Аддитивное и субтрактивное производство: ключевые различия

Производство — критически важный этап, преобразующий сырье или отходы в желаемые продукты путем добавления существенной стоимости. Существует множество производственных процессов для обработки широкого спектра материалсов. Растущая потребность в миниатюрных изделиях с лучшим качеством поверхности и большим числом встроенных функций способствовала быстрому развитию производства и появлению сложных процессов, эффективно удовлетворяющих современный спрос. Область производства также постепенно расширилась, охватывая обширную сферу — от традиционных отраслей до передовых продуктовых и сервисных компаний.

Разные исследователи пытались систематизировать все производственные процессы, однако во многих случаях такая классификация не может однозначно охватить новые процессы. Учитывая все актуальные процессы, производство можно разделить на следующие пять групп:

• Процессы литья: сырье плавится и заливается в предварительно изготовленную полость, где затвердевает. Получается изделие с формой, обратной полости. Этот древний процесс подходит для создания базовой формы, но не для сложных форм и гладких поверхностей. Все процессы литья и формовки (песколитье, кокильное литье, литье под давлением и др.) следуют этому принципу.
• Процессы соединения: два и более твердых компонента соединяются временно или постоянно. Соединение может осуществляться плавлением с образованием коалесценции или с помощью механических элементов. Сварка, заклепка, пайка, муфтовое соединение, посадки, клеевое соединение, крепеж, шплинтовые, шарнирные соединения и др. относятся к соединению. Процессы разборки также включаются сюда.
• Процессы модификации: изменяются свойства материала или базовая форма для соответствия требованиям. Формовка (ковка, прокатка, вытяжка, прессование и др.) служит для изменения формы; термическая и криогенная обработка, покрытие — для изменения свойств.
• Аддитивные процессы: слои материала в полутвердом состоянии накладываются друг на друга для прямого построения настоящего трехмерного компонента с требуемыми признаками и высокой точностью. Это исключает пост-обработку, но процессы подходят для мелких деталей. Процессы быстрого прототипинга (3D-печать, стереолитография, селективное лазерное спекание и др.) следуют аддитивному принципу.
• Субтрактивные процессы: слой за слоем материал удаляется из твердого заготовки для получения конечного изделия. Происходит потери материала. Механическая обработка (резание металлов) следует субтрактивному принципу. Примеры: токарная, строгальная, фрезерная, сверлильная, шлифовальная, лаpping, абразивно-струйная, электроэрозионная, лазерно-лучевая обработка и др.

Сравнительная таблица отличий

Подробный разбор ключевых аспектов

Философия добавления и вычитания

Обе философии используются для производства настоящих трехмерных компонентов или элементов с высокой размерной точностью и близкими допусками, но подходы различаются. Аддитивное производство следует принципу наложения слоя за слоем согласно проекту. Процесс начинается с нулевой высоты (нет материала) и постепенно нарастает по мере отложения слоев. Материал обычно откладывается в полутвердом состоянии, следующий слой добавляется после полного затвердения предыдущего. При субтрактивном производстве слой за слоем материал удаляется из желаемых мест твердого блока для получения конечного компонента. Процесс начинается с твердого бруска сырья, из которого материал удаляется для создания нужных элементов. Удаление может происходить различными способами (срезание в виде твердой стружки, плавление и испарение, ионизация, спуттеринг и др.) в зависимости от применяемого процесса.

Температура плавления рабочего материала

При аддитивных процессах рабочий материал должен плавиться или становиться пластичным при нагревании. Материал с высокой температурой плавления потребует больше тепла для перехода в пластичное (полутвердое) состояние, чтобы его можно было наложить на предыдущий слой. Поэтому аддитивные процессы предпочтительны для материалов с низкой температурой плавления, например пластиков или ПММА. Температура плавления не является существенным фактором для субтрактивных методов обработки инженерных материалов, так как материал удаляется в твердом состоянии или ионизацией. В термических нетрадиционных методах, где удаление происходит плавлением и испарением, интенсивность энергетического пучка всегда значительно выше температуры плавления материалов. Например, при электроэрозионной обработке локальная температура превышает 10 000 °C, что намного выше 3422 °C (температура плавления вольфрама, самой высокой среди металлов).

Управление объемной плотностью

Главное преимущество аддитивных процессов — возможность изменения плотности рабочего материала при отложении слоев. Плотность в диапазоне 20–100% может быть принята, а общий объем материала может управляемо изменяться. Это一方面 снижает расход материала, а另一方面 существенно уменьшает массу компонента, в основном без потери прочности стенок. Такая возможность недоступна при субтрактивных процессах, так как плотность исходного материала остается неизменной на протяжении всей операции. Таким образом, массу компонента нельзя уменьшить после выбора исходного бруска.

Потери материала

При аддитивных процессах тонкий слой материала накладывается на предыдущий согласно проекту (CAD). Если есть полость или щелевидный элемент, материал там не откладывается. Повторное наложение слоев согласно проекту в конечном итоге дает нужный 3D-объект. Дальнейшая пост-обработка не выполняется, поэтому потерь материала нет. При субтрактивных процессах лишний материал постепенно удаляется из исходного бруска; удаление может происходить в разных формах (твердая стружка, плавление и испарение, ионизация, спуттеринг и др.) в зависимости от процесса.

Применимость

На данном этапе развития технологий аддитивные процессы подходят для выборочных материалов, таких как пластик и ПММА. Также они не могут обрабатывать крупные объекты; грузоподъемность систем обычно ограничена 2 кг. Субтрактивные процессы могут обрабатывать широкий спектр материалов. Некоторые механические, электрические и термические свойства (твердость, ломкость, электрическая проводимость, температура плавления и др.) накладывают ограничения на обрабатываемость конкретным процессом, но эти ограничения можно преодолеть, используя другой процесс. Эти процессы также способны эффективно обрабатывать крупные объекты.

Производство сложных форм и полых деталей

В аддитивных процессах CAD-чертеж сначала нарезается на тонкие слои (толщина слоя зависит от требуемой размерной точности и шероховатости), затем материал накладывается слой за слоем. Любая сложная форма может быть учтена при нарезке и последующем наложении, что исключает пост-обработку. Можно даже изготовить внутренние полые части, например полностью замкнутые полости. Субтрактивные процессы имеют ограниченные возможности по производству сложных форм. Полностью замкнутую полость получить невозможно.

Промышленные аспекты

Аддитивные процессы трудоемки, так как связаны временем наложения слоя и последующим временем высыхания. Однако при изготовлении мелких объектов со сложной формой и высокой точностью (например, прототипов) они могут быть эффективны по времени и стоимости, особенно при очень малых объемах производства. Во многих случаях требуется строгий контроль среды рабочего помещения. Хотя аддитивные процессы становятся подходящей альтернативой субтрактивным в определенных областях, для серийного производства крупных объектов простой формы субтрактивные процессы безусловно превосходят соперника.

В статье представлено научное сравнение аддитивного и субтрактивного производства. Для глубокого понимания темы рекомендуется обратиться к следующим источникам:

1. Additive Manufacturing of Metals: The Technology, Materials, Design and Production, L. Yang, K. Hsu, B. Baughman, D. Godfrey, F. Medina, M. Menon, S. Wiener (1-е изд., Springer).
2. Additive Manufacturing: 3D Printing for Prototyping and Manufacturing, A. Gebhardt, J. Hötter (1-е изд., Hanser).
3. Newman et al. (2015); Process planning for additive and subtractive manufacturing technologies; CIRP Annals; Vol. 64 (1); pp. 467-470.