自工業革命以來，許多製造技術得到了發展。根據工藝的不同，這些技術可以分為不同的類別。主要有三大類：增材製造、減材製造和成形製造。本文將探討其中兩類——減材製造和增材製造的工藝、優缺點及其差異。
什麼是減材製造
減材製造通過逐步從一個固體塊或板材上去除材料來創建物體。材料的去除是通過切割、鑽孔、鏜孔或磨削實現的。這些工藝可以手動進行，但通常使用計算機數控技術來完成。如今流行的減材製造工藝是 CNC 加工。
在 CNC 加工中，計算機數控切削工具通過機械去除材料來實現所需的幾何形狀。該過程涉及使用計算機輔助設計（CAD）軟件來設計加工模型，以及使用計算機輔助製造（CAM）軟件來指導數控機床如何精確地去除材料。根據 3D 模型進行材料去除的三大主要加工工藝是車削、鑽孔和銑削。其他減材製造工藝包括激光切割、水刀切割、電火花加工和等離子切割，這些方法主要用於 2D 加工。
減材製造的優點
- 適用於多種材料，包括金屬、塑料、塑料複合材料甚至木材。
- 可以用於獲得幾乎任何幾何形狀，如平面、孔、圓柱、螺紋、插槽等。
- 可以實現高精度，公差約為 0.025 毫米。
- 可以獲得光滑的表面處理。
減材製造的局限
- 材料浪費較多，因為切屑會被廢棄。即使這些切屑可以回收利用，它們仍然是廢料。
- 每個部件的加工時間比增材製造和成形製造方法更長。
什麼是增材製造
增材製造是一種通過逐層堆積材料，從 3D 模型數據中製造部件的過程，與減材製造和成形製造方法相反。儘管目前全球增材製造的大部分應用集中在聚合物基系統上，但在金屬部件製造方面也有越來越多的應用和興趣。
增材製造廣為人知的是 3D 列印。它通過使用 3D 列印機設備實現。3D 列印這個術語涵蓋了一系列不同的工藝，這些工藝根據原料和能源來源而異。然而，所有操作中都存在一些共同的基本步驟：
- 設計要列印部件的 CAD 模型。
- 使用專用的切片軟件將這個模型切片成多個橫截面層。
- 根據所使用的技術，3D 列印機會開始熔化、熔融或固化原料，並逐層堆積，直到形成所需的幾何形狀。原料可以是粉末、線材、板材或液體。
常見的 3D 列印工藝包括：
- 樹脂光固化成型 (SLA)
- 激光燒結成型 (SLS)
- 惠普尼龍多射流熔融成型 (MJF)
- 熱塑性材料熔融沉積成型 (FDM)
- 金屬激光燒結成型 (SLM) 等
增材製造的優點
- 消除了廢料，因此效率很高。
- 相較之下從設計到生產的速度更快。
- 能夠輕鬆製造複雜而精細的設計。
增材製造的局限
- 與其他製造工藝相比，可用材料種類有限。
- 在處理金屬時成本較高。
- 不適合大批量生產。
增材製造和減材製造的比較
| 增材製造 | 減材製造 | |
| 可實現複雜度 | 可以生產具有高度複雜化和精細幾何形狀的部件，甚至比五軸數控機床加工更好 | 更適合相對簡單的幾何形狀 |
| 可生產特徵 | 無法有效生產孔和螺紋等特徵 | 能夠有效地創建孔和螺紋部分 |
| 所生產部件的性能 | 所生產的部件可能機械性能不足。由於部件是逐層堆疊而成，各層之間可能會出現結構弱點，從而影響特定性能。 | 所生產的部件具有出色的機械和熱性能 |
| 精度 | 可實現的尺寸精度較低。更精確的增材製造工藝如激光選區熔化（SLM）或直接金屬激光熔融（DMLS）能夠生產公差嚴格至 0.100 毫米的部件。 | 可以實現更高的尺寸精度，公差可嚴格至 0.025 毫米。 |
| 生產材料 | 主要用於塑料，也適用於少量金屬。 | 適用於廣泛的材料，包括塑料、金屬、木材、泡沫、玻璃和石材。 |
| 後處理 | 所生產的部件都需要進行後處理。 | 所生產的部件不一定需要後處理。 |
| 設置 | 需要較少的設置，從設計到生產的時間較短。在設計部件的 CAD 模型並進行轉換後，只需設置原料，其餘工作由 3D 列印機完成。 | 設置過程需要更多的時間和精力。例如，在數控機床加工中，設計完成 CAD 模型並轉換為 G 代碼後，需要設置數控機床的多個方面和參數，包括將工件放置在工作台上、選擇並準備適當的切削液、選擇和固定切削工具，以及設定正確的速度、進給和切削深度。 |
| 可擴展性 | 生產成本與生產數量成正比。隨著生產數量的增加，生產成本顯著上升。 | 生產成本與生產數量成反比。隨著生產數量的增加，生產成本會降低。 |
| 速度和成本 | 對於幾何形狀較小的部件、塑料和小批量生產，速度更快且成本更低。 | 對於相對較大的部件、金屬和大批量生產，速度更快且成本更低。 |
增材製造和減材製造之間的選擇
增材製造和減材製造都適用於原型製作。然而，對於塑料原型製作，3D 列印更為適合；而金屬原型製作則更適合採用增材製造。對於成品，減材製造更為合適，因為減材製造生產的部件通常不需要後處理，且具有更好的機械性能。
對於小批量生產，例如 1-10 個相同部件，若使用聚合物材料，3D 列印更為合適，因為在這個數量範圍內成本較低。若生產 10-10,000 個相同部件，減材製造更具成本效益。對於超過 10,000 個的生產，應考慮使用成形製造工藝。
增材製造更適合生產較小尺寸的部件，而減材製造則更適合較大尺寸的部件。
對於金屬、木材、玻璃、石材和泡沫等材料，要麼成本非常高，要麼無法使用增材製造，因此這些材料需要採用減材製造。另一方面，像柔性熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）和金屬超合金等難以加工的材料，可以通過 3D 列印製造。
增材製造對於小批量塑料製品而言比減材製造更具成本效益。然而，對於金屬部件，金屬激光燒結成型（SLM）的成本比 CNC 加工高出約 100%。
總而言之，增材製造更適合用於塑料製成的小型、高度複雜的部件原型製作和小規模生產；而減材製造則更適合用於各種材料製成的相對簡單、大型部件的大規模生產。
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