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(hù)可以修復他們的零件,而不是扔掉,并將其對環(huán)境的影響降到最低。


    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。為了結合這些制造技術(shù),一些投資項目已經(jīng)創(chuàng )建,如混合先進(jìn)制造。通過(guò)整合各家技術(shù),來(lái)提供增材制造的設計自由和減材制造的精度。

     

    對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(guān)點(diǎn)很是中肯。他預測,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)值的體現上必將占有一定市場(chǎng)。


    文章發(fā)表時(shí)間:2022-06-22 09:52 來(lái)源:南極熊3D打印網(wǎng) 作者:wuping 






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