Аддитивное производство. Общие принципы

Аддитивное производство — это обобщающий термин для технологий, которые позволяют создавать сложные и уникальные объекты, путём наслоения. Аддитивное производство отличается от обычных производственных процессов, где используются дополнительные материалы или способы формования. Вместо этого данные технологии позволяет создавать желаемые конструкции, добавляя только необходимое количество исходного вещества для получения конечного результата.  

Ключевые тезисы

• Аддитивное производство создаёт объект путём последовательного добавления материала, а не удаления лишнего.
• Термин «3D-печать» исторически закрепился за настольными устройствами, тогда как аддитивное производство — это промышленный процесс.
• Международный стандарт ISO/ASTM 52900:2021 выделяет семь технологических категорий.
• Технология прошла путь от лабораторных экспериментов 1980-х до частичной индустриализации.
• Главные преимущества — геометрическая свобода, кастомизация и минимизация отходов.
• Основные барьеры — стоимость, ограниченный ассортимент материалов и необходимость постобработки.

По словам генерального директора, nano3Dprint, компании, производящей системы экструзии (выдавливания) материалов для 3D-печати электроники Рэмси Стивенсона:

“Это похоже на выпечку торта с нуля — вы добавляете материалы для создания объектов. Это отличается от обычных производственных процессов, в которых используются дополнительные материалы или процессы формования”.

Используемые как синонимы термины аддитивное производство и 3D-печать на самом деле не совсем равнозначны. Многие отраслевые эксперты считают, что 3D-печать — это всего лишь один тип или подмножество аддитивного производства, и что аддитивное производство — это скорее обобщающий термин, охватывающий большее количество процессов.

Как сказал Адитья Чандаваркар, соучредитель Additive Academy, и CNT Expositions and Services (аббревиатура от Catalysing New Technologies).

«Термин "3D-печать" на самом деле был придуман как маркетинговый ход на ранних стадиях развития технологии. С учетом достижений, которые появляются сейчас, - мы переходим от простого прототипирования к производству с использованием этих технологий, что делает «аддитивное производство» более подходящим термином».

Официальное определение

Официальное определение зафиксировано в международном стандарте ISO/ASTM 52900:2021. Российский ГОСТ Р 57558-2025 также содержит соответствующую формулировку. Согласно этим документам, аддитивное производство — это процесс изготовления деталей. Он основан на создании физического объекта по электронной геометрической модели. Материал добавляется последовательно, слой за слоем.

Единая терминологическая база сформировалась относительно недавно. Первый профильный стандарт ASTM F2792 был опубликован лишь в 2009 году. Международный стандарт ISO/ASTM 52900 увидел свет в 2015-м. Это подчёркивает сравнительно молодой возраст технологии. От лабораторных экспериментов начала 1980-х до сегодняшнего этапа прошло чуть более четырёх десятилетий.

История и эволюция аддитивного производства

Рождение технологии

Отсчёт истории принято вести с 1983 года. Американский инженер Чарльз Халл создал первую стереолитографическую (SLA) установку. В отличие от любого традиционного инструмента того времени, устройство Халла не работало с заготовками. Оно послойно формировало объект из жидкого фотополимера. Материал засвечивался ультрафиолетовым лазером.

Спустя три года Халл основал компанию 3D Systems. В 1987-м на рынок вышел SLA-1 — первый коммерческий 3D-принтер.

Развитие в 1990-е

В начале 1990-х появились альтернативные методы. Селективное лазерное спекание (SLS) и моделирование методом наплавления (FDM) заложили основу для перехода. От Rapid Prototyping к Rapid Manufacturing — таков был вектор развития.

Переломный момент

Перелом наступил в 2009–2010 годах. Истечение патентов на FDM-технологию вызвало бурный рост рынка настольных 3D-принтеров. Это значительно расширило круг пользователей. К концу 2010-х аддитивное производство заняло собственную нишу. Изначально его воспринимали как экспериментальную альтернативу. Теперь оно укрепилось в аэрокосмической, медицинской и автомобильной отраслях. Там, где традиционные процессы либо бессильны, либо экономически нецелесообразны.

Для современного этапа характерна не столько конфронтация, сколько консолидация. Аддитивные технологии встраиваются в производственные цепочки.

Как работает аддитивное производство?

Аддитивное производство физических объектов основывается на цифровой обработке. С помощью CAD-модели или сканирования объекта, программа преобразует цифровой файл в трехмерную структуру, которая разбивает объект на тонкие слои. Производственная машина затем следует инструкциям, создавая объект снизу вверх.
Для различных методов аддитивного производства действия могут варьироваться. Например, в случае 3D-печати, смесь нитей может быть выдавлена из сопла, которое управляется роботизированной головкой, перемещающейся горизонтально. Или процесс может включать сварку тонких алюминиевых листов с помощью теплового пистолета, подающихся через систему роликов.

Однако, несмотря на различия в процессе, основная идея остается неизменной: материалы, такие как порошок, жидкость или пастообразный гель, наносятся слоями и затем сплавляются вместе с помощью внешнего источника. Платформа плавно опускается вниз, и наносится следующий слой. Этот цикл повторяется до тех пор, пока не достигнут последний слой, завершающий конструкцию.
В современном аддитивном производстве нашли применение многие материалы - от полимерных композитов и металлов до керамики, пенопластов, гелей и даже живых тканей.

Виды аддитивного производства.

Струйное нанесение связующего.

Этот метод позволяет создавать объекты с использованием порошкообразных материалов и жидкого связующего агента. При этом слои порошка распределяются по лотку для сборки, а печатающие головки перемещаются по осям x, y и z, чтобы нанести клейкое вещество, которое связывает все компоненты вместе. Важно отметить, что для этого не требуется нагрев.
Струйное нанесение связующего является быстрым и эффективным методом, который находит применение в создании прототипов, литейных форм, деталей для аэрокосмической промышленности и ювелирных изделий.

Струйная обработка материала.

Струйная обработка материала — это процесс, в ходе которого материал наносится на формовочный лоток по одной капельке за раз с помощью колеблющейся печатающей головки. Этот метод похож на работу струйного принтера и является единственным способом аддитивного производства, который позволяет смешивать смолы в процессе печати. Применение струйной обработки включает в себя создание промышленной оснастки, прототипов и медицинских моделей с высокой точностью.

Направленное энергетическое осаждение.

При использовании направленного энергетического осаждения металл подаётся коаксиально (совместно), а осаждение и плавление происходят одновременно.
В технологии энергетического осаждения используется фокусированный источник энергии, такой как лазер, плазменная дуга или электронный луч, который устанавливается на роботизированной головке и позволяет расплавлять материалы по мере их нанесения.

Благодаря возможности многоосевой роботизации материалы наносятся под любым углом, поэтому направленное энергетическое нанесение также может быть использовано для ремонта или технического обслуживания уже существующих деталей.

Аддитивное производство и экструзия материала.

Технология экструзии материалов, известная как 3D-печать, является одним из самых распространенных методов аддитивного производства. В процессе экструзии, машина непрерывно выдавливает расплавленную, суспензионную нить из нагретого сопла, а роботизированная головка, создает требуемую структуру. Затвердевание слоев происходит за счет контроля температуры или использования связующего вещества. Экструзия материалов пользуется популярностью среди любителей, так как она проста в использовании, не требует сложного обучения и является относительно недорогой.

Сплавление в порошковом слое.

Сплавление в порошковом слое — процесс, где слои порошка соединяются или спекаются вместе с использованием источника тепла, обычно лазера. Данный метод на микроуровне позволяет создавать конструкции с высокой точностью и сложной геометрией. Такие детали обладают исключительным распределением веса и точностью размеров, что придает им непревзойденные механические свойства, недоступные при использовании традиционных методов изготовления.

Ламинирование листов.

В этом процессе соединяются стопки листов из различных материалов, таких как бумага, пластик или металлическая фольга, с использованием сварки, нагрева, давления или клея. Излишки материала, окружающие закрепленный объект, служат структурной опорой, которая впоследствии удаляется и перерабатывается для следующего проекта.

Полимеризация.

Фотополимеризация — технология аддитивного производства, основанная на использовании ультрафиолетового света для превращения жидких полимеров в твердые структуры. В процессе изготовления, объект находится в чане со смолой и подвергается воздействию света, который направляется и усиливается зеркалами. Этот метод позволяет создавать точные и сложные детали с гладкими поверхностями и мелкими элементами. Фотополимеризация широко применяется при изготовлении хирургических инструментов, слуховых аппаратов и лицевых протезов.

Аддитивное производство. Сферы применения.

Внедрение аддитивного производства значительно упростило процессы и снизило затраты в различных секторах промышленности. Вот несколько примеров:

Аэрокосмическая промышленность. Аддитивное производство позволяет разрабатывать легкие и прочные детали, что приводит к созданию более эффективных и экономичных самолетов.

Автомобилестроение. Появилась возможность быстро экспериментировать с новыми конструкциями и выпускать обновленные модели автомобилей. Производство легких и прочных деталей для электромобилей, что увеличивает их автономное время работы.

Здравоохранение. Специалисты в этой области могут разрабатывать передовые медицинские решения, такие как создание зубных протезов, хирургических инструментов, спинномозговых имплантатов и искусственных органов.

В энергетической сфере. Разработка уникальных деталей на месте, что позволяет компаниям, занимающимся атомной, ветряной и солнечной энергетикой, экономить средства, которые обычно теряются в ожидании экстренно заказанных механизмов.

В сфере потребления. Компании, производящие потребительские товары, могут быстро создавать прототипы игрушек и выпускать большое количество обновленной высококачественной продукции в рекордно короткие сроки, что приводит к повышению их прибыли.

Преимущества аддитивного производства.

1. Свобода дизайна

Разработка сложных и уникальных изделий стала возможной благодаря аддитивному производству. Ограничений больше нет - если деталь может быть спроектирована в CAD-модели, она может быть создана. Современные технологии позволяют воспроизводить мелкие детали и сложные геометрические формы, которые раньше были недоступны с использованием традиционных методов.

Некоторые из самых сложных разработок включают двигатель aerospike от стартапа Hyperganic, который занимается разработкой искусственного интеллекта, и два легких каркаса, созданные с использованием 3D-принтера и биопечати. В процессе создания этих изделий было использовано 44 триллиона вокселов (воксель – аналог двухмерного пикселя в трёхмерном поространстве).

2. Настройка.

Легкая персонализация является одним из главных преимуществ симбиоза компьютеризированных процессов и точных технологий. Аддитивное производство позволяет достичь практически полностью идентичного воспроизведения дизайна и сократить различия между партиями изделий.

3. Вес.

3D-печать создает детали, которые легче, чем их заводские аналоги. Это обусловлено возможностью удаления излишнего материала без нарушения функциональной целостности. Что позволяет создавать более продуманные конструкции с оптимальной геометрией. Конечно, необходимо учитывать то, что для двух идентичных деталей с одинаковым функционалом, изменение нагрузки меняет правила игры в автомобильной и аэрокосмической промышленности.

4. Низкие эксплуатационные расходы.

Машины и программные системы сами выполняют печать, когда пользователь нажимает на кнопку. При этом они способны гарантировать выполнение операции в целом без необходимости дополнительных работ после производства. В некоторых случаях, пользователю приходится удалять вспомогательные элементы перед шлифовкой, полировкой и покраской.

5. Неотложность.

Машины для аддитивного производства предлагают доступ по запросу к любой доступной конфигурации изделия. Для компаний это означает возможность печатать детали по мере необходимости, обходя узкие места в цепочке поставок. Для создателей это быстрое воспроизведение прототипов и ускоренные циклы разработки продукта с возможностью корректировать конфигурации по ходу работы.

Генеральный директор nano3Dprint  Стивенс, отмечает:

«…пользователи могут в нужный момент создавать новые приложения и форм-факторы, включая проводящие и функциональные материалы. Аддитивное производство, такое как 3D-печать, дает возможность воплощать идеи в реальность уже в течение одного дня».

6. Минимизация отходов.

Аддитивное производство, согласно Чандаваркару из Академии аддитивных технологий, является одним из самых экономичных методов. В процессе аддитивного производства происходит сложение материалов. Поэтому последовательность действий настраивается таким образом, чтобы использовать минимальное количество сырья, необходимое для завершения проектирования. Этот подход позволяет сократить количество отходов. Что в свою очередь способствует более устойчивому и экономичному замкнутому циклу.

Генеральный директор CAD/CAM Services, Скотт Шупперт, представил свои мысли о том, как аддитивные технологии могут изменить производственный цикл и привести к экологически более чистым методам. Он подчеркнул, что локализованное производство деталей на месте может существенно сократить потребности в транспортировке. Кроме того, использование только необходимого количества материала для каждой детали позволяет также сэкономить энергию.

Недостатки аддитивного производства.

1. Стоимость.

По данным компании AM Flow, стоимость 3D-печати остается неприемлемо высокой по сравнению с альтернативными методами, такими как литье под давлением. Запуск оборудования требует значительных первоначальных затрат. Сырье для аддитивного производства часто является редким и дорогостоящим, и его необходимо подготовить в нужной форме, будь то нить, порошок или гель, соответственно требованиям конкретной машины.

2. Ограниченное количество материалов.

В аддитивном производстве используются ограниченный ассортимент исходного сырья. Так как данная технология находится в зачаточном состоянии по сравнению с хорошо зарекомендовавшими себя процессами, на основе которых разрабатывались материалы десятилетиями.
Но, похоже, ситуация меняется.

“Ассортимент материалов, доступных для аддитивного производства, быстро расширяется, постоянно внедряются передовые композиты, алюминий, титан и различные поли- и углеродные материалы”, - сказал Шупперт. - Эти достижения будут способствовать производству более прочных, легких и экономичных деталей”.

3. Отсутствие широкого доступа.

Адитья Чандаваркар считает, что главной проблемой, связанной с аддитивным производством, является ограниченный доступ к информации, которую получают основные участники отрасли. Он отметил, что существует множество технологий, которые становятся дорогостоящими из-за ограничений на права интеллектуальной собственности. Это приводит к увеличению капитальных затрат на инвестирование в такие технологии. Поэтому только когда стоимость принтеров, сырья и других необходимых предметов, включая программное обеспечение, стабилизируется, аддитивное производство сможет стать широко распространенным.

Влияние аддитивных технологий на будущее производственных процессов не может быть недооценено. Они позволяют создавать сложные и индивидуальные детали, что открывает новые возможности для проектирования и инноваций. Кроме того, использование аддитивных технологий позволяет сократить время и затраты на производство. Улучшить качество продукции и уменьшить воздействие на окружающую среду.

Классификация методов аддитивного производства

Единую международную классификацию закрепляет стандарт ISO/ASTM 52900:2021. Он выделяет семь технологических категорий.

Категория	Описание
Фотополимеризация в ванне (VAT)	Отверждение жидкого полимера под воздействием лазера, светодиодного массива или проектора
Синтез в порошковом слое (Powder Bed Fusion)	Селективное лазерное плавление, спекание, электронно-лучевое плавление
Экструзия материала (Material Extrusion)	Настольная FDM-печать и промышленное изготовление композитных форм
Струйное нанесение материала (Material Jetting)	Капельное осаждение полимеров, восков
Струйное нанесение связующего (Binder Jetting)	Капельное осаждение клеящего состава в слой порошка
Прямой подвод энергии (DED)	Ремонт или крупногабаритные заготовки
Листовая ламинация (Sheet Lamination)	Склеивание или сварка листового материала

Синтез в порошковом слое включает селективное лазерное плавление, спекание и электронно-лучевое плавление. Это ключевые методы для металлических деталей ответственного назначения. Экструзия материала охватывает как настольную FDM-печать, так и промышленное изготовление композитных форм. Струйное нанесение материала и связующего реализует капельное осаждение. Прямой подвод энергии применяют для ремонта или крупногабаритных заготовок. Листовая ламинация завершает перечень.

Будущее аддитивных технологий

Будущее аддитивных технологий связано не столько с эволюцией самих процессов послойного синтеза. Оно связано с их интеграцией со сквозными цифровыми платформами и новыми моделями государственного регулирования. Два фактора — искусственный интеллект и целенаправленная промышленная политика — сегодня выступают основными ускорителями. Они помогают переходу от нишевых решений к зрелому индустриальному укладу.

Искусственный интеллект и аддитивное производство

Искусственный интеллект трансформирует всю цепочку аддитивного производства. Но наиболее радикальные изменения происходят на этапе проектирования и контроля процесса. Генеративный дизайн на основе машинного обучения создаёт геометрии. Инженер-человек в рамках традиционного мышления просто не рассматривает их. Это бионические рёбра жёсткости, трёхмерные решётки переменной плотности, многоканальные теплообменники.

ИИ-алгоритмы уже способны прогнозировать коробление и остаточные напряжения до запуска печати. Это сокращает итерации. В ходе построения системы технического зрения в реальном времени анализируют геометрию ванны расплава. Также анализируются сигнатуры термических полей. Выявляются зарождающиеся дефекты на уровне отдельного слоя. Это качественно иной уровень контроля по сравнению с традиционной постоперационной томографией. Самообучающиеся регуляторы параметров подстраивают стратегию сканирования «на лету». Они компенсируют вариации свойств порошка или теплового баланса. Производство становится более предсказуемым.