積層製造和減材製造是航空航太、汽車和醫療器材製造領域工程師常用的方法。選擇最佳方法可以降低成本並縮短交貨時間。
積層製造和減材製造是現代製造業中兩種廣泛應用的製程。它們各自採用不同的方法和優勢，並運用兩種截然不同的理念。
閱讀本文後，您將更了解積層和減材製造流程、相關成本和關鍵細節，同時深入了解混合製造與積層和減材技術的整合。
什麼是減材製造？
減材加工透過材料去除來體現
定義： 減材製造是一種製造方法，它透過控制切割、鑽孔、銑削、研磨和鏜孔操作，從固體工件中去除材料來製造零件，這與逐層建造零件的增材製造相反。
也被稱為： 減材製造又稱為機械加工、CNC加工或傳統製造。
關鍵特徵
減材製造有三個顯著特徵：
- 材料去除從多餘的材料開始，去除不需要的部分。
- 精密控制：公差可達±0.001″（0.025mm）
- 減材工藝：使用切割工具、雷射、水柱或電火花加工去除材料
手工減材製造與CNC減材製造
手工加工傳統的減材製造依賴熟練的機械師手工操作車床、銑床和鑽床，根據經驗和測量結果調整設定。
數控加工現代減材製造採用電腦數控 (CNC) 系統，實現了整個過程的自動化：
- CAD設計工程師使用CAD軟體建立3D模型
- CAM程式設計CAM軟體將設計圖轉換為機器可讀的G代碼
- 刀具路徑生成軟體計算最佳切削路徑、速度和進給量
- 自動執行CNC工具機執行程序時只需極少的人工幹預
- 品質監控：將零件與原廠CAD模型進行比對。
這種電腦控制方法實現了手動加工無法實現的重複性、一致性和複雜性。
減材製造流程的工作原理
步驟1：設計 工程師建立 3D CAD 模型，定義零件的幾何形狀、尺寸和公差。
第 2 步：編程 CAM軟體分析模型並產生CNC代碼（G代碼和M代碼），其中指定：
- 工具選擇和變更
- 主軸轉速（RPM）
- 進給速度（英吋/分鐘）
- 切削深度和切削次數
- 冷卻劑活化
第 3 步：設置 工件透過夾具、虎鉗或真空吸盤固定在機床上。切削刀具裝入刀庫。
第4步：機加工 數控工具機執行程序，透過各種作業系統地去除材料：
- 粗加工工序快速去除大量物料。
- 精加工工序可達到最終尺寸和表面質量
- 針對不同功能，工具切換會自動進行。
第 5 步：後處理 零件可能需要進行二次加工，例如去毛邊、拋光、熱處理或塗層。
常見的減材製造流程有哪些？
車床上的CNC鑽孔
常見的減材製造流程包括多種方法，適用於不同的應用。主要的減材製造方法包括：
| 過程 | 運作原理 | 材料種類 | 應用例子 |
|---|---|---|---|
| 數控銑床 | 使用旋轉多點切削刀具從工件上去除材料，從而高精度地創建複雜的三維幾何形狀。 | 硬質熱塑性塑膠、鋁、鋼、鈦、黃銅（工業CNC工具機） | 航空航太零件、汽車零件、模具、原型 |
| 數控車削 | 在工件旋轉的同時，固定的切削刀具去除材料，從而生產出公差要求嚴格的圓柱形零件。 | 軟硬金屬、工程塑膠、木材 | 軸、銷、襯套、螺紋部件 |
| CNC鑽孔 | 使用鑽頭在工件上鑽出精確的孔，深度和位置由數控程序控制。 | 金屬、塑膠、複合材料、木材 | 電路板、引擎缸體、結構件 |
| CNC鏜孔 | 使用單點切削刀具將現有孔擴大至精確直徑，以提高精度和表面光潔度。 | 硬金屬、鑄鐵、鋼合金 | 引擎汽缸、液壓缸、精密殼體 |
| 數控鉸孔 | 使用多刃鉸刀將預鑽孔加工至精確尺寸，並獲得卓越的表面品質。 | 硬化鋼、不銹鋼、鋁 | 精密軸承、閥體、航太配件 |
| 研磨 | 利用高速旋轉的砂輪去除少量材料，實現嚴格的公差和優異的表面光潔度。 | 硬化金屬、陶瓷、玻璃、碳化物 | 模具精加工、精密齒輪、軸承滾道 |
| 電火花加工 (EDM) | 利用電火花汽化金屬，無需工具直接接觸即可形成複雜形狀，是硬質材料的理想選擇。 | 硬金屬、工具鋼、鈦、碳化鎢 | 複雜模具、沖模、醫療器材、航太零件 |
| 激光切割 | 聚焦高功率雷射光束，沿著預設路徑以極高的精度熔化、燃燒或汽化材料。 | 熱塑性塑膠、木材、丙烯酸樹脂、紡織品、金屬薄板（工業雷射系統） | 標誌、裝飾件、墊圈、鈑金加工 |
| 水射流切割 | 利用高壓水流混合磨料顆粒，切割材料時不會產生熱影響區。 | 塑膠、橡膠、軟硬金屬、石材、玻璃、複合材料、泡沫 | 墊圈、食物切割、石材檯面、精密金屬零件 |
常見的減材加工流程包括車削、鑽孔和銑削，這些製程通常使用工業機器或桌上型機器或大型設備進行 在機械車間。
減材製造工具可用 如今，其形式多種多樣，可以滿足小規模和大規模的生產需求。
減材製造中的材料
減材製造提供了廣泛的材料選擇，賦予了此工藝多功能性。以下列出了一些最常用的材料：
- 金屬：金屬因其優異的性能而成為減材製造中最常用的材料，非常適合製造用於航空航天和汽車工業的精密零件。
- 塑料尼龍和ABS塑膠用於製造各種需要輕量化的精密零件，這些零件應用於各種領域。
- 複合材料：可以使用特殊切削工具加工碳纖維等聚合物複合材料，以製造高性能零件。
- 木材和陶瓷：這些材料僅針對特定應用進行加工，例如家具或客製化組件。
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什麼是積層製造？
3D印刷
積層製造（AM）是一種 逐層製造工藝 積層製造技術直接根據CAD文件建造實體零件，僅在設計需求的地方沉積、熔合或固化材料。與從實心塊體上切削材料的CNC減材加工不同，增材製造幾乎零浪費地添加材料，因此是快速原型製作、小批量生產以及具有複雜內部幾何形狀的零件製造的首選方法。
最常見的積層製造流程是 3D列印， 它用於生產具有複雜幾何形狀的精密零件。
一些常見的積層製造流程包括熔融沈積成型 (FDM)、立體光刻 (SLA) 等技術，以及 選擇性激光燒結 （SLS），每種都有不同的應用。 積層製造技術使得原型設計和小批量生產變得更加容易，並且由於 3D 列印的高度多功能性而變得隨時可用。
增材製造工藝
積層製造是一種用途極為廣泛的工藝，它擁有各種具有獨特功能的製造技術：
| 增材製造工藝 | 運作原理 | 相容材料 | 最適合 | 典型公差 |
|---|---|---|---|---|
| 熔融沈積建模（FDM） | 將熱塑性長絲逐層擠出，並透過加熱噴嘴進行加工。 | PLA、ABS、PETG、尼龍、PEEK、TPU | 功能原型、夾具、工裝、低成本最終用途零件 | ±0.5毫米 |
| 立體光刻（SLA） | 紫外線雷射逐層固化液態光敏樹脂 | 標準樹脂、工程樹脂、牙科樹脂、鑄造蠟樹脂 | 高精度原型、牙科模型、熔模鑄造模型 | ±0.1毫米 |
| 選擇性激光燒結 (SLS) | 二氧化碳雷射燒結聚合物粉末－無需支撐結構 | PA12尼龍、PA11、TPU、玻璃纖維增強尼龍 | 複雜幾何形狀、功能性組件、小批量生產 | ±0.3毫米 |
| 直接金屬激光燒結 (DMLS) | 高功率光纖雷射熔化金屬粉末，製成完全緻密的零件。 | Ti6Al4V、316L不銹鋼、AlSi10Mg、Inconel 718、CoCr | 航空航太支架、醫療植入物、刀具鑲件、高載重結構件 | ±0.1毫米 |
| 多射流融合 (MJF) | 紅外線能量將尼龍粉末與黏合劑和細化劑融合在一起。 | PA12、PA11、TPU | 大批量聚合物生產、各向同性零件強度、精細表面細節 | ±0.3毫米 |
| 粘合劑噴射 | 將液態黏合劑逐層噴射到金屬或砂粉上 | 不鏽鋼、因科鎳合金、全彩石膏、石英砂 | 高產量金屬零件、砂型鑄造模具、全彩模型 | ±0.2毫米 |
| 定向能量沉積 (DED) | 聚焦雷射在沉積過程中熔化金屬絲或粉末。 | 鈦、因科鎳合金、不銹鋼、銅合金 | 元件維修、大尺寸金屬成型、積層製造+CNC加工 | ±0.5毫米 |
這些積層製造技術得到了易於使用的桌面增材和減材製造系統以及大型工業設備的支持，使得積層製造技術能夠應用於各個行業。我們提供 3D打印服務 適用於工業級 FDM、SLA 和 SLS 列印，並在 3-5 天內交付零件。
積層製造可以使用哪些材料？
金屬3D打印
增材製造支援多種材料，從而實現設計和應用的靈活性。常見材料包括：
塑料：塑膠是積層製造最常用的材料，因為它具有成本效益、無縫列印工藝和品質。
金屬：金屬堅韌耐用，用途廣泛。例如 鈦及合金 通常使用 CNC 機器進行加工。
DMLS 增材製程用於製造重工業中使用的高強度精密零件
複合材料：碳纖維和玻璃填充材料等增強聚合物重量輕且性能高，是汽車產業的理想選擇。
樹脂：SLA 是一種樹脂固化工藝，具有高細節和光滑的表面光潔度，非常適合珠寶製作。
陶瓷和生物相容性材料：這些材料的應用範圍非常小眾，例如植入物，而且種類繁多，因此 3D 列印等增材製造對於生物相容性來說是理想的選擇。
減材製造與積層製造：主要區別
積層製造和減材製造在方法上有著根本的不同 材料 操縱，影響其應用和結果。
| 方面 | 減材製造 | 添加劑製造 |
|---|---|---|
| 過程 | 透過切削工具從固體工件上去除材料 | 透過添加材料逐層建造零件 |
| 設備 | 使用CNC工具機，例如銑床、車床、鑽床和車削中心。 | 使用由CAD軟體指導的3D列印機（FDM、SLA、SLS等） |
| 設備成本 | 小型車間用CNC工具機起價約為 2,000 美元。高級車間用機床的價格從 10,000 美元到 50,000 美元不等，具體取決於軸數、功能、零件尺寸和所需刀具。工業級系統的價格則在 50,000 美元到 500,000 美元以上。 | 專業桌上型3D列印機（塑膠材質）起價3,500美元。工業級SLA/SLS系統價格在15,000美元至100,000美元之間。大型工業金屬3D列印機起價400,000美元以上。 |
| 材料效率 | 移除木屑和碎屑時會產生材料廢料。 | 僅使用零件所需的材料，最大限度地減少浪費。 |
| 材料種類 | 金屬（鋁、鋼、鈦、黃銅）、硬質熱塑性塑膠、熱固性塑膠、木材、泡沫材料、複合材料 | 熱塑性塑膠（PLA、ABS、尼龍）、光敏樹脂、金屬粉末、陶瓷、複合材料 |
| 幾何複雜性 | 受限於切削刀具可加工的幾何形狀；難以形成內部通道或晶格結構 | 擅長處理複雜幾何形狀、有機形狀、內部通道、晶格結構以及作為單一部件的組件。 |
| 精度和完成度 | 透過加工即可實現高精度（±0.001″）、嚴格的公差和優異的表面光潔度。 | 典型精度為±0.1-0.5mm；可能需要後處理（打磨、蒸汽拋光、機械加工）以獲得精細的表面光潔度。 |
| 生產量 | 一旦模具安裝完畢，對於中高批量生產而言，該方法經濟高效且速度快。 | 非常適合小批量生產、客製化零件、按需製造和原型製作。 |
| 交期 | 工裝夾具的準備時間較長，但大規模生產單一零件的速度較快。 | 設定時間最短；列印時間取決於零件尺寸和複雜程度；更適合快速原型製作。 |
| 零件尺寸 | 可使用工業工具機生產尺寸非常大的零件（數公尺）；尺寸受工具機工作台限制。 | 受印表機列印尺寸限制；桌面級通常為 200-400 毫米，工業級系統可達 1000 毫米以上。 |
| 強度和性能 | 零件具有完整的材料密度和強度；無層間黏合問題；具有優異的機械性能 | 強度取決於層間黏合力；可能具有各向異性（層間強度較弱）；隨著先進材料的出現，強度增加。 |
| 培訓要求 | 小型CNC工具機需要適度的軟體、作業設定、維護、操作和表面處理的訓練。工業減材製造系統則需要專職人員和大量的訓練。 | 桌上型3D列印機幾乎是即插即用，只需少量訓練即可完成列印設定、維護和後製。而工業級積層製造系統則需要專職人員和大量的訓練。 |
| 設施要求 | 小型CNC工具機適用於車間；工業系統需要更大的專用空間，並配備適當的通風和電力。 | 桌上型3D列印機適用於空間適中的辦公室和工作檯面；工業級3D列印機通常需要專用空間或配備暖通空調控制系統的房間以確保溫度穩定性。 |
| 輔助設備 | 需要各種刀具；先進的系統可自動執行諸如刀具更換、切屑清除和處理、冷卻液管理等流程。 | 根據製程的不同，需要使用清潔、清洗、後固化、精加工和去除支撐等工具和系統。 |
| 表面處理 | 加工後表面光潔度極佳；可達到 Ra 0.4-3.2 µm (16-125 µin) | 可見層紋；表面粗糙度通常為 Ra 6-25 µm；需要後處理才能獲得光滑表面。 |
| 設計靈活性 | 需考慮刀具進給、拔模角度與加工方向 | 設計自由度高；幾何約束極少；非常適合有機形狀 |
| 材料浪費 | 材料去除率通常為 40-90%；切屑通常可以回收。 | 5-10%的廢料（支撐物）；粉末可在某些製程中重複使用。 |
| 最佳應用 | 高精度零件、大量生產、金屬零件、嚴格公差、優異的表面光潔度 | 複雜原型、客製化零件、小批量生產、快速迭代、幾何複雜性 |
流程和方法
減材製造涉及材料去除工藝，例如銑削、車削和鑽孔，這些工藝使用 數控加工.
減材製造是一種高度精確且細緻的製程。它採用電腦數控技術，可以加工金屬、塑膠和複合材料工件。
積層製造與減材製造相反。積層製造的原理是使用 3D 列印機緩慢地逐層列印材料。
設備和設置
減材製程利用 5 軸 CNC 銑床和工具機精確加工多餘的材料，從而形成工件。減少 週期 在 CNC 中提高了設定的整體效率。
積層製造利用 3D 列印機與 CAD 模型配對來建立工件。
3D 列印機的範圍從桌上型電腦到大型工業設備，可以大規模且有效率地生產零件。
材料和廢棄物
減材製造會去除材料並產生廢料，這會增加貴金屬零件的成本。而積層製造則透過尖端列印材料，從而提高效率。
3D 列印確實需要對組件進行支撐，以保持適當的結構並確保列印安全
設計靈活性
積層製造用途廣泛，可輕鬆創造複雜的幾何形狀。它由CAD支持，因此能夠創建諸如空心部件之類的複雜設計，而這是減材製造方法無法實現的。
減材製造僅限於專用工具以及工具和材料加工能力。
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減材製造有哪些優勢？
減材製造提供 與其他加工工藝相比，它具有許多優勢。其中一些優點如下：
- 高精度和公差：減材 CNC 製程採用 5 軸加工，可達到嚴格的公差和一致的表面效果，
- 材料 多功能性：減材製造可以處理多種材料，包括金屬、塑膠、複合材料，滿足多種應用。
- 已建立的基礎設施：大多數機械車間都配備減材製造工具，這得益於數十年的技術發展和熟練勞動力的支持。
- 耐久度：透過減材製程生產的零件通常是整體式的，與某些 3D 列印組件相比具有更高的強度。
增材製造有哪些優勢？
添加劑製造 提供獨特的優勢，補充 減法 方法：
- 複雜幾何形狀：增材製程無需專門的工具即可創建複雜的設計，包括內部結構和晶格圖案。
- 快速原型：3D列印過程快速且有效率，能夠快速改進和開發，並能在大量生產之前發現任何缺陷。
- 材料 效率：積層製造不會產生過多的廢料，僅利用生產工件所需的材料。它不會像減材製造那樣產生浪費。
- 定製：積層製造具有高度客製化性，因此生產小批量、個人化的產品很容易。
積層製造與減材製造的價格
这 製造成本 of 加法和減法 流程 可能會因材料和機器類型而異。下表比較了關鍵成本因素：
| 成本因素 | 減材製造 | 添加劑製造 |
| 設備成本 | CNC工具機、銑床和車床的初始成本高。 | 桌上型 3D 列印機（便宜）到昂貴的工業機器；維護成本較低。 |
| 材料成本 | 由於材料去除產生的浪費，導致更高。 | 減少材料浪費；金屬粉末可能很昂貴。 |
| 人工成本 | 需要熟練的數控機械師 | 降低桌上型系統的勞動成本 |
| 生產量 | 對於大批量加工製程來說具有成本效益。 | 對於小批量或客製化零件來說更經濟 |
| 工具和設定 | 需要客製化夾具和工具，增加成本 | 最低的模具成本 |
| 後期處理 | 最少的後處理 | 可能需要大量的後製 |
由於需要CNC工具機和切削刀具，減材製造的成本更高。此外，它會產生廢料，需要專用工具，導致金屬加工成本倍增。然而，對於大批量生產而言，減材製造具有成本效益。
對於積層製造而言，它不會產生材料浪費，但由於採用了專門的聚合物和金屬粉末，材料成本較高。
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在積層製造和減材製造之間進行選擇
這兩種工藝都可以生產出高度精細的工件，用於不同行業的各種應用。
選擇積層製造或減材製造取決於項目和材料特性
在某些情況下，結合積層製造和減材製造以形成混合製程可以產生最佳效果，但此製程需要徹底的專案評估和材料行為評估結果。
設計和幾何複雜性
使用積層製造可以輕鬆生產複雜的幾何形狀，例如內部格子和空心零件。這些幾何形狀無法透過減材製造方法製造。
減材製造可以生產具有高精度的簡單幾何形狀，但由於可訪問性問題而無法創建內部幾何形狀，因為工具無法讀取工件內部的資訊。
材料要求
減材製造用途廣泛，可高精度、高效率地加工各種材料，包括金屬、塑膠和複合材料以及銑削和數控加工等各種工藝。
積層製造適用於塑膠和聚合物複合材料，但與機械加工零件相比，某些 3D 列印零件的強度可能較低。
精度和表面光潔度
減材 CNC 製程可以生產公差和表面光潔度嚴格的產品，非常適合航空航太和醫療產業。
積層製造確實能產生光滑的表面，但需要研磨和銑削來拋光錶面並達到嚴格的公差。這種額外的加工會增加工件的成本。
生產量和可擴展性
兩種工藝適用於不同的生產規模。減材製造 大批量生產更便宜，並且採用快速加工流程來提高效率。
積層製造更適合需要客製化和複雜幾何形狀的小批量生產。此工藝不需要昂貴的工具，但單位成本較高，因此僅建議用於小批量生產。
交付週期和原型設計
積層製造顯著縮短了原型製作的準備時間，無需客製化夾具即可實現快速迭代和設計驗證。
減材製造雖然能夠生產原型，但由於工具和程式設計要求，通常需要更長的設定時間。
成本考慮
每種製造方法的成本效益取決於專案範圍。減材製造對於標準零件的大量生產可能更經濟，而積層製造則更適合小批量生產或複雜設計，以最大程度地降低模具成本。
對環境造成的影響
在討論這兩種製程對環境的影響時，積層製造效率更高，產生的材料浪費更少，對環境的影響更小，但生產每個零件所消耗的能源更多。
減材製造是基於從實體塊中去除材料以形成部件。這會產生大量廢料，尤其是在加工金屬時。
製造商需要考慮所有這些因素來評估積層製造、減材製造或混合製造是否是您的專案的最佳選擇。
一般來說，積層製造對於小批量複雜生產成本來說是更好的選擇，而減材製造則是精密金屬零件大量生產的理想選擇。
混合製造：結合積層製造和減材製造工藝
將加法和減法技術結合起來形成單一無縫製程的技術稱為混合技術。
此混合製程使用 3D 列印機列印具有複雜設計和內部結構的零件，然後透過 CNC 加工進行精加工，以實現精確的公差和表面光潔度。
這個過程也稱為積層和減材加工，是使用結合積層和減材製造工具的現代製造系統完成的。
什麼是混合製造？
混合製造基於積層製造和減材數控加工的結合原理。 3D列印零件可在數控銑床上進行精加工，以實現嚴格的公差和高品質的加工。
這些工藝的結合減少了材料浪費，並允許您製造具有複雜設計的零件。
隨著從桌上型機器到大型工業設備等各種產品的不斷推出，混合製造變得簡單。
混合製造工藝可以用於金屬和塑膠的製造嗎？
是的，混合製造技術既適用於金屬也適用於塑料，它將 3D 列印與 CNC 加工相結合，可以加工各種各樣的材料。
混合製造中使用的金屬：
混合製造流程適用於多種常用金屬，包括鋁合金、不鏽鋼（304、316L）、鈦（Ti-6Al-4V）、工具鋼、因科鎳合金和鈷鉻合金。其工作流程通常包括採用粉末床熔融或定向能量沉積技術進行金屬3D列印，然後進行CNC加工，以達到±0.001英吋的公差和Ra 0.8-3.2 µm的表面粗糙度。
混合製造中使用的塑膠：
對於塑料，混合加工系統可加工包括ABS、尼龍（PA12）、PEEK、Ultem、聚碳酸酯和碳纖維複合材料在內的工程熱塑性塑膠。零件首先採用FDM或SLS進行3D列印，然後透過CNC加工實現尺寸精度、螺紋特性和光滑的配合面。
按材料類型劃分的主要優點：
對於金屬而言，與傳統的實心坯料加工相比，混合製造流程可減少 60-80% 的材料浪費，同時也能製造出複雜的內部結構，例如隨形冷卻通道。對於塑膠而言，此製程將有機 3D 列印幾何形狀與精密加工的安裝結構和高精度介面相結合。
應用環境：
金屬混合製造技術用於航空航天渦輪機零件、醫療植入物、帶有隨形冷卻的工裝以及汽車高性能零件。塑膠混合製造技術則用於功能原型製作、客製化終端用途零件、工裝夾具以及小批量生產零件。
金屬和塑膠均可受益於混合製造技術，該技術能夠將積層製造的幾何自由度與減材加工的精度和表面品質相結合。
積層製造和減材製造的應用
加法和減法 製造業 服務於不同的行業，每個行業都利用其獨特的能力：
- 航太：減材製造用於精密金屬零件，而積層製造則用於生產燃油噴嘴等輕質、複雜的零件。
- 汽車業：CNC工具機可製造耐用的引擎零件，而 3D 列印機可製作客製化零件原型並生產輕量結構。
- Medical：積層製造可實現客製化植入物和假體，而減材製造流程則可確保手術器械的精確度。
- 消費產品：桌面增材和減材製造工具支援消費品的快速成型和小批量生產。
結語
積層製造和減材製造是現代最廣泛使用的製造工藝，為各行業的不同應用提供了優勢。
減材製造具有高精度和材料多功能性，加上已經成熟的行業，非常適合金屬和複合零件的大量生產。
積層製造是製造複雜幾何形狀和客製化零件的理想之選，能夠最大程度地減少浪費。混合製造結合了積層製造和減材製造工藝，形成了一種基於 3D 模型數據製造零件的最佳方法。
在積層製造和減材製造之間進行選擇或將它們整合到混合製程是一個複雜的過程，需要評估材料特性、設計和生產量。
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