Аддитивное производство

АДДИТИВНОЕ 
ПРОИЗВОДСТВО

Т.В. ТАРАСОВА

Москва
ИНФРА-М
2020

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано Учебно-методическим советом федерального государственного 
бюджетного образовательного учреждения высшего образования 
«Московский государственный технологический университет “СТАНКИН”» 
(ФГБОУ ВО «МГТУ “СТАНКИН”») в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 
«Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»

УДК 621(075.8)
ББК 34.4я73
 
Т19

Тарасова Т.В.
Т19 
 
Аддитивное производство : учебное пособие / Т.В. Тарасова. — 
Москва : ИНФРА-М, 2020. — 196 с. — (Высшее образование). — 
DOI 10.12737/textbook_5c25c2b3a03f99.16774025.

ISBN 978-5-16-014676-8 (print)
ISBN 978-5-16-107186-1 (online)
В учебном пособии изложены основы аддитивного производства и дано 
описание основных принципов аддитивных технологий; рассмотрены 
теоретические и технологические основы производства изделий из полимерных и металлических материалов с использованием аддитивных технологий; показаны этапы разработки технологических процессов аддитивного производства и приведены примеры современного оборудования для 
изготов  ления изделий с помощью аддитивных технологий.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Предназначено для студентов высших учебных заведений машиностроительных специальностей.

УДК 621(075.8)
ББК 34.4я73

Р е ц е н з е н т ы:
Гусаров А.В., доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории инновационных аддитивных технологий Московского государственного технологического университета 
«СТАНКИН»;
Гаврилов Г.Н., доктор технических наук, профессор кафедры «Материаловедение, технология материалов и термическая обработка металлов» Нижегородского государственного технического университета имени Р.Е. Алексеева

ISBN 978-5-16-014676-8 (print)
ISBN 978-5-16-107186-1 (online)
© Тарасова Т.В., 2019

Введение

В настоящее время во всех технологически развитых странах 
ведутся активные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию методик и оборудования, основанных 
на подходе, названном аддитивным производством (АП). Технологические процессы аддитивного производства, в отличие от производства на станках с числовым программным управлением, 
позволяют конструировать изделие снизу вверх непосредственно 
по модели, созданной в системе автоматизированного проектирования, без сложного планирования производства, поскольку 
фактически требуются только данные о поперечном сечении конструкции. Технологии аддитивного производства первыми позволили полностью интегрировать системы автоматизированного 
проектирования и производства. Интенсивное развитие методов 
АП за рубежом в рамках широкомасштабного развития цифрового 
производства, а в настоящее время — их активное целевое внедрение в промышленность стимулировали развитие интереса к аддитивному производству в России. Учитывая современное состояние 
экономики, отечественная промышленность готова к активному 
подъему путем проведения реформ и «новой» индустриализации. 
Сектор АП может стать локомотивом развития мировой промышленности, благодаря которому значительно изменится структура 
промышленности и экономики: экологичное «зеленое» производство, новая облегченная конструкция изделий АП, комплексное 
применение методов контроля и диагностики процессов, возможность производить изделия локально (изменение логистики), новые 
материалы и т.д.
Аддитивные технологии показывают революционные темпы 
развития, что совпало с совершенствованием комплекса средств 
автоматизированного проектирования, расчетов и производства, 
а также поддержки жизненного цикла изделий. Современная стратегия роста промышленности развитых стран показывает, что экономике требуются не виртуальные деньги, а реальный сектор производства.
Анализ распространенности аддитивных технологий показывает непрерывный рост темпов развития аддитивного производства 
в мире. Наиболее высокие темпы развития и передовые технологии 
АП сосредоточены в странах Европы и США, однако в последнее 
время интенсивно развиваются Китай, Япония и Россия [1, 2].

Активнее всего среди направлений АП развивается изготовление 
функциональных изделий и деталей из пластиковых, металлических 
и неметаллических материалов. По статистическим данным, более 
20% изделий АП изготавливаются из металлических (в том числе 
композиционных и керамических) материалов, а к 2020 г. этот показатель может увеличиться до 75% [3–5].
Среди применений технологии АП наиболее востребовано 
производство функциональных моделей и прямое изготовление 
изделий [3–5], которое пока не стало промышленно освоенной 
технологией ввиду различных проблем сертификации, стандартизации, метрологии и др. Наиболее важны эти аспекты для заинтересованных отраслей промышленности, таких как авиакосмическая, автомобилестроение, ВПК, биомедицинские приложения, 
в которых традиционно повышены требования к качеству изделий.
В этом ключе не следует рассматривать технологии АП как 
простые технологии, не требующие повышенных компетенций: 
относительная простота изготовления дополняется необходимостью создания трехмерной электронной геометрической модели 
изделия, исправления ошибок построения при обработке модели 
с помощью компьютерного автоматизированного проектирования 
и добавления вспомогательных элементов. Кроме того, программа 
создания изделия должна содержать параметры технологических 
режимов, определение и оптимизация которых являются наиболее 
трудозатратной и наукоемкой составляющей в аддитивных технологиях. Добавим сюда дополнительные операции, такие как необходимость предподогрева рабочей камеры и постобработки (удаление подложки, пескоструйная обработка, продувка сжатым воздухом). Эти операции остаются довольно трудоемкими. Указанные 
данные полностью верны практически для всех технологий АП, где 
в качестве исходного сырья используется металлический порошок 
(в том числе композиционный, металлокерамический, наноструктурированный).
Современные тенденции развития аддитивных технологий сводятся к увеличению требований к эксплуатационным характеристикам материалов, что в перспективе должно привести к повышенной эффективности механизмов и машин.
В данном учебном пособии рассмотрены основные принципы 
АП, достаточно подробно описаны этапы существующих технологических процессов аддитивного производства от создания 
компьютерной модели, выбора и контроля качества материалов 
до изготовления и финишной обработки конечных изделий. Также 
в книге рассмотрены особенности структуры и физико-механи

ческие свойства изделий, изготовленных с помощью аддитивных 
технологий; технологические ограничения методов аддитивного 
производства; вопросы разработки технологических процессов АП 
из порошковых материалов — как полимерных, так и металлических; устройство и принципы действия оборудования для аддитивного производства.
После изучения учебного пособия у студентов последовательно 
сформируются следующие профессиональные компетенции:
 
• знания в области технологий аддитивного производства, современных концепций развития АП, новых направлений и подходов к методам формообразования, особенностей и возможностей аддитивных технологий;
 
• умение организовывать и вести технологический процесс изготовления изделий на установках аддитивного производства;
 
• знания в сфере разработки технологических процессов аддитивного производства в соответствии с заданными требованиями;
 
• умение формулировать и решать на основе теоретических и экспериментальных исследований различные задачи по разработке 
технологий размерного формообразования, аддитивных способов изготовления сложных деталей, планированию эксперимента в области высокоэффективных технологий обработки;
 
• умение систематизировать знания и понятия в профессиональной области в условиях ускоренного технического прогресса;
 
• владение знаниями по определению рациональных условий обработки материалов.
Книга предназначена для студентов и преподавателей высших 
учебных заведений машиностроительных специальностей, изучающих аддитивное производство. Материал, изложенный 
в учебном пособии, может широко использоваться на лекциях 
и практических занятиях, при самостоятельном и дистанционном 
изучении курса.

Глава 1. 

ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССА 
АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА

1.1. СУЩНОСТЬ МЕТОДА, ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Аддитивное производство (АП) — общее имя семейства технологий послойного изготовления физических объектов с использованием электронных моделей компьютерного автоматизированного 
проектирования. Принцип АП состоит в создании функциональных 
изделий и поверхностей с помощью послойного добавления материала — наплавления или напыления порошка, добавления жидкого полимера или композита. Идеология АП базируется на цифровом описании изделия, что позволяет широко и гибко использовать концепцию АП в целях управления, контроля и интеграции. 
А это, в свою очередь, дает возможность внедрять инновационные 
методы управления производством и жизненным циклом изделия 
вместе с автоматизированными системами управления.
Эффективное развитие и внедрение АП невозможно без широкомасштабных работ по стандартизации. Американское общество 
по испытаниям и материалам (ASTM International Committee F42) 
вместе с Техническим комитетом (ISO/TC 261) подготовили перечень общепромышленных стандартов, имеющих отношение к АП. 
В перечень вошли стандарты технических комитетов: ASTM F42, 
ISO/TC 261, SASAM, BSI, CEN/STAIR-AM, UNM 920 [6].
ASTM в стандарте ASTM F2792.1549323–1 «Аддитивное производство. Термины и определения» так определяет аддитивные технологии (АТ): «Процесс объединения материала с целью создания 
объекта из данных 3D-модели, как правило, слой за слоем, в отличие от “вычитающих” производственных технологий». Таким 
образом, аддитивные технологии — это только те технологии, которые создают объект по данным 3D-модели или из CAD-данных, 
т.е. на основе трехмерной компьютерной модели, а значит, являются принципиально новым методом формообразования. Под 
«вычитающими» (subtractive) технологиями подразумевается механообработка — удаление («вычитание») материала из массива заготовки (additive — добавление).
В области аддитивных технологий используется множество 
терминов, характеризующих схожие процессы, а общие подходы 
к терминологии еще находятся в стадии формирования. Обилие 

Терминология
• ISO/ASTM 
52900:2015
• ISO 17296-1
• ISO/ASTM 52921-13

Процессы/материалы
• ISO 17296-2
• методы квалификации 
и сертификации
• требования к приобретаемым АП-деталям
• неразрушающие  методы 
контроля

Методики испытаний
• ISO 17296-3
• образцы испытаний
• общие методы испытаний
• специальные методы 
испытаний

Дизайн/формат 
данных
• ISO 17296-4
• ISO/ASTM 52915-13
• Данные структур 
и размеры АТ-моделей

Материалы конкретных 
категорий

Металлические порошки

Полимерные порошки

Фотополимерные смолы

Керамика

Категория процесса / 
конкретные материалы

По слою порошка

Ti6-4
IN625
Others

Экструзия материала

Направленная подача 
энергии

Стандартные протоколы 
для всесторонних исследований

Методы механических испытаний 
(например):
часть 1: испытания на растяжения;
часть 2: исследования на пористость;
часть 3: трещиностойкость и т.п.

Металлы
Полимеры
Другие

Спецификации деталей

Стандарты на конкретные материалы

Фракционный состав 
конкретного материала

Химический состав конкретного материала

Спецификация вязкости 
конкретного материала

Стандарты процесса / 
конкретных материалов

Специальные методы 
испытаний конкретного 
процесса

Образцы испытаний 
конкретного процесса

Методы испытаний 
компонентов системы

Стандарты конкретных 
применений

Авиакосмос

Медицина

Автомобилестроение

Стандарты верхнего 
уровня
• общие понятия
• общие требования
• применение

Категории 
стандартов АП
• для материалов 
или процессов

Сырье
Готовые детали
Процесс / Оборудование

Специализированные 
стандарты АП
•для конкретного 
материала, процесса 
или применения

Рис. 1.1. Структура ISO/ASTM стандартов в области АП

терминов обусловлено разными причинами, например, фирмы — 
поставщики технологий и авторы разработок, желая подчеркнуть 
уникальность своих продуктов, постоянно вводят новые термины, 
кроме того, особенности и преимущества аддитивного формообразования настолько многогранны, что авторы подчеркивают их специфику путем ввода новых терминов.
Разработка стандартов в области аддитивных технологий ведется 
быстрыми темпами. Структура стандартов ISO/ASTM в области аддитивного производства представлена на рис. 1.1.
Необходимым условием внедрения аддитивных технологий 
в промышленность России является наличие национальных стандартов, и в этом направлении в настоящее время в России ведется 
активная работа. На базе ФГУП «ВИАМ» создан Технический комитет по стандартизации ТК182 «Аддитивные технологии».

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

Методы аддитивного производства считаются альтернативными 
существующим традиционным методам обработки — механическим, электрофизическим, электрохимическим и др. Для понимания места аддитивных технологий среди многообразия методов 
формообразования коротко рассмотрим особенности и принятые 
классификации традиционных методов формообразования. Цель 
формообразования — получение заданных геометрических параметров (формы, размеров, шероховатости поверхности) изделия.
На рис. 1.2 представлена общая системная модель технологии 
формообразования [7, 8]. С помощью этой общей модели можно 
описать любую технологию. Потоки материалов и энергии являются неотъемлемыми составляющими процесса формообразования, причем поток материалов представляет собой объект воздействия, а поток энергии — средство воздействия, но суть воздействия состоит в передаче на объект заданной информации. Таким 
образом, процесс формообразования определяется как процесс переноса некоторой априорной информации на заготовку, в результате чего получается изделие заданной формы.

ТЕХНОЛОГИЯ

Вход
Материя

Энергия

Информация

Результат

Выход
Объект исследования

Рис. 1.2. Системная модель технологии [7]

В основу общей классификации технологий, приведенной в немецком стандарте DIN 8580, положен анализ потока материалов. 
Согласно этой классификации (рис. 1.3) все методы формообразования делятся на четыре группы: 1) создающие связи (например, 
литье — образование нового твердого тела); 2) сохраняющие связи 
(например, гибка — формообразование без изменения массы заготовки); 3) разрывающие связи (например, формообразование 
резанием); 4) увеличивающие число связей (например, сварка, 
склейка).

I.

По топологическим характеристикам результата процесса (DIN 8580)

Создающие 
связи

Увеличивающие 
число связей 

Разрывающие 
связи 

Сохраняющие 
связи

II.

По используемому физическому процессу 
(общепринятая в практике классификация)

Литье
Электрофизические, электрохимические и прочие методы

Резание
Обработка 
давлением

Рис. 1.3. Различные классификации технологий формообразования

В практике общепринята классификация методов формообразования по виду физического процесса: литье, обработка давлением, 
механообработка и т.д. На базе этой классификации канадский 
ученый М. Burns [9, 10] предложил классификацию методов формообразования, включающую аддитивные технологии. Согласно 
этой классификации выделяют три принципиально разных метода 
формообразования: субтрактивный, формативный и аддитивный 
(рис. 1.4). Также существуют гибридные процессы, которые комбинируют в себе два или три вида изготовления, перечисленных 
выше.
Субтрактивный метод формообразования заключается в придании изделию формы путем образования новых поверхностей 

посредством удаления части материала исходной заготовки. К субтрактивному методу относят все виды обработки резанием, фрезерование, точение, тонкую размерную обработку и т.п.

Sпр

V

1

2
3
4

Субтрактивный
Формативный
Аддитивный

Направление 
перемещени

Расплавленная зона

Наносимый материал

Зона наплавки

Деталь

Порошок
Луч лазера
Защитный 
транспортный газ

Рис. 1.4. Классификация методов формообразования:

1 — двигатель для вращения; 2 — изложница; 3 — расплавленный металл; 
4 — ковш; V — скорость резания; S — подача

Формативный метод формообразования заключается в придании 
изделию формы путем воздействия на исходную заготовку или материал элементов технологической оснастки без удаления с поверхности объемов материала. К формативному методу относят все 
виды литья, обработку давлением и т.п. Реализация формативного 
метода возможна только с использованием формообразующей технологической оснастки (литейные формы, штампы и др.). В отличие от формативного метода подавляющая часть аддитивных методов не требует наличия формообразующей оснастки. В отличие 
от субтрактивного метода формообразования, при использовании 
которого от заготовки «отрезается» все лишнее и таким образом 
получается готовая деталь, при использовании технологий аддитивного производства деталь «выращивается» из предварительно 
подготовленного материала.
Если рассматривать классификацию традиционных технологий 
по топологическим характеристикам результата процесса и кибернетическим характеристикам (см. рис. 1.3), то аддитивные технологии можно отнести к управляемым и безотходным методам формообразования в классе технологий, создающих связи.
Преимущества данных технологий состоят в том, что сначала 
объект создается на компьютере и переносится в специальные машины и, таким образом, можно быстро изменить дизайн, создать 
сложные геометрические изделия. При обнаружении ошибок изменения вносятся в компьютерную модель, и новая версия «печатается» без необходимости повтора всей конструкции с нуля.