АДДИТИВНАЯ И СУБТРАКТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА, ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ

Аннотация. В данной статье будут рассмотрены технологии производства: аддитивная и субтрактивная.

Ключевые слова: субтрактивное производство, аддитивное производство, ЧПУ, преимущества, недостатки, SLM, FDM.

Введение

Всем известно, что театр начинается с вешалки. Данная мысль применима и к другим сферам деятельности, но не в окончательном и буквальном смысле, а абстрактном и базисном. Также как и строительство зданий начинается с фундамента, так и другие сферы деятельности тоже имеют некоторые фундаментальные основы или базис.

Субтрактивная и аддитивная технологии производства, что они из себя представляют, в чём их различия, преимущества и недостатки.

Определение, история, применение

Все вещи вокруг нас - это сырьё  прошедшее некоторое количество этапов самой различной обработки. Прежде чем сравнивать субтрактивную и аддитивную технологии, необходимо обозначить их определения.

Субтрактивное производство – это такой вид производства, при котором производятся операции по отсечению лишнего от заготовки, тем или иным способом. Примерами этой технологии являются фрезерования, нарезка резьбы и тд.

Аддитивное производство – это такой вид производства, при котором происходит добавление или наращивание материала. Примерами данного вида производства являются: сварка металлов, литьё, выращивание искусственных кристаллов, производство печатных плат.

Логика здесь простая, убавляем или отсекаем лишнее – это субтрактивный подход, в случае же добавления или наращивания материала - это аддитивный подход.

Субтрактивное производство имеет долгую историю, начиная с древних времен, когда люди использовали каменные орудия для обработки дерева и других материалов. В эпоху промышленной революции субтрактивное производство стало основным методом изготовления металлических деталей и инструментов.

Первые субтрактивные методы включали в себя обработку металла молотком и зубилом, а также использование токарных и фрезерных станков для удаления материала. В середине 20-го века были разработаны новые технологии, такие как электроэрозионная обработка и лазерная резка, которые позволили увеличить точность и эффективность субтрактивного производства.

Современные субтрактивные процессы включают в себя использование компьютерных технологий для проектирования деталей и управления процессом обработки, а также применение передовых материалов и технологий обработки.

Аддитивное производство имеет более короткую историю, чем субтрактивное. Первые эксперименты с этой технологией начались в 1980-х годах, когда был создан метод стереолитографии. Он использовался для создания объектов из полимерных материалов.

Затем в 1990-х годах была разработана технология лазерного спекания, которая позволяла создавать объекты из порошковых материалов. В настоящее время аддитивное производство используется в различных отраслях, включая аэрокосмическую промышленность, автомобилестроение и медицину.

Сферы применения субтрактивного производства:

1. Автомобильная промышленность
2. Аэрокосмическая промышленность
3. Медицинская промышленность
4. Производство электроники 
5. Производство инструментов
6. Производство ювелирных изделий
7. Производство спортивных товаров

Сферы применения аддитивного производства:

1. Производство автомобилей
2. Производство аэрокосмических изделий
3. Производство медицинских изделий
4. Производство электронных компонентов
5. Производство спортивных товаров
6. Строительство

Среди отечественных производителей связанных с аддитивным производством можно выделить несколько примеров:

• Лазерные системы(город Санкт-Петербург). Данная компания занимается производством  3D-Принтеров, производящую печать по SLM(селективное лазерное спекание ). Данная технология позволяет производить различные металлические детали и конструкции с высокой точностью исполнения. Данная технология уже на протяжении 10 лет активно используется в космических ракетах, а именно соплах и камерах сгорания топливо. Температуры в процессе сгорания топлива достигают 3500 градусов по Кельвину. Конструкция включает в себя трубки по периметру сопел, по которым циркулирует криогенное топливо. Для сравнения, можно привести статистику трудозатрат на производство одного инжектора.

Из таблицы представленной выше, можно сделать вывод о целесообразности применения данной технологии.

Необходимо отметить, что перспективы применения данной технологии имеются и автомобилестроении. Помимо печати деталей и узлов идентичным классическим, можно будет произвести и применить новые методы и подходы, которые являются крайне сложными для классического метода производства. В качестве  примера можно привести планетарную передачу. Печать технологией SLM позволяет за один цикл печати формировать готовую деталь в собранном виде. При классическом методе необходимо отлить, вырезать и собрать части в цельный узел. Необходимо отметить, что имеется возможность создания не только косозубых шестерней, но и шевронных. Главными преимуществами в этом случае будет скорость и гибкость производства. Помимо этого, открываются перспективы в создании легковесных конструкций. Также необходимо отметить, что SLM технология  позволяет производить детали, ушедшие с конвейерного производства или не поставляемые из-за ограничений, что является актуальным для владельцев иномарок и старых автомобилей. Данная возможность может увеличить сроки эксплуатации автомобилей, посредством замены вышедших из строя деталей и узлов.

• Plastik-avto(Омск). Данная компания специализируется на FDM(Моделирование методом наплавления) ремкоплектов и деталей для узлов автомобилей, таких как: ограничитель дверей и дверей багажника, рулевая рейка, система стеклоочистки, трапеция стеклоочистителя, механизм складывания зеркал, дроссельные заслонки, штоки актуатора люка бензобака, привод сиденья, привод антенны, актуатор турбины, заглушка антенны, втулки вихревых заслонок, колпачки на колёсные болты, привод воздуховода. Для производства любой из детали используются только качественные материалы, обеспечивающие качество и долговечность работы. В перспективе, применение FDM технологии может стать технологией автомобилестроения электрокаров. Меньшая степень физических и тепловых нагрузок на конструкцию и детали авто по сравнению с ДВС автомобилями и транспортными средствами  В качестве примера можно привести электробус OLLI, полностью напечатанный на 3D-Принтере. Электромобили и прочий транспорт с электродвигателем данной технологии будут значительно легче чем с ДВС, что благоприятно скажется на запасе хода.
• АМТ-СПЕЦАВИА. Данная компания специализируется на производстве строительных и крупногабаритных FDM 3D-Принтерах. Средние габариты печати для классического FDM 3D-принтера составляют 300x300x300 мм. Компания предлагает  FDM принтер “Bigemot” с габаритами печати 1900x900x700 мм. Компания также предлагает строительные 3D-Принтеры, с помощью которых можно строить дома. Данный процесс требует монтажа оборудования, дальнейшая печать требует минимум участия человека. Дома и помещения произведённые таким способом вполне сравнимы с классическими методами по многим характеристикам.

Преимущества и недостатки технологий

Отметим преимущества и недостатки субтрактивного и аддитивного производства.

Преимущества Субтрактивного метода производства:

• Он совместим со всеми материалами
• Субтрактивный подход оставляет гладкую поверхность
• Это быстрый процесс, подходящий для крупносерийного производства
• С помощью субтрактивного производства можно создать практически любую деталь, отверстия, гравировку, резьбу
• Это рентабельно для массового производства
• Возможность создания сложных форм с высокой степенью точности и размеров

Недостатки субтрактивного метода производства:

• Отходы материала при производстве
• Невозможность контролировать плотность материала, которая полностью зависит от сырья
• Высокая стоимость установки, поскольку для каждой операции требуется разные настройки оборудования
• Производство может быть грязным, так как может быть много шагов для создания одной формы

Преимущества аддитивного метода производства:

• Это быстрый процесс от проектирования до создания физических частей
• Создание сложной формы возможно благодаря подходу аддитивного производства и обеспечивает гибкость дизайна

Недостатки аддитивного метода производства:

• Ограниченный размер изделий
• Необходимость учитывать допуски
• Стоимость оборудования
• Стоимость материала

Перспективы развития

Обе технологии производства имеют возможности по CAD-Проектированию и использованию ЧПУ-станков, что значительно упрощает и удешевляет этап проектирования изделия и этап производства. Главное различие состоит в методе формирования конечного изделия.

Аддитивные и субтрактивные технологии в производстве обычно рассматриваются как конкуренты, поскольку они представляют собой два разных подхода к созданию физических объектов. Однако, в некоторых случаях эти технологии могут дополнять друг друга, и использоваться в зависимости от требований к продукту и экономической эффективности.

Выбор между аддитивными и субтрактивными технологиями зависит от многих факторов, включая тип детали, требования к качеству, стоимость, сроки и доступность оборудования. В некоторых случаях, эти технологии могут использоваться совместно для оптимизации процесса производства.

Аддитивное производство имеет огромный потенциал для развития в будущем. Одной из главных областей развития является повышение точности и качества продукции, а также снижение затрат на производство. Также ведутся исследования по созданию новых материалов и технологий, которые могут улучшить характеристики продукции и сделать производство еще более эффективным. Кроме того, аддитивное производство позволяет создавать изделия сложной формы, которые невозможно или очень сложно создать традиционными методами. В целом, будущее аддитивного производства выглядит очень многообещающим, и ожидается, что в ближайшие годы эта технология будет продолжать развиваться и находить новые применения в различных отраслях.

Но необходимо отметить, что и субтрактивное производство, имеющее ряд ограничений и вызовов, которые в перспективе можно будет преодолеть, будет иметь целесообразность и экономическую выгоду во многих отраслях.

Основные перспективы развития субтрактивного производства связаны с совершенствованием технологий и оборудования, а также с разработкой новых материалов. Вот некоторые из основных направлений развития субтрактивного производства:

• Автоматизация и цифровизация: Развитие автоматизированных систем обработки может существенно повысить эффективность процессов субтрактивного производства. Внедрение автоматизированных станков и робототехники позволит сократить время обработки, уменьшить количество ошибок и обеспечить более высокое качество продукции.
• Новые материалы: Разработка новых материалов с улучшенными свойствами (такими как прочность, легкость, термостойкость и т. д.) может значительно расширить возможности субтрактивного производства и сделать его более конкурентоспособным на рынке.
• Энергоэффективность: Повышение энергоэффективности субтрактивного производства является одним из главных вызовов для его дальнейшего развития. Разработка новых технологий, позволяющих снизить энергозатраты на обработку материала, может стать ключом к успеху в этой области.
• Создание более сложных деталей: Субтрактивное производство позволяет создавать детали и объекты с очень сложной геометрией, которые трудно или невозможно изготовить другими методами. Это особенно важно для аэрокосмической и автомобильной промышленности, где требуется производство деталей с высокой точностью и минимальными допусками.
• Интеграция с другими технологиями: Интеграция субтрактивного и аддитивного производства может быть очень эффективной. Например, некоторые детали могут быть изготовлены аддитивным методом, а затем доработаны субтрактивным методом для улучшения их качества и снижения стоимости производства.

В целом, перспективы субтрактивного производства связаны с разработкой новых технологий, материалов и методов обработки, что позволит улучшить качество и снизить стоимость производства сложных деталей и изделий.