Additieve vs. Subtractieve Productie: Belangrijkste verschillen uitgelegd

Productie is een cruciale stap in de productie die daadwerkelijk grondstoffen of schroot omzet in gewenste producten door substantiële waarde toe te voegen. Er bestaan diverse productieprocessen om de behoefte te voldoen aan het verwerken van een grote verscheidenheid aan materialen op veelvoudige manieren. De groeiende behoefte aan geminiaturiseerde producten met betere oppervlakkwaliteit en meer ingebouwde functionaliteiten baande de weg voor snelle ontwikkeling van productie en als gevolg zijn diverse geavanceerde processen ontstaan die materialen efficiënt kunnen verwerken om beter te voldoen aan de huidige marktvraag. Het bereik van de productie heeft zich ook geleidelijk uitgebreid om een heel domein te dekken, variërend van traditionele industriële sectoren tot geavanceerde product- of dienstgebaseerde bedrijven, om adequaat bij te dragen aan hun eisen.

Verschillende voorstanders hebben geprobeerd alle productieprocessen systematisch te classificeren; in veel gevallen faalt dergelijke classificatie echter om nieuw ontwikkelde processen ondubbelzinnig te omvatten. Alle relevante processen in aanmerking nemend, kan productie worden gecategoriseerd in de volgende vijf groepen:

Gietprocessen

Hier wordt het grondstofmateriaal gesmolten om in een voorgebouwde holte te gieten en laat men het vervolgens verzileren. Zo wordt een product met de omgekeerde vorm van de holte verkregen. Dit oude proces is geschikt voor het geven van een basisvorm aan het component, omdat het noch ingewikkelde vormen kan produceren noch gladde oppervlakken. Alle giet- en vormprocessen (zoals zandvorm, dijgieten, injectiegieten, enz.) volgen dit basisprincipe.

Verbindingsprocessen

Hier kunnen twee of meer vaste componenten tijdelijk of permanent worden verbonden. Verbinden kan worden bereikt door het smelten om een coalescentie te vormen of met behulp van andere mechanische elementen. Lassen, nieten, solderen, brazen, koppelen, pasverbinden, lijmverbinden, bevestigen, cotter-verbinding, knokkelverbinding, enz. vallen onder de paraplu van verbinden. Demontageprocessen vallen ook onder deze categorie.

Modificatieprocessen

Hier kunnen materiaaleigenschappen of basisvorm worden gewijzigd door diverse middelen om beter aan de eis te voldoen. Diverse vormingsprocessen zoals smeden, walsen, trekken, extruderen, enz. worden gebruikt voor vormtransformatie; terwijl warmtebehandeling, cryogene behandeling, coating, enz. worden gebruikt om eigenschappen van de componenten te wijzigen.

Additieve processen

Hier worden lagen materiaal in half-vaste vorm één op de andere gelegd om direct een echte driedimensionale component te bouwen met de vereiste kenmerken en verbeterde nauwkeurigheid. Hierdoor vervalt de noodzaak van nabewerking; dergelijke processen zijn echter geschikt voor kleine componenten. Rapid-prototyping-processen (zoals 3D-printen, stereolithografie, selectieve lasersinteren, enz.) volgen het additieve principe.

Subtractieve processen

Zoals de naam suggereert, wordt hier laag voor laag materiaal verwijderd van het vaste werkstuk om uiteindelijk het beoogde product te produceren. Er treedt dus materiaalverspilling op. Bewerkings- of metaalsnijprocessen volgen het subtractieve principe. Voorbeelden omvatten draaien, hobelen, frezen, boren, slijpen, lapperen, straalbewerking, erosiebewerking, laserstraalbewerking, enz.

Tabel: Verschillen tussen additieve en subtractieve productie

Toevoeg- en aftrekfilosofie

Beide filosofieën worden gebruikt om echte driedimensionale componenten of kenmerken te produceren met verbeterde dimensionele nauwkeurigheid en nauwe toleranties; ze verschillen echter in hun benadering. Additieve productie volgt het principe van het laag voor laag toevoegen van materiaal één op de andere volgens het ontwerp om uiteindelijk het product met de beoogde kenmerken te bouwen. Het proces begint met nul hoogte (geen materiaal) en de hoogte bouwt geleidelijk op naarmate lagen worden gedeponeerd. Materiaal wordt meestal in half-vaste vorm gedeponeerd en de volgende laag wordt toegevoegd zodra de vorige laag volledig droog is. Integenstelling hierbij, bij de subtractieve productiefilosofie, wordt laag voor laag materiaal verwijderd van de gewenste locatie van een vast blok om uiteindelijk het gewenste component te verkrijgen. Het proces begint met een vast grondstofblok en materiaal wordt eruit verwijderd om de beoogde kenmerken te creëren. Materiaal kan op verschillende manieren worden verwijderd (zoals afscheren in de vorm van vaste spanen, smelting en verdamping, ionisatie, sputteren, enz.) afhankelijk van het toegepaste proces.

Smeltpunt van werkmateriaal

Bij additieve processen moet het werkmateriaal ofwel smelten, ofwel plastisch gemaakt worden door verwarming. Materiaal met een hoger smeltpunt zal meer warmte consumeren om plastisch (half-vast) te worden, zodat het over de vorige laag kan worden toegevoegd. Daarom wordt het voorkeur gegeven aan materialen met een laag smeltpunt zoals kunststof of PMMA. Echter, het smeltpunt is geen beslissende factor voor het verwerken van technische materialen door subtractieve methoden, aangezien het materiaal in vaste vorm of door ionisatie wordt verwijderd. In dergelijke thermisch-energie-gebaseerde niet-traditionele bewerkingsprocessen waarbij materiaal wordt verwijderd door smelting en verdamping, blijft de bundelenergie-intensiteit altijd overmatig hoger dan het smeltpunt van materialen. Bijvoorbeeld, bij EDM overschrijdt de gelokaliseerde temperatuur 10.000°C, wat veel hoger is dan 3422°C (smeltpunt van titanium, het hoogste smeltpunt onder alle metalen).

Manipuleren van volumetrische dichtheid

Het grootste voordeel van additieve processen is de mogelijkheid om de dichtheid van het werkmateriaal tijdens de depositie van lagen te veranderen. Hier kan een dichtheid in een bereik van 20–100% worden gehanteerd en het totale materiaalvolume kan op een gecontroleerde manier worden gewijzigd. Dit kan enerzijds het materiaalverbruik verminderen en anderzijds het componentgewicht aanzienlijk reduceren, meestal zonder de wandsterkte op te offeren. Zulke faciliteit kan niet worden verkregen met subtractieve processen, aangezien de dichtheid van het werkmateriaal tijdens de operatie hetzelfde blijft. Daarom kan het gewicht van het component niet worden gereduceerd zodra het basismateriaalblok is geselecteerd.

Materiaalverspilling

Bij additieve processen wordt een dunne laag materiaal over de vorige laag gelegd volgens het ontwerp (computergebaseerd ontwerp, zoals CAD). Dus wanneer er een holte of sleufvormig kenmerk is, wordt er geen materiaal op die positie gedeponeerd. Herhaalde depositie van materiaal in lagen volgens het ontwerp produceert uiteindelijk het beoogde 3D-object. Er wordt geen verdere nabewerking uitgevoerd; dus treedt er geen materiaalverspilling op. Bij subtractieve processen wordt overmatig materiaal geleidelijk verwijderd van het basismateriaal; deze verwijdering kan echter in verschillende vormen optreden (zoals vaste spanen, smelting en verdamping, ionisatie, sputteren, enz.) afhankelijk van het toegepaste proces.

Geschiktheid

Tot nu toe, met de volledige ontwikkeling van technologie, zijn additieve processen geschikt voor selectieve materialen zoals kunststof en PMMA. Ook kan het geen grotere objecten aan; de systeemcapaciteit is meestal beperkt tot 2 kg. Echter, subtractieve processen kunnen een grote verscheidenheid aan materialen aan. Bepaalde mechanische, elektrische en thermische eigenschappen (zoals hardheid, broosheid, elektrische geleiding, smeltpunt, enz.) leggen beperkingen op aan de bewerkbaarheid voor een specifiek proces, maar dergelijke beperkingen kunnen worden overwonnen door een ander proces toe te passen. Deze processen zijn ook in staat om grotere objecten efficiënt te verwerken.

Productie van complexe vorm en holle delen

Bij additieve processen wordt de CAD-tekening eerst in dunne lagen gesneden (laagdikte hangt af van gewenste dimensionele nauwkeurigheid en oppervlakteafwerking) en daarna wordt materiaal laag voor laag één op de andere gelegd. Zo kan elke ingewikkelde vorm worden overwogen tijdens het snijden en de daaropvolgende materiaaldepositie, en vervalt de vereiste van nabewerking. Het kan zelfs interne holle delen produceren, zoals volledig gesloten caviteiten. Subtractieve processen hebben beperkte mogelijkheden in het produceren van complexe vormen. Het kan geen volledig gesloten caviteit creëren.

Industriële aspecten

Additieve processen zijn tijdrovend omdat laagdepositietijd en daarna droogtijd erbij horen. Echter, bij het fabriceren van kleine objecten met ingewikkelde vormen en hoge precisie (bijvoorbeeld prototype), kan het tijd- en kostenefficiënt zijn, met name als de productiehoeveelheid erg klein is. Een strakke werkomgevingscontrole is in veel gevallen ook gewenst. Hoewel additieve processen opkomen als geschikte alternatieve voor subtractieve processen in bepaalde gebieden, kunnen subtractieve processen voor massaproductie van grote objecten met een eenvoudige vorm de concurrent overweldigend domineren.

Een wetenschappelijke vergelijking tussen additieve productie en subtractieve productie wordt in dit artikel gepresenteerd. De auteur adviseert u ook de volgende referenties te raadplegen voor een beter begrip van het onderwerp.

1. Additieve Productie van Metalen: De Technologie, Materialen, Ontwerp en Productie door L. Yang, K. Hsu, B. Baughman, D. Godfrey, F. Medina, M. Menon en S. Wiener (1^e druk, Springer).
2. Additieve Productie: 3D-printen voor Prototyping en Productie door A. Gebhardt en J. Hötter (1^e druk, Hanser).
3. Newman et al. (2015); Procesplanning voor additieve en subtractieve productietechnologieën; CIRP Annals; Vol. 64 (1); pp. 467-470.