Аддитивное и субтрактивное производство: Всестороннее сравнение

Введение

В современном производстве сложные конструкции превращаются в осязаемые объекты с помощью различных материалов и различных процессов. Среди них наиболее распространенными являются аддитивное и субтрактивное производство. Конечно, вы можете не использовать эти два термина в повседневном разговоре, но я уверен, что вы знаете процессы, связанные с этими терминами: 3D-печать, лазерная резка, плазменная резка и ЧПУ - все они относятся к одному из этих двух терминов.

Хотя оба метода предназначены для производства конечного продукта, механизм их работы совершенно противоположен. В этой статье мы сравним и противопоставим аддитивное и субтрактивное производство с точки зрения их различий, применения в промышленности и того, как выбрать один из них.

Что такое аддитивное производство

AM или 3D-печать - это процесс послойного создания объектов путем нанесения материала на их поверхность. Этот метод обычно начинается с цифровой модели, которая может быть создана с помощью системы автоматизированного проектирования или CAD. Затем модель CAD делится на множество тонких слоев в виде поперечных сечений. Затем машина для аддитивного производства берет эти цифровые чертежи и укладывает последовательные слои материала или затвердевает их послойно в соответствии с поперечными слоями объекта, который должен быть произведен, и создает конечный объект со сложной геометрией.

Аддитивное производство включает в себя целый ряд технологий, таких как:

• Моделирование методом наплавленного осаждения (FDM)
• Стереолитография (SLA)
• Селективное лазерное спекание (SLS)
• Прямое лазерное спекание металлов (DMLS),
• Струйная обработка вяжущего (BJ)
• Направленное энергетическое осаждение (DED)
• Ламинирование листов (SL)
• Производство ламинированных объектов (LOM)
• Ламинирование методом выборочного осаждения (SDL)
• Цифровая обработка света (DLP)
• Непрерывное производство жидкого интерфейса (CLIP)

Все эти технологии используют различные методы нанесения материала и его затвердевания, но концепция добавления слоя за слоем одинакова. Аддитивное производство позволяет создавать сложные структуры непосредственно по проекту без использования инструментов и пресс-форм, что открывает новые возможности в дизайне и производстве, особенно для небольших деталей.

Что такое субтрактивное производство

Субтрактивное производство (SM) - это традиционный производственный процесс, в котором материал постепенно удаляется из цельного блока материала или заготовки для достижения требуемой формы. Обычно это делается с помощью различных процессов механической обработки. Субтрактивное производство также обычно основано на цифровой модели, которая преобразуется в инструкции для станков с компьютерным управлением, таких как фрезерные и токарные станки с ЧПУ. Эти станки используют режущие инструменты для вырезания материала из заготовки до получения конечного продукта.

К распространенным методам субтрактивного производства относятся:

• Фрезерование
• Поворот
• Бурение
• Шлифование
• Резка
• Электроэрозионная обработка (EDM)
• Гидроабразивная резка
• Лазерная резка
• Плазменная резка

Это хорошо зарекомендовавший себя и широко используемый метод изготовления деталей с высокой точностью и хорошей гладкостью в широком диапазоне материалов.

Ключевые различия: Аддитивное и субтрактивное производство

Хотя оба процесса начинаются с сырья или цифровых чертежей и направлены на производство готовых деталей, аддитивное и субтрактивное производство сильно различаются по методам и особенностям изготовления. Знание этих различий важно для выбора правильного подхода для конкретного применения.

Отходы материалов

Субтрактивное производство начинается с большого куска материала, и процесс резки и удаления материала для получения желаемой формы изделия означает, что большое количество материала уходит в отходы в виде стружки, опилок или обрезков. Хотя часть этих отходов может быть переработана, это все равно означает, что во многих случаях сырье используется менее эффективно.

С другой стороны, аддитивное производство относительно менее расточительно в отношении материала в процессе производства. Поскольку материал добавляется только там, где это необходимо, количество отходов материала при этом методе также меньше. Поэтому часто создается впечатление, что этот процесс более экологичен, и хотя это может быть правдой, необходимо изучить детали каждого процесса, чтобы определить, является ли он лучшим для конкретного применения.

Выбор материала

Субтрактивное производство обычно предлагает более широкий выбор материалов по сравнению с аддитивным производством. Практически любой материал, поддающийся механической обработке, включая различные металлы (сталь, алюминий, нержавеющая сталь, медь, латунь и т. д.), пластики, дерево, композиты и керамику, может быть обработан с помощью традиционных методов субтрактивного производства, включая методы резки лазерным лучом.

Хотя аддитивное производство постоянно расширяет сферу применения материалов, оно все еще довольно ограничено с точки зрения широкого спектра материалов, которые могут быть эффективно использованы. Выбор материалов для конкретных процессов аддитивного производства может быть ограничен, а некоторые из них могут требовать специального оборудования или условий для обработки. Однако аддитивное производство особенно полезно при изготовлении деталей из разных материалов за одну сборку, что может оказаться невозможным при использовании традиционных методов удаления материала.

Сложность проектирования изделий

Аддитивное производство позволяет создавать сложные и замысловатые формы, которые невозможно создать традиционными методами удаления материала. Сложные геометрические формы, такие как внутренние решетки, сложные кривые и мелкие детали, могут быть легко изготовлены с помощью аддитивных процессов без необходимости использования специальных инструментов или многочисленных настроек.

Субтрактивное производство - очень точный метод изготовления деталей, но у него есть недостаток - необходимость в режущих инструментах и приспособлениях. Внутренние элементы или сложные подрезы могут потребовать нескольких инструментов и настроек, что делает процесс более длительным и дорогим.

Объем производства

Субтрактивное производство, как правило, более производительно и экономично для массового производства деталей простой формы в различных механических цехах. После изготовления инструмента и настройки время, необходимое для производства каждой детали, меньше, чем при аддитивном производстве.

Аддитивное производство больше всего подходит для малосерийного производства, создания прототипов и производства уникальных деталей, где затраты на создание субтрактивного производства будут очень дорогими. Тем не менее, совершенствование технологии аддитивного производства постоянно делает возможным и среднесерийное производство.

Скорость производства

Скорость производства аддитивными и субтрактивными методами во многом зависит от сложности детали и количества деталей, которые необходимо изготовить. В случае прототипов и небольших серий сложных деталей аддитивное производство может быть более быстрым, поскольку не требует оснастки и сложных установок.

Однако для больших количеств относительно несложных компонентов хорошо разработанные и эффективные процессы субтрактивного производства могут обеспечить гораздо меньшее общее время производства.

Время сборки при аддитивном производстве зависит от размера и сложности детали, поскольку каждый слой должен быть нанесен и затвердеть. В субтрактивном производстве время обработки зависит от количества материала, который необходимо разрезать, и типа выполняемых операций.

Точность и допуск

Субтрактивное производство, особенно прецизионная обработка, способно обеспечить высокий уровень точности и малые допуски. Станки с ЧПУ могут перемещаться и резать с высокой точностью, что позволяет изготавливать детали с допусками в несколько микрометров.

Аддитивное производство, несмотря на повышение точности, обычно имеет более широкие допуски по сравнению с субтрактивными методами. Точность деталей, изготовленных методом аддитивного производства, зависит от типа используемого материала, типа технологии, применяемой в процессе производства, и настроек станка.

В тех случаях, когда размеры изделия должны быть очень точными, а допуски очень малы, наиболее подходящим является субтрактивное производство.

Отделка поверхности

Процессы субтрактивного производства, такие как механическая обработка и шлифование, позволяют получать очень гладкие и высококачественные поверхности. Эти режущие инструменты могут создавать поверхности с низкой шероховатостью, что означает, что последующая финишная обработка может не потребоваться.

Детали AM обычно создаются послойно, поэтому их поверхность не такая гладкая, как у деталей, изготовленных методом субтрактивного производства. Хотя для улучшения качества поверхности аддитивно изготовленных деталей можно применять такие методы, как шлифовка, полировка и нанесение покрытий, эти дополнительные процессы увеличивают время и стоимость производства.

В некоторых случаях, когда чистота поверхности является важным фактором, целесообразнее использовать субтрактивное производство.

Аддитивное и субтрактивное производство: Применение в промышленности

Аддитивное и субтрактивное производство нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, каждая из которых использует уникальные преимущества соответствующих процессов.

Области применения аддитивного производства

Аддитивное производство произвело революцию в нескольких отраслях промышленности благодаря возможности создавать сложные и индивидуальные детали. Основные области применения включают:

Аэрокосмическая промышленность

Аэрокосмические приложения, такие как изготовление легких конструкций для самолетов и космических шаттлов, прототипирование и оснастка. Способность AM производить сложные конструкции из минимального количества материала имеет жизненно важное значение для снижения веса и повышения экономии топлива в аэрокосмической отрасли. Кроме того, она позволяет ускорить циклический процесс на этапах проектирования и тестирования.

Медицина

Создание имплантатов, протезов, зубных протезов и даже хирургических направляющих с учетом индивидуальных особенностей каждого пациента. С помощью AM уровень кастомизации достигает поразительных масштабов, что позволяет создавать хорошо прилегающие и, следовательно, более эффективные медицинские устройства для пациентов. Технология также позволяет создавать сложные внутренне структурированные и пористые ткани, которые способствуют росту полезных материалов.

Автомобили

Быстрое прототипирование, оснастка, производство специальных изделий и элементов, запасных частей. AM позволяет быстро создавать прототипы и сложные конструкции без использования дорогостоящих пресс-форм и штампов. Кроме того, он позволяет производить небольшие партии специализированных компонентов и запасных частей по мере необходимости, что минимизирует расходы на складские запасы.

Архитектура

Производство детальных архитектурных моделей и прототипов. AM может помочь архитекторам создавать более точные и подробные физические модели своих проектов, что поможет им объяснить свои идеи и визуализировать сооружения, которые они собираются построить.

Применение субтрактивного производства

Субтрактивное производство по-прежнему широко используется во многих отраслях промышленности, поскольку позволяет добиться высокой точности, хорошей обработки поверхности и низкой стоимости при крупносерийном производстве. Основные области применения в промышленности включают:

Автомобили

Субтрактивное производство широко используется в автомобильной промышленности для создания огромного количества необходимых деталей. Сюда входят детали двигателя, такие как головки цилиндров и блоки цилиндров, детали шасси и подвески, которые должны быть очень точными и прочными. Субтрактивное производство идеально подходит для массового производства, поскольку оно эффективно в обеспечении большого количества продукции, однородной по качеству и характеристикам, чтобы удовлетворить потребности автомобильной промышленности в миллионах автомобилей.

Аэрокосмическая промышленность

Субтрактивное производство широко используется в аэрокосмической промышленности для изготовления сложных и высокопрочных конструктивных деталей для самолетов и космических аппаратов. Такие компоненты, как алюминий, титан и другие специфические сплавы, подвергаются резке и формовке в соответствии с необходимыми техническими требованиями к весу и прочности. Эти методы помогают достичь требуемой точности деталей и качества материала, что имеет решающее значение для безопасности аэрокосмических аппаратов, используемых в тяжелых условиях.

Электроника

Субтрактивное производство также широко используется в производстве электронных устройств, особенно при изготовлении корпусов и кожухов для различных гаджетов и оборудования. Механическая обработка и фрезерование используются для резки и придания формы металлам и пластикам, чтобы они соответствовали контурам корпуса, защищали внутренние детали и улучшали внешний вид. Кроме того, при изготовлении радиаторов и других деталей с определенными тепловыми и электрическими характеристиками используются субтрактивные процессы.

Медицина

Субтрактивное производство широко применяется в медицине для изготовления различных медицинских приборов и инструментов, требующих высокой точности и часто использующих биосовместимые материалы. Это хирургические инструменты, ортопедические имплантаты и детали диагностического оборудования. Для обеспечения безопасности и эффективности медицинских приборов, используемых для оказания помощи пациентам, необходимы тонкие детали, а также гладкие поверхности, которые достигаются путем механической обработки и шлифования.

Как выбрать между аддитивным и субтрактивным производством?

Выбор между аддитивным и субтрактивным производством зависит от нескольких факторов, которые зависят от области применения и производственных потребностей. Ниже перечислены некоторые из факторов, которые следует учитывать при принятии решения:

Тип материала

Иногда решающим фактором может стать тип выбранного материала. Если вы имеете дело с такими материалами, как определенные стали, металлы или алюминиевые сплавы, то более эффективными будут процессы субтрактивного производства.

Однако если конструкция позволяет использовать материалы, которые легче поддаются обработке или лучше работают с помощью AM, например термопласты, то AM имеет явное преимущество как в процессе производства, так и в конечном применении.

Объем производства

В случае небольшого объема производства, особенно когда речь идет о сложных или мелкосерийных деталях, AM может быть более экономичным благодаря низкой стоимости оснастки и возможности создавать сложные формы без использования дополнительных инструментов.

Однако при увеличении объемов производства стоимость одной детали при субтрактивном производстве становится более выгодной, особенно для сложных геометрических форм. Субтрактивные методы обычно предпочтительнее в крупносерийном производстве, поскольку после установки оснастки процесс идет быстрее.

Устойчивое развитие

Среди других факторов, которые могут быть приняты во внимание, - факторы экологичности. Одним из преимуществ аддитивного производства является то, что в некоторых случаях оно позволяет свести к минимуму отходы материалов. Однако следует также учитывать потребление энергии и возможность вторичной переработки материалов, используемых в AM.

При субтрактивном производстве образуются отходы, но в большинстве случаев эти отходы (в частности, металлы) могут быть использованы повторно. Возможно, потребуется оценка жизненного цикла, чтобы решить, какой вариант является более экологичным для конкретного применения.

Точность и допуски

Если требуется высокая точность и малые допуски, то наиболее подходящим методом является субтрактивное производство, особенно прецизионная обработка.

Хотя точность аддитивного производства растет, оно все еще не настолько точно, как субтрактивное производство для критических допусков.

Требования к прочности и долговечности

Механические свойства деталей, изготовленных методом аддитивного и субтрактивного производства, отличаются по прочности и долговечности в зависимости от материала и используемого процесса.

Субтрактивное производство, особенно при работе с деформируемыми металлами, позволяет получать детали с высокой прочностью и долговечностью благодаря непрерывному течению зерна в материале.

Детали AM могут иметь анизотропные свойства или меньшую общую прочность в зависимости от технологии и материала, используемого в процессе, и могут быть слабее, чем детали, изготовленные с помощью субтрактивного производства.

Однако для несущих конструкций или конструкций с высокой нагрузкой безопаснее использовать традиционные материалы, применяя процесс субтрактивного производства.

Дизайн деталей

Сложность конструкции деталей имеет большое значение. По сравнению с субтрактивными методами аддитивное производство способно создавать сложные геометрические формы, внутренние решетки и замысловатые кривые, которые субтрактивными методами создать иногда невозможно или очень сложно.

Однако если конструкция не очень сложная и может быть выполнена путем вырезания материала из блока, то выгоднее использовать субтрактивное производство.

Время выполнения

Поскольку для большинства процессов аддитивного производства не требуется оснастка, быстрые прототипы и короткие партии продукции часто могут быть изготовлены в кратчайшие сроки. Это действительно так, но при больших объемах производства субтрактивное производство в сочетании с высокой эффективностью процесса, как правило, обеспечивает лучшие сроки выполнения заказа после завершения первоначальной настройки.

Стоимость

Наконец, стоимость - очень важный фактор, который нельзя упускать из виду. Необходимо сравнить стоимость материалов, оборудования, рабочей силы и последующей обработки при аддитивном и субтрактивном способах производства. Выбор экономически эффективного метода производства зависит от области применения, количества деталей, которые необходимо изготовить, и сложности детали.

TZR: ваш партнер в области прецизионного субтрактивного производства

TZR предоставляет опытные услуги субтрактивного производства, специализируясь на лазерной резке, плазменной резке и лазерной резке труб для проектов, требующих высокой точности, прочности и долговечности металлических деталей. Более 10 лет работы в этой отрасли и использование современных технологий, включая лазерный резак мощностью 20 000 Вт, позволяют работать с различными типами металлов, такими как сталь, нержавеющая сталь, алюминий, медь и латунь.

TZR предлагает полный спектр решений для проектирования, создания прототипов и производства, начиная от автомобильной промышленности, медицинского оборудования, 3D-принтеров и заканчивая возобновляемыми источниками энергии. Наша приверженность качеству обеспечивает точность до ±0,02 мм и квалификационный уровень 98%, отвечающий строгим мировым стандартам.

Сотрудничайте с TZR для получения надежных и высококачественных решений в области прецизионного производства листового металла. Посетите наш сайт, чтобы узнать больше о наших экспертных решениях.

Заключение

Аддитивное и субтрактивное производство - два разных, но важных метода производства в современном мире. Все они имеют свои преимущества и недостатки и применяются в различных областях в зависимости от конкретной задачи. Выбор между ними зависит от оценки потребностей конкретного проекта.

Очевидно, что и аддитивные, и субтрактивные технологии производства останутся актуальными в будущем по мере развития производственных технологий. Поэтому важно понимать различия между ними и факторы, определяющие их выбор, чтобы сделать правильный выбор и улучшить производственный процесс любого проекта.

ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ

Вопрос: Является ли аддитивное производство более экологичным, чем субтрактивное?

A: Аддитивное производство, как правило, сокращает количество отходов материалов, но при этом отличается более высоким энергопотреблением. С другой стороны, при субтрактивном производстве может образовываться больше отходов, но при этом используются традиционные производственные процессы.

Вопрос: Какой метод производства больше подходит для быстрого создания прототипов?

A: Аддитивное производство, как правило, больше подходит для быстрого создания прототипов, поскольку оно позволяет гибко менять дизайн и быстро изготавливать прототипы. Кроме того, оно позволяет разрабатывать сложные геометрические формы, которые невозможно получить с помощью обычных технологий производства.

Вопрос: Может ли субтрактивное производство работать с твердыми материалами?

A: Да, субтрактивное производство особенно подходит для обработки твердых материалов, таких как титановые сплавы, закаленная сталь и нержавеющая сталь, которые с меньшей вероятностью могут повредить режущий инструмент в процессе обработки.