Разница между аддитивным и субтрактивным производством

Производство является одним из важнейших этапов производства, который фактически превращает сырье или отходы в желаемую продукцию, добавляя существенную стоимость. Существует несколько производственных процессов, чтобы удовлетворить потребность в быстрой обработке широкого спектра материалов. Растущая потребность в миниатюрных продуктах с лучшим качеством поверхности и большим количеством встроенных функций проложила путь для быстрого развития производства, и, как следствие, появились различные сложные процессы, которые могут эффективно обрабатывать материалы для лучшего удовлетворения сегодняшнего рыночного спроса. Сфера производства также постепенно расширялась, чтобы охватить обширную область, начиная от старых промышленных секторов и заканчивая передовыми компаниями, основанными на продуктах или услугах, чтобы адекватно способствовать их требованиям.

Различные сторонники пытались систематизировать все производственные процессы; однако во многих случаях такая классификация не может однозначно охватить вновь развившиеся процессы. С учетом всех соответствующих процессов производство можно разделить на следующие пять групп:

Процессы кастинга: Здесь сырье плавится, чтобы залить его в предварительно построенную полость, и ему дают возможность затвердеть. Таким образом получается изделие с обратной формой полости. Этот вековой процесс подходит для придания базовой формы компоненту, поскольку он не может ни создавать сложные формы, ни придавать гладкие поверхности. Все процессы литья и формовки (например, литье в песчаные формы, литье под давлением, литье под давлением и т. д.) следуют этому основному принципу.

Объединение процессов: Здесь два или более твердых компонента могут быть соединены временно или постоянно. Соединение может быть выполнено либо путем плавления с образованием коалесценции, либо с помощью других механических элементов. Сварка, клепка, пайка, пайка, соединение, соединение с посадкой, склеивание, крепление, шплинтовое соединение, шарнирное соединение и т. Д. Подпадают под понятие соединения. Сюда же относятся процессы дизассемблирования.

Процессы модификации: Здесь свойства материала или основная форма могут быть изменены различными способами, чтобы лучше соответствовать требованиям. Для преобразования формы используются различные процессы формовки, такие как ковка, прокатка, волочение, экструзия и т. д.; в то время как термическая обработка, криогенная обработка, нанесение покрытий и т. д. используются для изменения свойств компонентов.

Аддитивные процессы: Здесь слои материала в полутвердой форме добавляются один поверх другого, чтобы непосредственно построить настоящий трехмерный компонент с требуемыми характеристиками и повышенной точностью. Таким образом, устраняется необходимость в постобработке; однако такие процессы подходят для компонентов небольшого размера. Процессы быстрого прототипирования (например, трехмерная печать, стереолитография, селективное лазерное спекание и т. д.) основаны на аддитивном принципе.

Вычитательные процессы: Как следует из названия, здесь слой за слоем материал удаляется с твердой заготовки, чтобы в конечном итоге получить желаемый продукт. Так происходит растрата материала. Процессы механической обработки или резки металла следуют принципу вычитания. Примеры включают токарную обработку, формообразование, фрезерование, сверление, шлифование, притирку, абразивно-струйную обработку, электроэрозионную обработку, лазерную обработку и т. д.

Таблица. Различия между аддитивным и субтрактивным производством

Философия сложения и вычитания: Обе философии используются для создания настоящих трехмерных компонентов или элементов с повышенной точностью размеров и жесткими допусками; однако они различаются в своих подходах. Аддитивное производство следует принципу добавления материала слой за слоем один поверх другого в соответствии с проектом, чтобы в конечном итоге создать продукт с заданными характеристиками. Таким образом, процесс начинается с нулевой высоты (без материала) и постепенно его высота увеличивается по мере осаждения слоев. Материал обычно наносится в полутвердом виде, а следующий слой добавляется после того, как предыдущий слой полностью высохнет. В отличие от этого, в субтрактивной философии производства материал слой за слоем удаляется из желаемого места твердого блока, чтобы в конечном итоге получить желаемый компонент. Таким образом, процесс начинается с твердого блока сырья, из которого удаляется материал для создания намеченных функций. Материал можно удалить несколькими способами (такими как резка в виде твердых стружек, плавление и испарение, ионизация, распыление и т. д.) в зависимости от используемого процесса.

Точка плавления рабочего материала: В аддитивных процессах рабочий материал должен либо расплавиться, либо стать пластичным путем нагревания. Материал с более высокой температурой плавления будет потреблять больше тепла, чтобы стать пластичным (полутвердым), чтобы его можно было добавить поверх предыдущего слоя. Таким образом, он предпочтителен для материалов с низкой температурой плавления, таких как пластик или полиметилметакрилат. Однако температура плавления не является существенным фактором для обработки технических материалов субтрактивными методами, так как материал удаляется в твердом виде или путем ионизации. В таких процессах НТМ, основанных на тепловой энергии, когда материал удаляется путем плавления и испарения, энергоемкость луча всегда остается чрезмерно выше, чем точка плавления материалов. Например, в электроэрозионном станке локальная температура превышает 10 000 °C, что намного выше 3 422 °C (температура плавления титана, самая высокая температура плавления среди всех металлов).

Управление объемной плотностью: Самым большим преимуществом аддитивных процессов является возможность изменения плотности рабочего материала при нанесении слоев. Здесь может быть принята плотность в диапазоне 20–100 %, а общий объем материала может изменяться контролируемым образом. Это, с одной стороны, может снизить расход материала, а с другой стороны, может существенно снизить вес компонента, в основном без ущерба для прочности стенки. Такого удобства нельзя достичь с помощью субтрактивных процессов, так как плотность рабочего материала остается неизменной на протяжении всей операции. Таким образом, вес компонента не может быть уменьшен после выбора основного блока исходного материала.

Потеря материала: При аддитивных процессах тонкий слой материала добавляется поверх предыдущего слоя в соответствии с дизайном (компьютерное проектирование, например, САПР). Таким образом, когда имеется какая-либо полость или щель, материал не осаждается в этом месте. Повторное нанесение материала слоями в соответствии с дизайном в конечном итоге создает предполагаемый трехмерный объект. Никакая дальнейшая постобработка не выполняется; чтобы не было потерь материала. При субтрактивных процессах из основного сырья постепенно удаляют избыточный материал; однако такое удаление может происходить в различных формах (таких как твердая стружка, плавление и испарение, ионизация, распыление и т. д.) в зависимости от используемого процесса.

Пригодность: До сих пор, при самом полном развитии технологий, аддитивные процессы подходят для селективных материалов, таких как пластик и ПММА. Также он не может обрабатывать более крупные объекты; емкость системы обычно ограничивается 2 кг. Однако субтрактивные процессы могут обрабатывать широкий спектр материалов. Определенные механические, электрические и термические свойства (например, твердость, хрупкость, электропроводность, температура плавления и т. д.) накладывают ограничения на обрабатываемость для конкретного процесса, но такие ограничения можно преодолеть, используя другой процесс. Эти процессы также способны эффективно обрабатывать более крупные объекты.

Производство сложных форм и полых деталей: В аддитивных процессах чертеж САПР сначала нарезается на тонкие слои (толщина слоя зависит от желаемой точности размеров и чистоты поверхности), а затем слой за слоем добавляется материал. Таким образом, любая сложная форма может быть учтена во время нарезки и последующих этапов осаждения материала, что устраняет необходимость последующей обработки. Он может даже производить внутренние полые детали, такие как полностью закрытые полости. Вычитательные процессы имеют ограниченные возможности для создания сложных форм. Он не может создать полностью закрытую полость.

Промышленные аспекты: Аддитивные процессы требуют много времени, так как с ними связано время осаждения слоя и последующее время сушки. Однако при изготовлении объектов небольшого размера, сложной формы и высокой точности (например, прототипа) это может быть эффективным с точки зрения времени и затрат, особенно если объем производства очень мал. Во многих случаях также желателен строгий контроль среды рабочего помещения. Хотя аддитивные процессы появляются в качестве подходящей альтернативы субтрактивным процессам в определенных областях, для массового производства крупных объектов простой формы субтрактивные процессы могут в подавляющем большинстве вытеснить своих конкурентов.

В этой статье представлено научное сравнение между аддитивным и субтрактивным производством. Автор также предлагает вам просмотреть следующие ссылки для лучшего понимания темы.

1. Аддитивное производство металлов:технология, материалы, проектирование и производство Л. Янга, К. Хсу, Б. Боумана, Д. Годфри, Ф. Медины, М. Менона и С. Винера (1 ^ст. издание, Springer).
2. Аддитивное производство:3D-печать для прототипирования и производства, А. Гебхардт и Дж. Хёттер (1 ^st издание, Хансер).
3. Ньюман и др. (2015 г.); Планирование процессов для аддитивных и субтрактивных технологий производства; Анналы CIRP; Том. 64 (1); стр. 467–470.