Produkcja przyrostowa, wykorzystująca na skalę przemysłową technologię druku 3D, już teraz modyfikuje metody wytwarzania. A już wkrótce może zrewolucjonizować całą przyszłość rynku produkcji przemysłowej.
Podczas gdy niektórzy naukowcy szukają najmniejszej cząstki kosmosu, inni biorą jego ziarenka i składają je w nowe kształty. Choć brzmi to górnolotnie, tak właśnie najprościej można określić fenomen druku 3D, czy też – używając bardziej fachowego języka – produkcji przyrostowej lub addytywnej, która z pewnością jest przełomem technologicznym. Jak wielki będzie jego wpływ na naszą rzeczywistość? Możliwe, że większy, niż sobie wyobrażamy.
Na czym polega ten epokowy wynalazek? Wyobraźmy sobie model 3D z CAD-a.
Wprowadzamy jego wymiary do komputera, wybieramy drukarkę laserową, w której toner wypełnia proszek zawierający metal, plastik lub żądany stop – zależnie od tego, z czego chcemy otrzymać gotowy produkt – i naciskamy „print”.
Proszek jest rozprowadzany po bazie dziesiątki razy na sekundę. Materiał jest stapiany elektronicznie za pomocą lasera, powstaje dokładny model CAD, który w formie przestrzennej opuszcza drukarkę. Różnica pomiędzy takim modelem a wyciętym z bloku materiału to szybkość powstawania, nieograniczoność form przy minimalnej ilości odpadów.
Teraz wyobraźmy sobie wykonanie 20 takich modeli w tym samym czasie, przy użyciu jednej bazy, wszystko za jednym podejściem lub 20 podobnych modeli, z których każdy został dostosowany do konkretnego celu albo spersonalizowany według potrzeb. Imponujące? Ta technika będzie wyznaczać kierunki rozwoju w produkcji, a to dopiero początek.
Składanie wszystkiego w całość
Zaczęło się od kropki. Kiedy patrzy się z bliska na obraz George’a Seurata pt.: „Niedzielne popołudnie na wyspie Grande Jatte”, widać same kropki. Jednak gdy odsuwamy się od obrazu, oczom ukazuje się scena nadbrzeżnego popołudnia z 1880 roku. Podobnie jest z produkcją addytywną. Gdy przyjrzymy się raz jeszcze tej koncepcji, zobaczymy, czego już dziś można dokonać za pomocą produkcji przyrostowej: tworzy się protezy stawów biodrowych, skrzydła samolotów nowej generacji, stenty dla pacjentów z chorobami niedokrwiennymi serca.
Możliwość tworzenia „na żądanie” jest istotna dla rewolucyjności produkcji przyrostowej. Precyzyjna drukarka 3D może zastąpić magazyn części. Jeśli potrzebna jest śruba do linii montażowej, można – zamiast do warsztatu – udać się na stronę producenta, ściągnąć jej projekt CAD do drukarki 3D i wydrukować. Jeśli potrzeba klucza do przykręcenia tejże śruby, postępuje się dokładnie to samo.
– Zmienia się sposób, w jaki tworzymy rzeczy, zmienia się także branża produkcyjna – mówi Ralph Resnick, dyrektor Narodowego Instytutu Innowacji w Produkcji Przyrostowej (NAMII). – Możliwa będzie demokratyzacja produkcji dzięki produkcji osobistej.
Oczywista staje się także transformacja procesu projektowania. – Warto zauważyć, że w druku 3D niemal wszystko wytwarza się w temperaturze pokojowej – zauważa Jeff DeGrange, szef grupy rozwiązań produkcyjnych firmy Stratasys (Minneapolis), producenta drukarek 3D. – To pewien problem, bo zauważmy, że przecież wiele części pod maską samochodu pracuje w wysokiej temperaturze. A wielu rzeczy używa się przy temperaturze -40°C. Nad takimi rzeczami musimy się zastanowić, jeśli chcemy rozwijać technologię addytywną.
– Ludzie nadal próbują to wszystko zrozumieć – uważa Andy Snow, dyrektor regionalny EOS North America. – To normalne. Zmieniają się procesy projektowania, bo zmienia się też sposób produkcji.
W głąb potencjału
Zrozumieć filozofię i możliwości produkcji addytywnej, to jak onegdaj zrozumieć znaczenie okiełznania ognia, czy wynalezienia koła, penicyliny… Brzmi zbyt patetycznie? Posłuchajmy głosów ze świata:
Raport The National Intelligence Council „Światowe Trendy 2030: Alternatywne światy” stwierdza: „Nowe technologie produkcji i automatyzacji, takie jak produkcja przyrostowa (druk 3D) i robotyka, mają potencjał, by zmienić charakter pracy i produkcji zarówno w krajach rozwiniętych, jak i rozwijających się. W krajach rozwiniętych technologie te zwiększą produktywność, zwrócą uwagę na ograniczenia pracy i zmniejszą potrzebę outsourcingu, zwłaszcza gdy redukcja długości łańcucha dostaw będzie przynosić wyraźne zyski”. W raporcie dodano również: „Do 2030 roku produkcja przyrostowa mogłaby zastąpić część konwencjonalnej produkcji, szczególnie w krótkich seriach lub tam, gdzie personalizacja na wielką skalę ma wysoką wartość”.
The Economist z listopada 2012 roku sugeruje: „Drukowanie 3D jest jedną z wielu technologii produkcyjnych i trendów, które przekształcają sposoby, w jakie firmy będą produkować w przyszłości. Stare zasady typu niższe koszty dzięki większej produkcji czy zmniejszeniu jednostkowych kosztów pracy przestają mieć znaczenie”.
Być może najbardziej przekonującym przykładem potencjału produkcji addytywnej i prędkości wzrostu jest nabycie w listopadzie 2012 roku przez GE Aviation dwóch firm: Morris Technologies i jej firmy siostry Rapid Quality Manufacturing. W ten sposób producent prototypów 3D i osprzętu do montażu komponentów został włączony w proces technologiczny i struktury General Electric.
– Obie firmy to część naszych inwestycji w nowe technologie produkcyjne – twierdzi Colleen Athans, wiceprezes GE. – Możliwości rozwoju najnowocześniejszych procesów wytwórczych dla nowo powstających materiałów i złożonych geometrycznie projektów są niezwykle istotne dla naszej przyszłości.
Naukowcy GE już w 2011 roku sprawdzali możliwości produkowania niezwykle skomplikowanych głowic do USG. I już wtedy stwierdzili, że produkcja przyrostowa może drastycznie obniżyć cenę ich wytwarzania.
– Wyobraźmy sobie możliwość drukowania głowic USG w sposób, w jaki drukujemy gazety – superszybko i tanio – mówi Prabhjot Singh, inżynier mechanik i szef projektu ultrasonograficznego. – Dzięki temu systemy ultradźwiękowe stałyby się niedrogie i bardziej dostępne w zaniedbanych regionach, gdzie opieka medyczna jest ograniczona.
Tempo rozwoju
Produkcja addytywna zdążyła już rozbudzić wyobraźnię prasy popularnej i popkultury. Powstał nawet film emitowany w godzinach najwyższej oglądalności, w którym przyjaciele klonują się przy użyciu drukarki 3D.
Podchodząc poważniej do tematu, BBC mówi o architekcie Janjaapie Ruijssenaarsie, który łączy ze sobą płyty, by stworzyć dom w kształcie wstęgi Möbiusa. Wykorzystuje w tym celu technologię druku 3D. Ma nadzieję, że uda mu się wznieść fasadę wartego 5 mln dolarów domu w całości z wydrukowanych płyt.
– Druk 3D jest niezwykły – mówi BBC Janjaap Ruijssenaars. – Dla mnie jako architekta to dobry sposób na skonstruowanie tak specyficznego projektu, który nie ma ani początku, ani końca. I dzięki drukarce 3D może właśnie tak wyglądać.
– Podczas tłoczenia blach dużo metalu się marnuje – twierdzi wspomniany już Jeff DeGrange ze Stratasys. – Przy użyciu produkcji addytywnej można osiągnąć to samo jednym naciśnięciem guzika, z plastiku i za cenę o połowę niższą.
Czy obecna dekada będzie przełomowa dla popularyzacji druku 3D?
– Technologia przyjmuje się błyskawicznie, zwłaszcza w przemyśle szukającym tanich sposobów produkcji – zauważa cytowany już dyrektor z EOS. – Rynek zgłasza popyt, powstają nowe, duże systemy 3D, to będzie napędzać rozwój.
Powstają rozwiązania hybrydowe, łączące produkcję przyrostową np. z tradycyjnymi technikami frezerskimi. W 2012 roku na pokazie IMTS w Chicago EOS i GF Agie Charmilles zaprezentowały system do wytwarzania precyzyjnych tac piszczelowych do chirurgicznych implantów kolan. W procesie wykorzystano bezpośrednie laserowe spiekanie metalu (DMLS) wg EOS oraz frezarkę pięcioosiową GF Agie Charmilles. – W niektórych sprawach nadal jesteśmy zależni od tradycyjnych technologii – konstatuje Snow.
Render 3D tacy piszczelowej w CAD został stworzony w EOS w trakcie procesu przyrostowego z użyciem tytanowego proszku. Po zakończeniu trafił do pięcioosiowej frezarki w celu końcowej obróbki przy użyciu tego samego modelu z CAD.
Dokąd to zmierza?
Każda przełomowa technologia początkowo budzi entuzjazm i euforię. Z czasem jednak pojawiają się pułapki i problemy. Produkcja przyrostowa niczym się w tej kwestii nie różni. Być może najtrudniejszym zagadnieniem jest kwestia praw autorskich. Tak jak w przypadku przemysłu muzycznego, problemem jest własność intelektualna – niczym nieograniczone pole do piratowania i wymiany kodów do drukowania 3D. Mamy przecież do czynienia z rzeczywistością cyfrową, gdzie takie zjawisko jest powszechne. Prawdopodobnie wobec biznesu 3D będą musiały być stosowane podobne rozwiązania jak w przemyśle kreatywnym, rozwijającym się dzięki ochronie licencji i praw intelektualnych. Ale trudno nie zauważyć, że mimo tych systemów nieoficjalny rynek e-booków, plików muzycznych i filmów rozwija się niezależnie od kontroli producentów.
Autor: Bob Vavra, redaktor naczelny Plant Engineering
