Основы аддитивных технологий и производств

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ОСНОВЫ АДДИТИВНЫХ 
ТЕХНОЛОГИЙ И ПРОИЗВОДСТВ 
 
 
 
Под общей редакцией И. О. Леушина 
 
 
 
 
 
 
 
Допущено Федеральным учебно-методическим объединением 
по укрупненной группе специальностей и направлений 
22.00.00 «Технологии материалов» 
в качестве учебного пособия при подготовке бакалавров и магистров, 
обучающихся по УГСН 22.00.00 «Технологии материалов» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК 621.7 
ББК 30.6 
О-75 
 
 
Авторы: 
Гейко М. А., Леушин И. О., Нищенков А. В.,   
Решетов В. А., Романов А. С.   
 
Рецензенты: 
заведующий кафедрой «Материалы и технология» 
ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет», 
доктор технических наук, профессор Д. М. Мордасов; 
заместитель генерального директора – главный конструктор 
ПАО «Нормаль», кандидат технических наук В. А. Братухин 
 
 
 
 
 
 
 
 
О-75   
Основы аддитивных технологий и производств : учебное пособие / 
[Гейко М. А. и др.] ; под общей редакцией И. О. Леушина. – Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 228 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-2025-9 
 
Дана общая характеристика аддитивных технологий и производств, описаны этапы подготовки цифровой модели для применения в аддитивном производстве, аддитивные технологии производства изделий из металлических и неметаллических материалов. Особое внимание авторы уделили вопросам применения аддитивных технологий в литейном производстве, а также организации аддитивного производства в условиях действующих предприятий. 
Для аудиторных занятий и самостоятельной работы бакалавров и магистрантов, 
обучающихся по направлению подготовки 22.00.00 «Технологии материалов», может 
представлять интерес для начинающих исследователей и молодых специалистов, занимающихся вопросами освоения и продвижения аддитивных технологий в промышленное производство. 
 
 УДК  621.7 
 ББК   30.6 
 
 
ISBN 978-5-9729-2025-9 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 
 

Оглавление 
 
Введение ...................................................................................................................... 5 
 
Глава 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА  
АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ПРОИЗВОДСТВ 
....................................... 8 
1.1. Что такое «аддитивные технологии» и «аддитивные производства»" 
........ 8 
1.2. История возникновения аддитивных технологий ....................................... 12 
1.3. Классификация аддитивных технологий 
...................................................... 15 
1.4. Предпосылки и проблемы применения аддитивных технологий .............. 21 
1.5. Перспективные направления развития аддитивных технологий                  
и производств 
.......................................................................................................... 26 
1.6. Аддитивное производство в России: текущее состояние и перспективы 
... 31 
Контрольные вопросы и задания 
.......................................................................... 33 
 
Глава 2. ПОДГОТОВКА ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ                                         
ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В АДДИТИВНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ ........................ 34 
2.1. Подготовка CAD-модели ................................................................................ 34 
2.2. Техническое и программное обеспечение для подготовки CAD-модели ... 41 
2.3. Подготовка CAM-модели и программное обеспечение                                
промышленных 3D-принтеров 
.............................................................................. 49 
Контрольные вопросы и задания 
.......................................................................... 53 
 
Глава 3. АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ   
ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ .................................................... 54 
3.1. Быстрое прототипирование 
............................................................................ 54 
3.2. Стереолитография ........................................................................................... 57 
3.3. Масочная стереолитография .......................................................................... 59 
3.4. Технология многоструйного моделирования 
............................................... 61 
3.5. Струйная трехмерная печать 
.......................................................................... 63 
3.6. Моделирование методом послойного наплавления .................................... 65 
3.7. Цифровая светодиодная проекция ................................................................ 68 
3.8. Цветная струйная печать ................................................................................ 70 
3.9. Материалы для «неметаллических» AM-машин .......................................... 71 
Контрольные вопросы и задания 
.......................................................................... 82 
 
Глава 4. АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ   
ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 
.......................................................... 83 
4.1. SLS-процесс селективного лазерного спекания............................................ 84 
4.2. SLМ-процесс селективного лазерного плавления ........................................ 89 
4.3. DMLS-процесс прямого лазерного спекания ................................................ 96 
4.4. EBM-процесс электронно-лучевой плавки ................................................. 101 
4.5. 3DP-процесс струйной трехмерной печати ................................................ 104 
4.6. SHS-процесс селективного теплового спекания ........................................ 106 
4.7. LOM-процесс ламинирования 
...................................................................... 108 
3 
 

4.8. DMD-процесс прямого нанесения металла ................................................ 109 
4.9. EBFв-производство металлических изделий  
электронно-лучевой плавкой .............................................................................. 117 
4.10. LASER CUSING – производство металлических изделий  
методом селективного лазерного плавления 
..................................................... 119 
4.11. 3D-принтер и металл – будущее трехмерной печати металлом 
............. 124 
Контрольные вопросы и задания 
........................................................................ 126 
 
Глава 5. АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ  
В ЛИТЕЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ .................................................................... 127 
5.1. Изготовление моделей, промоделей и элементов 
технологической оснастки .................................................................................. 128 
5.2. Изготовление литейных форм и стержней ................................................. 137 
5.3. «Залечивание» литейных дефектов ............................................................. 149 
5.4. Альтернатива для производства отливок ................................................... 156 
Контрольные вопросы и задания 
........................................................................ 171 
 
Глава 6. ОРГАНИЗАЦИЯ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА ................ 172 
6.1. Кадровое обеспечение аддитивного производства 
.................................... 172 
6.2. Производственные подразделения и помещения ...................................... 174 
6.3. Объемно-планировочные решения 
.............................................................. 175 
6.4. Оборудование ................................................................................................ 185 
6.4.1. Основное (технологическое) оборудование 
....................................... 185 
6.4.2. Вспомогательное оборудование .......................................................... 192 
6.4.3. Техническое обслуживание и ремонт оборудования ........................ 199 
6.5. Материалы 
...................................................................................................... 201 
6.5.1. Подготовка материалов ........................................................................ 201 
6.5.2. Рециклинг материалов .......................................................................... 203 
6.6. Контроль качества продукции и соблюдения 
технологической дисциплины ............................................................................ 203 
6.6.1. Требования к средствам контроля 
....................................................... 205 
6.6.2. Контроль качества исходных материалов .......................................... 206 
6.6.3. Операционный контроль ...................................................................... 207 
6.6.4. Неразрушающий контроль 
................................................................... 208 
6.6.5. Разрушающий контроль ....................................................................... 208 
6.6.6. Оформление результатов контроля 
..................................................... 210 
6.6.7. Методы контроля и испытаний материалов для АТП ...................... 211 
6.6.8. Методы контроля и испытаний металлических материалов сырья        
и продукции ..................................................................................................... 217 
6.7. Экологическая безопасность и охрана труда персонала 
........................... 219 
Контрольные вопросы и задания 
........................................................................ 223 
 
Заключение ............................................................................................................. 224 
 
Список рекомендуемой литературы.................................................................. 225 
4 
 

Введение 
 
В настоящее время во главу угла руководством страны ставится практическая реализация концепции «Индустрия 4.0». Ее появление логически 
связано с общемировым ходом развития промышленности, как известно, 
пережившим несколько революций. 
Первая революция в промышленности случилась в конце XVIII века, 
когда появление паровых машин предоставило возможности перехода от 
традиционного ручного труда к машинному. Вторую революцию принято 
связывать с освоением электрической энергии и внедрением конвейеров 
в массовое производство продукции. Третья промышленная революция, 
начавшаяся во второй половине XX столетия, ассоциируется с термином 
«цифровая», поскольку ее начало определило появление цифровых компьютеров и новых технологий работы с информацией, которые эволюционируют по сей день. Мы живем в период перехода цифровой революции 
в следующую, четвертую. По мнению многих экспертов, в основе этого 
перехода лежит платформа «Индустрия 4.0», дающая ориентир на широкое использование киберфизических систем CPS (Cyber-Physical Systems) 
в различных отраслях промышленности. 
Изначально в 2011 году эта платформа представляла собой национальную программу развития промышленности Германии, сформулированную сообществом бизнесменов, политиков и ученых этой отдельно взятой 
страны. Постепенно идеологию «Индустрии 4.0» подхватили и другие передовые развитые страны, такие, как США, Китай, Япония, привнеся в нее 
свою специфику, но сохранив приоритеты, превратив ее в мощный глобальный стратегический план подготовки индустриального скачка, базирующийся на идее получения дополнительного эффекта от сложения перспективных решений в области цифровизации экономики с целым спектром инновационных, «прорывных» технологий в ее промышленном секторе, в первую очередь, связанных с рациональным использованием имеющихся материальных, энергетических, трудовых и других ресурсов. 
Понятие «прорывные» технологии подразумевает технические и технологические разработки, которые позволяют промышленным предприятиям значительно повысить свою эффективность и произвести зачастую 
революцию в подходах, скорости взаимодействия как между подразделениями внутри предприятия, так и с заказчиками продукции, а также значительно повысить качество и скорость выхода продукции на рынок. 
В Послании Федеральному Собранию на 2015 год Президент РФ 
Владимир Путин предложил реализовать национальную технологическую 
инициативу, в рамках которой предусмотрено осуществление крупных 
5 
 

перспективных государственных проектов, обеспечение и укрепление национальной безопасности Российской Федерации, повышение уровня благосостояния населения, развитие инновационных отраслей экономики и 
промышленности. Вместе с тем, для перехода к качественно новому технологическому укладу и эффективной рыночной стратегии необходимо 
обеспечение одного из главных условий – ликвидация критической зависимости России от зарубежных технологий и промышленной продукции 
стран ЕС, США, Японии, Китая. 
С учетом основных направлений стратегии развития в области инновационной системы России академик РАН Евгений Каблов считает целесообразным выделить в рамках национальной технологической инициативы такие проекты, роль которых априори является определяющей в процессе эффективной модернизации производства и внедрения инновационных технологий. К ним относятся: 
1) аддитивное производство замкнутого цикла; 
2) создание и производство материалов нового поколения; 
3) цифровые технологии для конструирования, моделирования и производства деталей и изделий; 
4) робототехника, станкостроение; 
5) технологии организации и управления производствами нового технологического уклада; 
6) глубокая переработка сырья нефти и газа. 
По мнению академика, доминантой национальной технологической 
инициативы должны стать аддитивные технологии, которые интегрируют 
остальные пять проектов, и задают вектор развития и создания условий 
перехода промышленности к производственным технологиям нового поколения. 
Что же они собой представляют" По сути, это комплекс принципиально новых производственных процессов, в которых построение изделия происходит путем добавления (англ. add í добавлять) материала, в отличие от традиционных технологий, где деталь создается методом удаления лишнего. 
Аддитивные технологии, или 3D-печать, с полным основанием можно отнести к «прорывным». Страны, сделавшие ставку на развитие аддитивных технологий, сегодня занимают наиболее выгодные позиции в мировом разделении труда. Эти технологии являются важным фактором в совершенствовании технологического процесса изготовления деталей сложных технических систем. Некоторые исследователи считают, что «по прошествии трех-четырех десятков лет человечеству все же удастся воплотить в жизнь немыслимое, реализовав в условиях дома непосредственное 
6 
 

производство необходимых предметов по моделям физических объектов, 
загруженных из глобальной сети». 
В этой связи авторы надеются, что предлагаемое вниманию читателя учебное пособие, посвященное рассмотрению аддитивных технологий 
и производств, будет для него полезно и интересно. 
7 
 

Глава 1 
 
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА  
АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ПРОИЗВОДСТВ 
 
1.1. Что такое «аддитивные технологии»  
и «аддитивные производства»" 
 
Среди линейки технологий материального производства принято 
условно выделять технологии материалов и технологии формообразования. Первые нацелены на подготовку материала с определенными характеристиками вплоть до начала получения из него изделия требуемой геометрической формы, что является предметной областью вторых. 
В свою очередь, технологии формообразования можно разделить на 
два класса: субтрактивные и аддитивные. Субтрактивные технологии 
реализуются в такой последовательности: вначале мы имеем заготовку, 
от которой потом отсекаем все лишнее, либо деформируем ее, а в результате получаем изделие. Примерами таких технологий могут служить механическая обработка, ковка и штамповка заготовок. Аддитивный принцип изготовления деталей базируется на создании физических пространственных изделий путем последовательного добавления материала. В случае аддитивных технологий изделие выстраивается из расходного материала послойно на основе компьютерной 3D-модели. Такой процесс создания 
объекта также называют «выращиванием» из-за постепенности изготовления. В зависимости от конкретной технологии, объект может строиться 
снизу-вверх или наоборот и получать различные свойства. Интересно, что 
такую традиционную технологию формообразования, как литье, в определенной степени тоже можно отнести к классу аддитивных, имея в виду тот 
факт, что послойное формирование отливки в этом случае идет в направлении к жидкой фазе материала от поверхности литейной формы, которая 
в свою очередь может быть или не быть результатом использования компьютерной 3D-модели. 
Аддитивные технологии (от английского Additive Fabrication) – обобщенное название технологий, предполагающих изготовление изделия по 
данным цифровой модели (или CAD-модели) методом послойного добавления (add, англ. – добавлять, отсюда и название) материала. Получение 
изделия происходит послойно, шаг за шагом путем формирования (тем 
или иным способом) слоя материала, отверждения или фиксации этого 
слоя в соответствии с конфигурацией сечения СAD-модели и соединения 
каждого последующего слоя с предыдущим. 
8 
 

Послойный синтез предполагает проведение построения в среде 
инертного газа с охлаждением определенных зон, с местной усадкой металла, с захватом молекул газа окружающей среды (азота или аргона), 
с образованием дефектов, вызванных работой лазера, неоднородностью 
модельного материала и др. 
Модельные (строительные) материалы могут быть жидкими (фотополимерные смолы, воски и др.), сыпучими (пески, порошковые полимеры, металлопорошковые композиции), в виде тонких листов (полимерные 
пленки, листы бумаги и др.), а также в виде полимерной нити или металлической проволоки, расплавляемой непосредственно перед формированием слоя построения. 
При использовании аддитивных технологий все стадии реализации 
проекта от идеи до материализации (в любом виде – в промежуточном или 
в виде готовой продукции) находятся в «дружественной» технологической 
среде, в единой технологической цепи, где каждая технологическая операция также выполняется в цифровой CAD/CAM/CAE-системе. Практически это означает реальный переход к «безбумажным» технологиям, когда 
для изготовления детали традиционной бумажной чертежной документации в принципе не требуется. 
Суть Additive Fabrication (AF) может быть проиллюстрирована простым примером: CAD-модель ĺ AF-машина ĺ деталь (рис. 1.1). 
 
   
   
 
 
Рис. 1.1. Процесс Additive Fabrication 
 
Вопрос терминологии рассматривался в рамках деятельности организации ASTM International (American Society for Testing and Materials), 
занимающейся разработкой технических стандартов для широкого спектра 
материалов, изделий, систем и услуг. В стандарте ASTM F2792.1549323-1 
аддитивные технологии определены как «process of joining materials to make 
objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive 
manufacturing technologies» («процесс объединения материалов с целью 
создания объекта из данных 3D-модели, как правило, слой за слоем, в отличие от «вычитающих» производственных технологий»). 
9 
 

Под «вычитающими» технологиями подразумевается механообработка – удаление («вычитание») материала из массива заготовки. Таким образом, сообщество американских инженеров прибегло к понятию (subtractive) 
«вычитание», чтобы определить новое понятие (additive) «добавление», 
то есть в самом определении «аддитивные технологии» трактуются как 
противоположность технологиям механообработки. Но не всякие технологии соединения материала, а только те, которые создают объект по данным 3D-модели или из CAD-данных – на основе трехмерной компьютерной модели. Это второе ключевое слово – CAD. Третье ключевое слово 
здесь – «послойно». Можно отметить, что американцы используют в определении «usually» (обычно), по-видимому, допуская, по меньшей мере, 
теоретическую возможность и непослойного построения. 
Рекомендованы два основных термина – Additive Fabrication (AF), 
Additive Manufacturing (AM), а также их синонимы – additive processes,  
additive techniques, additive layer manufacturing, layer manufacturing и 
freeform fabrication. Все они могут быть переведены как «аддитивные технологии», их также можно называть технологиями послойного синтеза. 
В интернет-сообществе, популярной научно-технической литературе и разговорной речи профессионалов встречаются сочетания слов  
«3D-печать», «3D-принтер» или «3D-принтинг», которые также можно 
принять в качестве синонимов. 
Термин Rapid Prototyping, или быстрое прототипирование, рекомендовано изъять из обращения, поскольку прототипирование – это лишь 
часть аддитивных технологий, уже далеко не доминирующая. 
Отечественный ГОСТ Р 57558-2017 «Аддитивные технологические 
процессы. Базовые принципы. Часть 1. Термины и определения» дает такое 
определение: аддитивный технологический процесс (additive anufacturing) – 
это процесс изготовления деталей, который основан на создании физического объекта по электронной геометрической модели путем добавления 
материала, как правило, слой за слоем, в отличие от вычитающего (субтрактивного) производства и традиционного формообразующего производства. 
В этой связи аддитивным следует считать такое производство, в котором представлены аддитивные технологические процессы. Производства, 
использующие аддитивные технологии вместе с цифровым проектированием на основе IT-технологий для изготовления конечных изделий, называют цифровыми. Общая схема такого производства приведена на рис. 1.2. 
Иногда аддитивные технологии в связке с цифровым проектированием используют для изготовления не конечных изделий, а цифровых прототипов, например, моделей или технологической оснастки, оставляя традиционными остальные этапы производственного цикла (практика применения так называемых технологий быстрого прототипирования). Это 
10