Эволюция технологий производства породила два доминирующих подхода: аддитивное производство (AM) и субтрактивное производство. Хотя оба метода направлены на создание функциональных компонентов, их методологии, возможности и ограничения значительно различаются.
Субтрактивное производство обеспечивает высокую точность за счет удаления материала. Оно начинается с заготовок из твердого материала (например, металлических слитков и пластиковых плит) и использует такие методы, как обработка на станках с числовым программным управлением (ЧПУ), фрезерование и токарная обработка, чтобы систематически удалять избыточный материал и получить требуемую геометрию. Этот процесс обладает рядом неоспоримых преимуществ: он обеспечивает превосходное качество поверхности и высокую размерную точность (с допуском ±0,025 мм); несущие поверхности обладают улучшенными механическими свойствами благодаря изотропной структуре зерен; кроме того, данная технология является зрелой и широко применяется в различных отраслях промышленности. Вместе с тем у неё имеются и очевидные ограничения: значительные потери материала (доля отходов может достигать 90 % при изготовлении сложных деталей из титановых сплавов); ограниченность возможностей по формированию геометрических форм (например, внутренние каналы и решётчатые структуры, как правило, недостижимы); а также ускоренный износ инструмента при обработке труднообрабатываемых материалов, таких как титан, что приводит к росту себестоимости производства.
Аддитивное производство создает детали путем послойного нанесения материала. Основываясь на цифровых моделях, оно формирует компоненты путем постепенного нанесения материалов (обычно металлического порошка или полимера) слой за слоем; ключевые технологии включают селективное лазерное плавление (SLM), экструзионное формование (FDM) и струйное связывание порошка (BJ). Его основные преимущества заключаются в следующем: получение изделий, близких к конечной форме (near-net-shape), что минимизирует отходы материала (коэффициент отходов менее 5 %); беспрецедентная свобода проектирования (позволяющая изготавливать органические формы, внутренние полости и облегченные решетчатые структуры); а также возможность быстрого прототипирования и индивидуального производства (например, медицинских имплантатов, адаптированных под конкретного пациента). Тем не менее, у данной технологии имеются недостатки: относительно высокая шероховатость поверхности, зачастую требующая последующей обработки; анизотропные свойства материалов могут влиять на прочность конструкции; ограниченный объем формируемой детали и низкая скорость производства при массовом выпуске.
Эффективность использования материалов является ключевым различием между двумя этими технологиями, особенно наглядно проявляющимся при обработке дорогостоящих металлов. Традиционная механическая обработка титановых сплавов приводит к значительным потерям исходного сырья, тогда как аддитивное производство использует более 95 % входящего порошка. Такая эффективность соответствует целям устойчивого развития и в долгосрочной перспективе может снизить затраты на сырьё.
Что касается компромисса между гибкостью проектирования и точностью, аддитивное производство демонстрирует высокие результаты в задачах, требующих сложных конструкций: в аэрокосмической отрасли оно позволяет изготавливать оптимизированные по топологии кронштейны, снижающие массу без потери прочности; в медицинской отрасли — пористые импланты для костной ткани, способствующие интеграции с тканями организма. Субтрактивное производство, напротив, доминирует в случаях, где предъявляются жёсткие требования к точности: например, при изготовлении деталей двигателей с допусками в доли микрона, а также оптических или уплотнительных поверхностей, требующих зеркальной отделки.
Гибридные производственные решения становятся трендом, объединяющим сильные стороны обоих подходов. Передовые производители всё чаще комбинируют эти два процесса: используют аддитивное производство для создания заготовок близких к конечной форме с комплексными элементами, а затем применяют субтрактивную обработку для доводки критически важных поверхностей и стыковых соединений. Такая синергетическая модель обеспечивает баланс между инновациями и надёжностью, например, в случае турбинных лопаток с охлаждающими каналами, выполненными методом 3D-печати, и профилями лопаток, обработанными на станках с ЧПУ.
С точки зрения устойчивого развития аддитивное производство способствует формированию циркулярной экономики, при которой переработанные порошки (например, отходы титановых сплавов) могут повторно использоваться в замкнутых системах; в то же время коэффициент переработки при субтрактивном производстве повышается, однако остаются сложности с сортировкой металлических стружек и восстановлением исходных свойств материалов.
Что касается будущей траектории развития, то с прогрессом цифровых технологий производства выбор между аддитивными и субтрактивными процессами будет зависеть от трёх ключевых факторов: сложности детали (компромисс между геометрической свободой и структурной простотой), требований к объёмам производства (различие между массовым производством и индивидуальными партиями) и требований устойчивого развития (показатели эффективности использования материалов и углеродного следа). Гибридные решения, вероятно, будут доминировать в высокотехнологичных отраслях, тогда как конкретные сценарии применения будут склоняться к использованию одного из процессов. Эпоха «либо/либо» подходит к концу, и промышленный успех сегодня определяется стратегической интеграцией этих двух процессов.
EN