Výrobní technologie: aditivní, subtraktivní a formativní procesy

Aditivní, subtraktivní a formativní technologie jsou tři druhy metod výroby ve strojírenství, které se využívají ke zhotovení široké škály výrobků. Každá z těchto metod (schematicky znázorněny na obr. 1) má své specifické vlastnosti, výhody a omezení, které určují její vhodnost pro dané aplikace. Pojďme se blíže podívat na charakteristiku každé z těchto metod.

Americká organizace ASTM (The American Society for Testing and Materials) dle normy ISO/ASTM 52900 zavádí a definuje pojmy používané v oblasti aditivních technologií. Podle tohoto standardu je aditivní výroba označována jako proces, který vytváří trojrozměrné objekty z 3D virtuálních modelů postupným nanášením jednotlivých elementů materiálu a jejich následným spojením. [2]

Aditivní technologie se obecně vyznačují vysokou flexibilitou při změně výroby geometrie dílů, což je činí ideální pro rychlou výrobu prototypů, které mohou dále sloužit například pro vizuální testování designu nebo geometrie součásti. Následující graf na obr. 2 znázorňuje procentuální zastoupení aplikací, ve kterých je výroba dílů realizována pomocí aditivních technologií. Z těchto hodnot je patrné, že největší podíl na využití aditivních technologií představuje tvorba funkčních dílů určených pro finální aplikaci (prodej dílů a jejich používání konečným zákazníkem). Druhé nejčetnější zastoupení zaujímá výše zmíněné zhotovování prototypů. [2, 3]

Obr. 2 Procentuální zastoupení aplikací aditivní výroby [3]

Na rozdíl od technologií vstřikování polymerů nebo odlévání kovů aditivní výroba nevyžaduje, v některých případech časově náročnou, výrobu nástrojů (forem). Díky tomu tak 3D tisk snižuje náklady a dodací lhůty. Na strojích aditivních technologií lze vyrábět díly s téměř libovolnou geometrií, což otevírá nové možnosti pro konstrukční řešení součástí. I přesto, že aditivní výroba nabízí mnohé výhody oproti konvenční výrobě a řeší některá její omezení, nemůže ji zcela nahradit. Například pro velkoobjemovou výrobu se stále preferují technologie jako odlévání nebo vstřikování, které se (i přes velkou počáteční investici do forem), vyplatí díky produkci velkého množství výrobků. Obecně díly zhotovené aditivní výrobou nedosahují takové kvality a přesnosti povrchu, jako je docíleno například při obrábění. [1, 3, 4]

Mezi klasické aditivní metody lze zařadit FDM (Fused Deposition Modeling), SLA (Stereolithography) nebo SLS (Selective Laser Sintering).

Subtraktivní technologie

Pomocí subtraktivních technologií je požadovaná geometrie výrobku dosažena postupným odebíráním materiálu z bloku polotovaru pomocí nástroje. Tuto skupinu technologií lze rozdělit do tří podkategorií: [5, 6]

1. konvenční obrábění: materiál polotovaru je odebírán ve formě třísky relativním pohybem břitu nástroje,
2. abrazivní procesy:  materiál polotovaru je odebírán ve formě drobných částic relativním pohybem abrazivního materiálu (brusného kamene, kotouče, pasty, apod.),
3. nekonvenční obrábění: obrábění nastává vlivem světelné, chemické, tepelné nebo elektrické energie (případně jejich kombinací), aniž by došlo k fyzickému kontaktu mezi nástrojem a obrobkem.

Mezi hlavní přednosti subtraktivních technologií lze zařadit například výrobu dílů s vysokou geometrickou přesností, povrchovou integritou a hladkým povrchem. To vše při vysoké reprodukovatelnosti výroby. Subtraktivními procesy je možné obrábět různé druhy materiálů jako jsou kovy, keramika, plasty nebo kompozity.  Typickými představiteli těchto technologií je například frézování, soustružení, vrtání nebo elektroerozivní obrábění (EDM). [5]

K nevýhodám subtraktivních technologií se řadí například vysoký materiálový odpad, který nastává důsledkem úběru materiálu. Tyto technologie mohou vyžadovat sofistikované a drahé stroje, které mohou být náročné na údržbu. Subtraktivní technologie jsou rovněž omezeny při výrobě velmi složitých tvarů. [5]

Formativní technologie

U formativních metod probíhá výroba změnou tvaru výrobku definovaným způsobem, a to působením vnějších sil nebo tepla. Mezi tyto metody lze zařadit například vstřikování plastů, lisování, kování nebo válcování. Tyto technologie jsou nákladově efektivní při velkých výrobních sériích, kdy snižují náklady na jednotku výroby. Díky opakovanému procesu zajišťují vysokou reprodukovatelnost a kvalitu výrobků. [3, 5] Vstřikované plastové díly dosahují vyšších pevností oproti dílům zhotovených pomocí 3D tisku. [7]

Počáteční investice do formativních technologií jsou vysoké, vyžadují značné náklady na formy a nástroje používané při výrobních procesech. Po zhotovení formy jsou úpravy formy při změnách designu výrobku značně omezené. [5, 8]