Autorowi science-fiction, Arthurowi C. Clarke, przypisuje się, że jako pierwszy opisał podstawowe funkcje drukarki 3D już w 1964 roku. Jednak pierwsza drukarka tego typu została wypuszczona na rynek dopiero w 1987 r. przez Chucka Hulla z firmy 3D Systems. W ostatnich latach technologie druku 3D znacznie się rozwinęły, a większość wysiłków badawczych skupiła się na opracowaniu lepszych materiałów. Wraz z innymi pionierami przemysłu, firmy chemiczne wkraczają obecnie do branży druku 3D, przyspieszając rozwój branży druku 3D. Umożliwiło to opracowanie szeregu wysokowydajnych polimerów o pożądanych właściwościach mechanicznych podobnych do właściwości metalu. Oczekuje się, że rynek druku osiągnie wartość 240 mld PLN do 2025 r., rosnąc w tempie 29,48% w latach 2020–2025. Produkcja addytywna (z ang. AM) ma szeroki zakres zastosowań przemysłowych i odgrywa kluczową rolę w przemyśle motoryzacyjnym, elektronicznym, lotniczym, zbrojeniowym i medycznym. Prototypowanie, projektowanie i tworzenie narzędzi należą do najczęstszych zastosowań przemysłowych na rynku drukarek 3D. Jednakże technologia obróbki addytywnej ewoluuje od narzędzia do prototypowania do produkcji części. Podczas gdy kiedyś wysokie koszty wejścia na rynek wykluczały mniejszych producentów z rynku, obecnie dostępna jest cała gama przystępnych cenowo drukarek 3D.
Rosnąca wiedza, nowe materiały, szybsza produkcja, możliwość wytwarzania większych obiektów i dobra jakość wykończenia detalu sprawiają, że ten zaawansowany proces produkcyjny jest atrakcyjną propozycją dla wielu producentów. Ale na czym polega rozwój technologii druku łożysk polimerowych i związane z nim możliwości produkcyjne w technologii druku 3D?
Elastyczność przy projektowaniu
Każdy proces obróbki addytywnej wpływa na mikrostrukturę materiału, w tym rozmiar, kształt i orientację ziaren lub kryształów. Stwarza to różne wyzwania i możliwości. Na przykład stereolitografia (SLA) oferuje gładkie wykończenie powierzchni, ale komponenty są zwykle mniej trwałe niż części wytwarzane przy użyciu innych technologii addytywnych. Ponieważ proces druku 3D jest szerzej dostępny i nie wymaga kosztownego oprzyrządowania, producenci łożysk mają możliwość eksperymentowania z łożyskami o niestandardowych elementach i zwiększonej wydajności. Daje to producentom i inżynierom projektantom elastyczność eksperymentowania z cechami konstrukcyjnymi, które nie byłyby ekonomicznie opłacalne przy zastosowaniu konwencjonalnych metod produkcji łożysk. Po usunięciu bariery ekonomicznej producenci mogą świadczyć opłacalne usługi produkcji niskonakładowej – nawet przy zamówieniach tak małych, jak dziesięć sztuk łożysk. Ponadto producenci łożysk mogą stosować coraz bardziej zróżnicowaną gamę materiałów. Na przykład wzmocnione polimery stosowane w druku 3D mogą mieć zbliżone właściwości do ich konwencjonalnych odpowiedników lub nawet je przewyższać, co stwarza nowe możliwości projektowe. Bowman International, producent łożysk z Wielkiej Brytanii, wykorzystał technologię fuzji wielostrumieniowej (MJF) do wyprodukowania z nylonu PA11 specjalnej podpory wałka. Zwarta struktura pozwala na umieszczenie od dwóch do czterech dodatkowych wałeczków, co pozwala na zwiększenie nośności o 70%, a także charakteryzuje się większą elastycznością, trwałością i funkcjonalnością. Podczas gdy masowo produkowane łożyska, drukowane w technologii 3D, nie są jeszcze powszechne, druk 3D z polimerów wywiera wpływ na świat szybkiego prototypowania. Na przykład w niszowym projekcie lotniczym druk 3D może być wykorzystywany do uzyskania szybkiego i atrakcyjnego wizualnie prototypu. Sprawia to, że najmniejsze elementy mechaniczne, takie jak łożyska, będą funkcjonować w harmonii z całym systemem.
Zalety lekkiej konstrukcji
W branżach takich jak lotnicza i kosmiczna, motoryzacyjna czy medyczna, lekka konstrukcja może przyczynić się do poprawy bezpieczeństwa, a także do znacznych oszczędności kosztów. W zastosowaniach, w których występują małe obciążenia i niskie prędkości, łożyska z tworzywa sztucznego oferują doskonałe właściwości użytkowe i są już pięciokrotnie lżejsze od swoich stalowych odpowiedników. Wiele branż w historii stanęło przed wyborem wykorzystania innowacyjnych, metalowych, lekkich łożysk igiełkowych z koszykiem oporowym XZU firmy Schaeffler. Innym przykładem jest aluminiowe łożysko drukowane w technologii 3D, zaprojektowane przez niemiecką firmę Franke GmbH. Łożysko to musiało ważyć maksymalnie 800 g, ponieważ było przeznaczone do stosowania w podzespołach helikoptera ratunkowego. Jednak dzięki odejściu od metalu i zastosowaniu procesów druku 3D z polimerów, możliwe jest zaprojektowanie jeszcze lżejszego komponentu. Projekty te wykorzystują struktury przypominające plaster miodu, których uzyskanie w tradycyjnych procesach obróbki byłoby trudne i czasochłonne. Ponadto drukowane wysoko wydajne tworzywa termoplastyczne, takie jak włókno węglowe i polieteroeteroketon (PEEK), stanowią realną alternatywę dla metalu. Wybór drukowanego koszyka z nylonu (PA66) lub innego materiału polimerowego może pomóc w zmniejszeniu wagi całego łożyska. Nylon wzmocniony włóknem węglowym jest jedną z najbardziej popularnych kombinacji materiałów drukowanych z nylonu. Oferuje on wiele korzyści, które posiada standardowy nylon, w tym wysoką wytrzymałość i sztywność, ale jego masa jest znacznie mniejsza.
Niski współczynnik tarcia
Koszyk z polimeru drukowanego w technologii 3D może również zmniejszyć zużycie elementów tocznych w porównaniu z konwencjonalnym metalowym koszykiem. W studium wykonalności z 2018 r. oceniono charakterystykę tarcia łożyska kulkowego głębokorowkowego (6004), stworzonego w technologii druku 3D. Łożysko zostało wytworzone w procesie MJP z wykorzystaniem tworzywa sztucznego jako materiału struktury i topliwego wosku do tworzenia podparć. Wynik wykazał zadowalającą trwałość wydrukowanego łożyska kulkowego przy niskich obciążeniach i prędkościach. Niedawno firma igus opracowała trójfazowy filament iglide, który jest do 50 razy bardziej odporny na zużycie niż konwencjonalne materiały do druku 3D i jako pierwszy na świecie został wzbogacony o właściwości tribologiczne. Ten nowy filament zawiera środek smarny w samym tworzywie, dzięki czemu jest bardziej wytrzymały w zastosowaniach związanych z ruchem. Jest to szczególnie korzystne w przypadku łożysk. Jeśli tarcie nie jest skutecznie kontrolowane, łożyska o dużym oporze mogą zwiększyć moc wymaganą do pokonania oporu i napędzania urządzeń. Skutkuje to ostatecznie wyższym kosztem przemieszczania ładunku i gorszą sprawnością energetyczną.
Kontrola jakości
Podobnie jak w przypadku tradycyjnie wytwarzanych komponentów, drukowane w 3D łożyska z tworzyw sztucznych muszą przejść te same rygorystyczne procedury testowe, aby upewnić się, że są one odpowiednie do celu. Jest to szczególnie ważne w przypadku komponentów, które mają kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa, takich jak łożyska. Co najważniejsze, podczas eksperymentowania z innowacyjnymi, nowymi projektami i ulepszonymi właściwościami materiałów, istotne jest, aby dokładnie analizować środowisko pracy łożyska w końcowej aplikacji, za co odpowiedzialni są specjaliści od łożysk. Przyjęcie standardów w celu zmniejszenia ryzyka i jego kontroli, jak również umożliwienie bardziej spójnych standardów jakości to ważne kroki dla przyszłości druku 3D z polimerów.
Standardy tworzone przez Federacje Żywności i Leków (FDA), Międzynarodową Organizację Normalizacyjną (ISO) oraz ASTM, znaną wcześniej jako Amerykańskie Towarzystwo Badań i Materiałów, to ważny krok, umożliwiający odbiór projektów drukowanych w technologii 3D. Choć łożyska drukowane nie są jeszcze powszechne, to wiele wskazuje na to, że w przyszłości mogą być szeroko stosowane jako uzupełnienie tradycyjnych technik produkcji łożysk, oferując możliwość szybkiego prototypowania i lepsze właściwości użytkowe.
Chris Johnson jest dyrektorem zarządzającym w SMB Bearings. Zajmuje to stanowisko od ponad dziesięciu lat. Jest specjalistą w dziedzinie łożysk i smarowania.
