Аддитивное производство (), или аддитивный технологический процесс — это процесс изготовления деталей, который основан на создании физического объекта по электронной модели путем добавления материала, как правило, слой за слоем, в отличие от вычитающего (субтрактивного) производства (механической обработки) и традиционного формообразующего производства (литья, штамповки).
В новостных газетных и журнальных сообщениях вместо понятия «аддитивное производство» часто используются его синонимы «трёхмерная печать» или «3D-печать» (англ. 3D printing). В частности этот термин связывают с 3D-принтерами, используемыми не в промышленных целях. Например, трёхмерные принтеры на базе процесса экструзии материала имеют спрос у частных лиц, приобретающих эти машины для домашнего применения.
Терминология Широкое употребление понятие «аддитивное производство» получило не сразу, а все из-за того, что длительное время не существовало стандартов по терминологии для таких технологий производства. Ситуация кардинально изменилась в 2009 году, когда международное американское общество по испытанию материалов (англ. ASTM International) издала стандарт ASTM F2792ASTM F2792-12a Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies // ASTM International. — 2015., посвященный терминологии в области аддитивного производства. В этом документе термин «additive manufacturing» впервые принят стандартным и рекомендуется к дальнейшему применению взамен других понятий, аналогичных или похожих по своему содержанию. Принятия стандарта ASTM F2792 привело к тому, что после 2009 года зафиксирован резкий рост употребления термина «аддитивное производство» в англоязычной литературе.
В англоязычной литературе существуют и другие понятия, употребляемые для обозначения процесса аддитивного производства, например до 2009 года уже существовали такие понятия как: additive fabrication, additive processes, additive techniques, additive layer manufacturing, layer manufacturing, solid freeform fabrication, freeform fabrication, rapid tooling, rapid manufacturing, direct digital manufacturing, additive manufacturing и three-dimensional (3-D) printing.
В дальнейшем за стандартизацию терминологии взялась международная организация по стандартизации (ИСО). Впервые эта организация опубликовала свой проект стандарта по терминологии в октябре 2014 года под кодовым названием ISO 17296-1. Подготовлен этот проект был при сотрудничестве комитета F42 международной организации ASTM, что нашло свое отражение на содержании этого стандарта. Члены комиссии этой организации решили утвердить в качестве понятия, обобщающего множество аддитивных технологических процессов, тот же термин «additive manufacturing». В качестве международного стандарта ISO 17296-1 был принят в 2015 году, но под другим названием «ISO/ASTM 52900:2015». Первое издание этого нового стандарта отменило и заменило стандарт ASTM F2792.
В Российской Федерации в 2017 году федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии утвержден национальный стандарт ГОСТ Р 57558-2017, посвященный терминам и определениям для аддитивных технологических процессов. Отечественный национальный стандарт по своему содержанию идентичен ISO/ASTM 52900:2015 и в нём русскоязычный термин «аддитивное производство» принят эквивалентным англоязычному термину «additive manufacturing».
История В начале 1980-х начали развиваться новые методы производства деталей, основанные не на удалении материала как традиционные технологии механической обработки, а на послойном изготовлении изделия по трехмерной модели, полученной в САПР, за счет добавления материала в виде пластиковых, керамических, металлических порошков и их связки термическим, диффузионным или клеевым методом. Группа этих технологий на западе получила название «аддитивное производство» (). За три десятилетия технология перешла от изготовления бумажных и пластиковых прототипов к непосредственному получению готовых функциональных изделий. К настоящему времени технология позволяет получать металлические и неметаллические прототипы и функциональные изделия, которые не требуют механической пост-обработки.
Технологии аддитивного производства совершили значительный рывок благодаря быстрому совершенствованию электронной вычислительной техники и программного обеспечения. Величина современного рынка аддитивного производства — около 1,3 млрд долларов, включая производство специального оборудования и оказание услуг в соотношении ориентировочно 1/1.
Описание аддитивных технологических процессов В настоящее время принцип аддитивного производства относят к большому разнообразию производственных процессов. Также он является частным случаем литья.
Классификация и их описание По международному стандарту, как и по отечественному, процессы принято делить на семь основных категорий по типу применяемого в них процесса: Струйное нанесение связующего (англ. binder jetting) — процесс аддитивного производства, в котором порошковые материалы соединяются выборочным нанесением жидкого связующего. Прямой подвод энергии и материала (англ. directed energy deposition) — процесс аддитивного производства, в котором энергия от внешнего источника энергии используется для соединения материалов путем их сплавления в процессе нанесения. Экструзия материала (англ. material extrusion) — процесс аддитивного производства, в котором материал выборочно подается через сопло или жиклер. Струйное нанесение материала (англ. material jetting) — процесс аддитивного производства, в котором изготовление объекта осуществляют нанесением капель строительного материала. Синтез на подложке (англ. powder bed fusion) — процесс аддитивного производства, в котором энергия от внешнего источника используется для избирательного спекания/плавления предварительно нанесенного слоя порошкового материала. Листовая ламинация (англ. sheet lamination) — процесс аддитивного производства, в котором изготовление детали осуществляется послойным соединением листовых материалов. Фотополимеризация в ванне (англ. vat photopolymerization) — процесс аддитивного производства, в котором жидкий фотополимер выборочно отверждается (полимеризуется) в ванне световым излучением.
Процесс синтеза на подложке Известны несколько способов соединения частиц порошка с помощью лазера, которые можно классифицировать по типу механизма консолидации (соединения):
Твёрдофазное спекание (англ. Solid State Sintering) — представляет собой процесс консолидации частиц порошкового материала путём диффузии их атомов при температуре ниже плавления материала. Жидкофазное спекание (англ. Liquid Phase Sintering) или неполное плавление, оплавление (англ. partial melting) — процесс соединения частиц порошка путём не полного плавления порошкового материала. Характерная черта изделий, получаемых таким способом, высокая пористость их структуры материала. Способов осуществления процесса несколько и они зависят от качеств порошкового материала, например: если порошок однородный, то через оплавление поверхности его частиц материала; если порошок с бимодальным распределением частиц, то обеспечивают такие параметры процесса, когда плавятся только мелкие частицы, в то время как более крупные остаются твердыми; если порошок двух компонентный, то есть состоит из конструкционных и связующих частиц, то у последнего обязательно должна быть более низкая температуру плавления, так как соединение частиц, в таком случаем, осуществляют через плавление связующего; если порошок многокомпонентный, то связующих частиц может быть несколько и формирование изделия осуществляется через их плавление; если на частицы порошка нанесена оболочка, то обязательно с более низкой температурой плавления, чему у сердцевины, тогда частицы порошка соединяют через оплавления этой оболочки; Полное плавление (англ. full melting) — процесс консолидации частиц порошка, подразумевающий их полное плавление. Характерной чертой изделий, полученных таких способой, низкая пористость структуры их материала. Химически индуцированное связывание (англ. chemical induced binding) — процесс консолидации частиц порошка путём стимулирования в материале химических реакций.
Технологии аддитивного производства Среди применений аддитивных технологий наиболее востребовано производство функциональных изделий для нужд наиболее заинтересованных отраслей промышленности таких как авиакосмическая отрасль, автомобиле- и машиностроение, ВПК, медицина в части протезирования, в геонауках в части моделирования, то есть там, где существует острая потребность в изготовлении высокоточных изделий и их прототипов в кратчайшие сроки.
На момент 2021 года разработано несколько десятков технологий, имеющих в своей основе процессы характерные для аддитивного производства. Ниже приведены и описаны несколько таких технологий.
Технологии со струйным нанесением связующего Метод печати изделий с помощью струйного нанесения связующего были разработаны в начале 1990-х годов в Массачусетском технологическом институте. Изначально технология с таким способом процесса печати была известна под названием «3D printing» (сокр. 3DP), но впоследствии это понятие стало трактоваться шире в отношении всех технологий аддитивного производства, а сейчас их обычно называют «Binder Jetting» (сокр. BJ). Суть процесса заключается в нанесении связующего вещества на порошковый слой с помощью струйной печатающей головки (англ. Inkjet printhead), тем самым формируются поперечные сечения изделия слой от слоя.
В настоящее время существует несколько технологий на базе этого процесса, которые нашли промышленное применение:
Three-dimensional printing или 3D printing (сокр. 3DP) — это аддитивный технологический процесс, при котором продукт получают в результате склеивания частиц порошка путем выборочного нанесения связующего вещества на поверхность каждого слоя порошковой подложки. Технология разработана Эммануэлем Саксом и его командой при Массачусетском технологическом институте в 1989 году.
Color Jet Printing (сокр. CJP) — технология 3DP с функцией производства цветных деталей.
Binder Jet 3D Printing — технология созданная на основе технологии 3DP, но предназначенная для производства металлический деталей. Этот термин использует компания ExOne.
Технологии с экструзией материала Отличительной чертой этих технологий является производство изделий путем экструзии материала.
Коммерческий успех получили несколько технологий на базе этого процесса:
Fused Deposition Modeling (сокр. FDM) — это технология трёхмерной печати пластмассовых изделий путём выборочного и послойного нанесения расплавленного материала. Существуют вариации 3D-принтеров как с одной печатающей головкой, так и с двумя, где одна выдавливает на платформу материал, формирующее изделие, а другая — материал поддерживающий, не дающей печатающемуся изделию разрушится в процессе печати. Разработана Скоттом Крампом в 1989 году, основателем компании Stratasys.
Fused Filament Fabrication (сокр. FFF) — аналог технологии FDM. Название зародилось в сообществе RepRap, основанным Адрианом Боуером из Университета Бата в 2004 году.
Технологии с синтезом на подложке Принцип печати, который заложен в эту группу технологий, изначально разработан Карлом Декардом при Техасском Университете в 1986 году. Их отличительные признаки:
для печати используются порошковые материалы; послойное нанесение порошка на подложку; консолидация (соединение) частиц порошка с помощью излучателя энергии.
Обычно в качестве излучателей энергии используют: лазеры и лучевые пушки.
Коммерческих успех получил следующих ряд технологий:
Selective Laser Sintering (сокр. SLS), также известная как селективное (выборочное) лазерное спекание — это технология аддитивного производства изделий путём выборочного и послойного сканирования лазерным излучением поверхности полимерного порошка. Разработана компанией EOS и её ключевые особенности:
не нужны поддерживающие структуры, так как с их функцией справляется сам порошок, из которого печатается изделие;