Еволюція технологій виробництва призвела до виникнення двох провідних підходів: адитивного виробництва (AM) та субтрактивного виробництва. Хоча обидва підходи мають за мету виготовлення функціональних компонентів, їхні методології, можливості та обмеження значно відрізняються.
Субтрактивне виробництво досягає високої точності за рахунок видалення матеріалу. Воно починається з цільних заготовок (наприклад, металевих злитків або пластикових плит) і використовує такі технології, як обробка на верстатах з числовим програмним керуванням (ЧПК), фрезерування та токарна обробка, щоб систематично видаляти зайвий матеріал і отримати бажану геометрію. Цей процес має чітко виражені переваги: він забезпечує відмінну якість поверхні та високу розмірну точність (з допуском ±0,025 мм), несучі поверхні характеризуються покращеними механічними властивостями завдяки ізотропній структурі зерен, а зріла технологія широко використовується в різних галузях промисловості. Однак у неї є й очевидні обмеження: значні втрати матеріалу (частка відходів може сягати 90 % для складних деталей із титанових сплавів), обмеження щодо геометричних форм (наприклад, внутрішні канали та решітчасті структури, як правило, неможливо реалізувати) та прискорене зношування інструменту під час обробки твердих матеріалів, таких як титан, що призводить до зростання виробничих витрат.
Адитивне виробництво створює деталі шляхом послойного нанесення матеріалу. На основі цифрових моделей воно формує компоненти шляхом послойного нанесення матеріалів (зазвичай металевого порошку або полімеру), а ключовими технологіями є селективне лазерне плавлення (SLM), екструзія з плавленням (FDM) та струменева адгезійна печать (BJ). Його основні переваги полягають у: виготовленні деталей, близьких до кінцевої форми, що мінімізує відходи матеріалу (з рівнем браку менше 5 %), безпрецедентній свободі проектування (що дозволяє виготовляти органичні форми, внутрішні порожнини та легкі решітчасті конструкції) та можливості швидкого прототипування й індивідуального виробництва (наприклад, медичних імплантатів, адаптованих під конкретного пацієнта). Однак у нього є й недоліки: відносно висока шорсткість поверхні, через що часто потрібна додаткова обробка; анізотропні властивості матеріалу можуть впливати на міцність конструкції; обмежений об’єм побудови та повільна швидкість виробництва при масовому випуску.
Ефективність використання матеріалів є критичним роздільним фактором між цими двома технологіями, особливо помітним під час обробки дорогоцінних металів. Традиційна обробка титанових сплавів призводить до значних втрат сировини, тоді як адитивне виробництво використовує понад 95 % вхідного порошку. Така ефективність відповідає цілям стійкого розвитку й у довгостроковій перспективі може знизити витрати на сировину.
Щодо компромісу між гнучкістю конструювання та точністю, адитивне виробництво переважає в застосуваннях, що вимагають складних конструкцій: у авіакосмічній галузі воно дозволяє виготовляти кронштейни з топологічно оптимізованою формою, що зменшує вагу без втрати міцності; у медичній галузі — виробляти пористі імплантати для кісток, які сприяють інтеграції з тканинами. З іншого боку, субтрактивне виробництво домінує в сценаріях, де потрібна висока точність: наприклад, у випадку деталей двигунів, які вимагають допусків на рівні мікронів, або оптичних і ущільнювальних поверхонь, що потребують дзеркального полірування.
Рішення гібридного виробництва набувають популярності як тренд, що поєднує переваги обох технологій. Прогресивні виробники все частіше поєднують ці два процеси: використовують адитивне виробництво для створення деталей, близьких до кінцевої форми, зі складними конструктивними елементами, а потім застосовують субтрактивне фрезерування для остаточної обробки критичних поверхонь та стиків. Ця синергетична модель поєднує інноваційність і надійність, наприклад, турбінні лопатки з каналами охолодження, виготовленими методом 3D-друку, та профілями лопаток, обробленими на ЧПК-верстатах.
З точки зору екологічних аспектів адитивне виробництво сприяє формуванню замкненої економіки, у якій вторинні порошки (наприклад, відходи титанових сплавів) можна повторно використовувати в системах із замкнутим циклом; тоді як рівень переробки при субтрактивному виробництві поступово підвищується, воно все ще стикається з труднощами у сортуванні металевих стружок та відновленні властивостей матеріалу.
Щодо майбутньої траєкторії розвитку, із розвитком технологій цифрового виробництва вибір між адитивними та субтрактивними процесами залежатиме від трьох ключових чинників: складності деталі (компроміс між геометричною свободою та структурною простотою), вимог до обсягів виробництва (різниця між масовим виробництвом та індивідуальними партіями) та вимог щодо сталого розвитку (ефективність використання матеріалів та показники вуглецевого сліду). Гібридні рішення, ймовірно, домінуватимуть у секторах високої доданої вартості, тоді як певні сфери застосування будуть орієнтуватися на використання одного з процесів. Епоха «або/або» підходить до кінця, а промисловий успіх тепер полягає у стратегічній інтеграції цих двох процесів.
EN