W przeciwieństwie do metod ubytkowych, takich jak skrawanie, wytwarzanie przyrostowe (additive manufacturing) polega na nakładaniu i spajaniu kolejnych warstw materiału. Uzupełnia ono konwencjonalne techniki produkcyjne w coraz większej liczbie zastosowań.
Wytwarzanie przyrostowe – druk przestrzenny, druk 3D – obejmuje kilka grup metod, które różnią się m.in. rodzajem zastosowanego materiału oraz sposobem jego nanoszenia i spajania.
FDM, SLA, SLS, czyli dostępne technologie
Jak wyjaśnia Tomasz Bartnikowski, specjalista ds. technicznych oprogramowania CAD z firmy Datacomp, można wyróżnić kilka najbardziej popularnych technologii przyrostowych. Niewątpliwie najczęściej wykorzystywana, a także najprostsza i najtańsza technologia to FDM (Fused Deposition Modeling), która polega na nakładaniu kolejnych warstw roztopionego termoplastu. Technologia ta jest powszechnie wykorzystywana w przemyśle, a także w zastosowaniach konsumenckich. Różnorodność dostępnych materiałów – jak choćby ABS, PLA, PC, Nylon, TPU i bardziej egzotyczne kompozyty wykorzystujące włókna szklane, węglowe czy domieszki pyłu drewnianego – sprawia, że tą metodą można wykonywać modele o różnych właściwościach. Sprawdza się ona przede wszystkim w szybkiej produkcji pojedynczych części, dlatego konstruktorzy często wykorzystują ją do walidacji swoich projektów. Minusy to stosunkowo mała wytrzymałość detali oraz warstwowa struktura wewnętrzna. Metoda ta niekoniecznie też sprawdza się przy wydruku niewielkich elementów o bardzo dużym stopniu skomplikowania.
Kolejna grupa, którą warto omówić, to technologie wykorzystujące żywice światłoczułe. Chodzi tu m.in. o SLA (Stereolithography), DLP (Direct Light Processing), CDLP (Continuous DLP). Polegają one na utwardzaniu żywic różnym rodzajem światła, a znajdują zastosowanie w przemyśle i coraz częściej w amatorskim druku 3D. Dzięki wysokiej rozdzielczości pozwalają na wytworzenie niewielkich i dokładnych modeli z wysoką jakością powierzchni. Wybór dostępnych żywic stale się zwiększa, co sprawia, że rośnie również różnorodność własności otrzymywanych wydruków. Niestety, żywice są przed utwardzeniem toksyczne, co wymaga stosowania dodatkowych środków ostrożności w procesie wydruku i przygotowania odpowiedniego pomieszczenia do drukowania. Dodatkowo pola robocze drukarek są przeważnie mniejsze niż w innych technologiach.
Do technologii przyrostowych należy też spiekanie proszków, a więc metody: SLS (Selective Laser Sintering), SLM/DMLS (Selective Laser Melting/Direct Metal Laser Sintering) i EBM (Electron Beam Melting). Polegają one na spiekaniu kolejnych warstw proszku materiału skupioną wiązką energii (elektronów/lasera). W tych technologiach wykorzystywane są wytrzymałe materiały polimerowe (np. poliamidy, TPU), kompozytowe (np. PA+GF) i metaliczne (różne mieszaniny proszków metali, np. stale nierdzewne, tytan, aluminium). Ogromną zaletą tej grupy technologii jest to, że nie wymagają one stosowania struktur podporowych w wydrukach, co pozwala na drukowanie bardziej skomplikowanych kształtów. Metody te sprawdzają się w przypadku potrzeby wytworzenia w jak najkrótszym czasie wielu części, bowiem całą przestrzeń roboczą wypełnia się modelami i wytwarza je wszystkie w jednym procesie. Kolejnymi zaletami są więc wydajność (ok. 10 razy większa niż w technologii FDM) oraz duża wytrzymałość. Wytworzone w ten sposób części mają praktycznie jednorodną strukturę wewnętrzną.
Do popularnych należą także technologie typu Material Jetting, a więc m.in. stosowane w przemyśle PolyJet, Multi Jet Fusion. PolyJet polega na nanoszeniu kolejnych warstw materiału, a następnie utwardzaniu ich światłem UV. Odbywa się to podczas jednego przejazdu głowicy, więc proces wydruku jest szybki. Zaawansowane maszyny umożliwiają również wydruk z barwieniem na różne kolory i z różnych filamentów. Uzyskiwane powierzchnie mają wysoką jakość, dlatego technologie te są wykorzystywane do produkcji realistycznych prototypów, wysokiej jakości krótkich serii produktów. Minusem tych rozwiązań jest wysoki koszt maszyn i materiałów.
Warto wspomnieć również o technologiach bazujących na bezpośrednim dostarczaniu energii, m.in. LENS (Laser Engineering Net Shape) oraz EBAM (Electron Beam Additive Manufacturing). W tych metodach strumień materiału dostarczany jest przez dyszę i utwardzany za pomocą lasera lub strumienia elektronów bezpośrednio na powierzchni, na którą pada. Niewątpliwymi zaletami tych technologii są: możliwość druku na powierzchniach o dowolnym kształcie oraz bogaty wybór materiałów.
Protezy, elementy samolotów, części zamienne…
Wytwarzanie przyrostowe obecne jest w wielu gałęziach przemysłu. Do branż, w których druk przestrzenny jest wykorzystywany najczęściej, należą: motoryzacyjna, medyczna, lotnicza, kosmiczna. W tych obszarach w technologii addytywnej wytwarzane są nierzadko części końcowe bardziej złożonych mechanizmów. Na rynku polskim głównymi beneficjentami technologii przyrostowych są firmy z branży motoryzacyjnej, elektroniki użytkowej, przedmiotów użytku domowego czy lotnictwa oraz wojskowości, gdzie wytrzymałość i lekkość materiałów jest wyjątkowo istotna. Coraz śmielej korzystają z nich również działy utrzymania ruchu. Druk 3D sprawdza się także w produkcji części zamiennych. Ich drukowanie na miejscu w fabryce oznacza zmniejszenie kosztów magazynowania oraz przyspieszenie całego procesu produkcji i serwisu.
Dominującym obszarem zastosowania technologii addytywnych jest jednak sfera szybkiego prototypowania (Rapid Prototyping), obecna w każdej branży, w której powstaje produkt końcowy w postaci fizycznego detalu. Prototypowanie pozwala tworzyć kształty, które są bardzo trudne lub niemal niemożliwe do wykonania konwencjonalnymi metodami. – Druk 3D umożliwia łatwe i szybkie wykonywanie prototypów, co przekłada się na znaczne oszczędności czasu i kosztów związanych z opracowywaniem produktu i wprowadzaniem go na rynek – mówi Karol Kula, Sales Manager w firmie 3DGence. – Technologie addytywne zapewniają projektantom większą swobodę w eksperymentowaniu, nawet z projektami o złożonej geometrii.
Na oszczędności czasu i kosztów generowane dzięki stosowaniu druku 3D wskazuje również Maciej Stefańczyk, Sales Manager w firmie Cubic Inch. – Proces wytwarzania w technologiach przyrostowych jest prosty. Zazwyczaj jedyne, czego potrzebujemy, aby rozpocząć produkcję, to model 3D. W efekcie nie mamy żadnych kosztów początkowych, a całkowity czas wytwarzania części jest krótki. Dodatkową korzyścią jest to, że koszty wytwarzania nie zależą od stopnia skomplikowania geometrycznego, ale od wymiarów detalu. Dlatego bardzo często elementy skomplikowane geometrycznie możemy wytwarzać taniej w technologii druku 3D niż w tradycyjnych technologiach. Bardzo dużym plusem technologii przyrostowych jest to, że znoszą one praktycznie wszystkie dotychczasowe ograniczenia związane z geometrią produkowanych części. Nie ma problemu z drukowaniem części pustych w środku, struktur ażurowych czy organicznych kształtów. Przemysł docenia wytwarzanie przyrostowe również za małe straty materiału w porównaniu z technologiami ubytkowymi. Druk 3D podczas projektowania nowego produktu pozwala na znacznie łatwiejsze wprowadzanie zmian w kolejnych prototypach, a ewentualne pomyłki nie są aż tak kosztowne.
Jak wyjaśnia Marek Kantowski, R&D Lead Engineer w firmie Verashape, druk przestrzenny często znajduje zastosowanie w produkcji małoseryjnej, szczególnie wtedy, gdy wykorzystanie tradycyjnych metod wytwarzania za pomocą wtrysku okazuje się nieopłacalne lub znacznie podnosi cenę finalnego wyrobu. Dzięki technologii addytywnej i zastosowaniu jej jako tzw. Rapid Manufacturing można szybko i tanio wykonać niewielką serię, która jest gotowa do zastosowania, a nawet sprzedaży. Dlatego drukarki 3D mogą produkować elementy, które nie są już dostępne w sprzedaży, a stanowią istotny komponent wyrobu gotowego. Części wytwarzane w technologii druku wysokotemperaturowego cechują się podwyższoną wytrzymałością termiczną i mechaniczną, a zlecanie jednostkowej produkcji takich podzespołów na zewnątrz jest zbyt kosztowne, czasochłonne i wymaga obsługi procesów logistycznych.
– Branże maszynowa, narzędziowa czy linii produkcyjnych znajdują ogromne wsparcie w postaci technologii addytywnych ze względu na zapotrzebowanie w małych seriach, nietypowych geometriach czy konieczność zapewnienia posprzedażowej obsługi serwisowej w kolejnych latach – dodaje Piotr Banacki, dyrektor sprzedaży w firmie Materialise. – Technologie addytywne pozwalają redukować koszty produkcji w niskich seriach, ponieważ od modelu przechodzimy bezpośrednio do produkcji finalnego elementu, pomijając przygotowanie często drogiego oprzyrządowania. Unikamy zamrożenia kapitału w postaci magazynowania fizycznych detali serwisowych, zastępując magazyn fizyczny magazynem wirtualnym w postaci modelu 3D. W końcu oszczędzamy czas, który jest nierzadko szczególnie ważny dla działów utrzymania ruchu potrzebujących danego detalu niemalże natychmiast, aby zapewnić ciągłość działania linii produkcyjnych.
Dzięki stałemu doskonaleniu technologie addytywne są w przemyśle coraz bardziej doceniane i mogą odpowiadać na jego rosnące wymagania. Na przykład w przetwórstwie tworzyw sztucznych, w którym druk 3D robi ogromną karierę, pozwala na tworzenie konformalnych kanałów chłodzących, których kształty umożliwiają prowadzenie chłodziwa w sposób pozwalający precyzyjnie wpłynąć na skrócenie cyklu wtrysku oraz wyeliminowanie odkształceń wypraski. – Dzięki temu wykonywany element chłodzony jest przewidywalnie w całej objętości, tym samym eliminuje się problemy ze skurczami czy jakością powierzchni detalu, a jednocześnie skraca proces stygnięcia nawet o 20% – wyjaśnia Maciej Patrzałek, CEO w firmie Solveere. – Czas w branży automotive jest niezwykle ważny, a firmy walczą o oszczędności, redukcję czasu rzędu pojedynczych sekund. W tradycyjnych metodach kanały chłodzące są wywiercane tylko na wprost. Z zastosowaniem druku 3D już na etapie projektowania zakłada się w formach kanały o skomplikowanej geometrii, dostosowanej do kształtu wtryskiwanego detalu. Reasumując: możliwość wykonania innowacyjnych narzędzi, jakimi są np. formy o chłodzeniu konformalnym, to duże ułatwienie procesowe, pozwalające utrzymać lepsze parametry procesu oraz podnieść jakość ostateczną produktu.
Jak zauważa jednak Maciej Cader, kierownik laboratorium w Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów PIAP, pomimo skokowego zwiększenia efektywności chłodzenia wyprasek i związanego z nim poszerzenia możliwości wykorzystania technologii addytywnych w przemyśle, pojawiły się nowe problemy, z którymi techniki te musiały się zmierzyć. Były to m.in. zbyt duża chropowatość kanałów chłodzących, konieczność zachowania ich jednorodnego kształtu na całej długości, konieczność usuwania potencjalnych struktur wspierających ściany kanałów budowanych podczas procesu druku. W odpowiedzi na te problemy branża technik addytywnych zaproponowała maszyny hybrydowe, które łączą procesy nowoczesne – addytywne, z procesami tradycyjnymi – ubytkowymi (frezowanie). – Jest to przykład, jeden z bardzo wielu, na to, jak branża technik addytywnych dostosowuje się do wysokich wymagań stawianych przez przemysł – podsumowuje tę kwestię Maciej Cader.
Jeszcze jedno zastosowanie druku przestrzennego w przemyśle to personalizacja. To bardzo ważne w świecie, w którym – zwłaszcza w pewnych branżach – coraz częściej odchodzi się od produkcji seryjnej na rzecz produkcji zindywidualizowanej. Karol Kula z firmy 3DGence zauważa, że z możliwości personalizacji produktów końcowych korzysta dziś mi.in. BMW, pozwalając właścicielom mini cooperów na dostosowanie wyglądu samochodu do ich oczekiwań. Ten trend zapewne będzie się pogłębiał, co sprawi, że coraz więcej firm projektujących przedmioty codziennego użytku sięgnie po drukarki 3D. – Personalizacja produktów ma zastosowanie również w medycynie. Dzięki tomografii komputerowej kształt protezy jest dostosowywany do konkretnego pacjenta. Możliwy jest również wydruk modeli przedoperacyjnych – dodaje Tomasz Bartnikowski z firmy Datacomp.
Polski przemysł podąża za Zachodem w kwestii wykorzystania technologii przyrostowych, a rodzime zakłady produkcyjne coraz chętniej wdrażają je do procesów produkcyjnych. Krzysztof Kardach, szef technologii druku w firmie Omni3D, podsumowuje: – Według mojej opinii jednym z najbardziej świadomych i rozwiniętych rynków druku 3D w Europie jest Wielka Brytania. Należy jednak zauważyć, że polscy klienci są coraz lepiej zorientowani w kwestiach technologii przyrostowych i w porównaniu z latami ubiegłymi widać zdecydowany postęp na rynku krajowym. Widzimy, że polskie firmy znajdują coraz więcej zastosowań w przemyśle, i to nie tylko w obszarze prototypowania czy wykonywania narzędzi, ale również w produkcji elementów końcowych, co jest zdecydowanie pozytywnym trendem.
Czy to oznacza, że procesy przemysłowe zostaną zmonopolizowane przez technologie przyrostowe? Eksperci uważają, że na to się nie zanosi. – W branży technologii przyrostowych mamy obecnie prawdziwy boom, co oczywiście nie oznacza, że wyparły one tradycyjne metody ubytkowe, ale stały się nieocenione w zakresie szybkiego sprawdzenia koncepcji czy przydatności detalu do użytku – mówi Paulina Kątna, specjalista ds. druku 3D w firmie Procad. – Metody ubytkowe dla produkcji seryjnej nigdy nie ustąpią technologii addytywnej, ale pod względem szybkości i pominięcia formy wtryskowej wytworzenie unikatowych detali za pomocą stereolitografii, spiekania laserowego czy najbardziej popularnej metody FDM nie ma sobie równych.
Przemysł czeka na kolejne innowacje przyrostowe
Technologie addytywne są relatywnie nowe, dlatego regularnie docierają do nas informacje o kolejnych nowinkach i opracowywaniu innowacyjnych metod druku. Eksperci wskazują, że przyszłość przyniesie dalszy rozwój wytwarzania przyrostowego. Przemysł jest coraz bardziej świadomy możliwości druku 3D, ale też stawia przed nim coraz to nowsze wymagania, przede wszystkim dotyczące materiałów do druku. Producenci i przedsiębiorcy szukają głównie bardzo wytrzymałych filamentów, także elastycznych, odpornych na działanie wysokich temperatur, chemikaliów, niesprzyjających warunków atmosferycznych. I to dlatego coraz częściej słyszy się o współpracy różnych specjalistów, m.in. chemików, producentów drukarek i materiałów, którzy wspólnie szukają odpowiedzi na potrzeby przemysłu. Celem jest stworzenie filamentu, który będzie mocny, bezpieczny i w rozsądnej cenie.
– Jestem przekonany, że w najbliższym czasie usłyszymy o wielu nowościach w tym zakresie, bo tylko dzięki nim druk 3D będzie mógł być na szeroką skalę wykorzystywany w produkcji seryjnej – mówi Karol Kula z firmy 3DGence. Jego słowa potwierdza Maciej Patrzałek z firmy Solveere: Rewolucja materiałowa – to to, na co czekamy. Tu przełomem mogą być materiały z pamięcią kształtu, które można cyfrowo zaprogramować w czasie procesu wytwarzania detalu, a ich właściwości uwzględnić już na etapie projektowania danego elementu w CAD. Przykłady? Elementy rozprężające się przy wytracaniu prędkości, reagujące na wzrost ciśnienia czy temperatury, mające ogromny potencjał zastosowania w branży automotive, systemach bezpieczeństwa czy w zarządzaniu ruchem.
Jak zauważa Andrzej Burgs, CEO w firmie Sygnis New Technologies, prace idą również w kierunku doskonalenia całego procesu związanego z drukiem 3D. – Przede wszystkim upraszcza się software sterujący, a proces ustawienia wydruków jest automatyzowany przez systemy. Obserwujemy tworzenie się w pełni zintegrowanych ekosystemów druku, co oznacza, że poza samym sprzętem mamy również stację obróbki i post processingu. To czyni druk 3D łatwiejszym do wdrożenia w firmie i przystępniejszym w obsłudze dla operatora drukarki. Z drugiej strony, z powodu braku ludzi na rynku pracy, pojawia się coraz większa chęć outsourcingu takich zadań do firm zewnętrznych. W Polsce i na świecie powstaje coraz więcej parków prototypowania. Takie podmioty, poprzez skupienie się jedynie na realizacjach wydruków, są w stanie szybko i efektywnie dostarczać produkty do firm, które nie muszą ponosić pobocznych kosztów realizacji prototypów.
Podsumowanie
Potencjał wytwarzania przyrostowego z pewnością nie jest w pełni wykorzystany w przemyśle i w tej kwestii jest jeszcze wiele do zrobienia. Nowoczesne technologie mogą się sprawdzić niemal w każdym zakładzie produkcyjnym, trzeba tylko chcieć po nie sięgnąć. Jako podsumowanie przytoczmy słowa Piotra Banackiego: Do zrewolucjonizowania pracy w zakładach produkcyjnych potrzeba dużej otwartości w stosunku do technologii addytywnych ze strony działów inżynieryjnych. Działy konstrukcji, wewnętrzne narzędziownie, działy utrzymania ruchu niejednokrotnie mogłyby zwiększyć efektywność i usprawnić pracę zakładów produkcyjnych za sprawą otwartości na stosowanie technologii addytywnych w swoich codziennych działaniach. A nowe koncepcje powstające w ramach technologii przyrostowych będą te działania usprawniać i wspierać.
Anna Witkowska jest dziennikarką od wielu lat współpracującą z prasą branżową.
