Jak druk 3D może zmienić przemysł?

Czwartek, 18 grudnia 2014 | Technika

Drukowanie trójwymiarowe polega na łączeniu kolejnych warstw materiału, tworzywa sztucznego lub metalu w obiekt przestrzenny na podstawie jego modelu komputerowego. Pierwotnym przeznaczeniem tej metody, którą wynaleziono 30 lat temu, było prototypowanie. Z czasem jednak dostrzeżono jej potencjał i zaczęto ją rozwijać tak, żeby drukować można było "wszystko", szybko, tanio i nie tylko pojedyncze sztuki, lecz całe partie. Dzięki temu z druku 3D w produkcji zaczęły korzystać nawet mniejsze firmy.

Na razie nie oczekuje się, że tą metodą wytwarzane będą serie liczące miliony egzemplarzy, ale dla tych, które składają się z tysięcy sztuk, sposób ten wydaje się atrakcyjny. Jako że dobra passa tej techniki trwa nieprzerwanie od 2012 roku, najwyższy czas, aby zastanowić się, jak może ona zmienić przemysł. W artykule pokazujemy odpowiedź na to pytanie.

Od lewej: Frank Behrens, PR Manager EMEA w RS Components, oraz kadra zarządzająca firmy: Ermanno Maffe i Keith Reville

Frank Behrens

RS Components

Na jakim etapie rozwoju jest obecnie technologia druku 3D?

Sądzę, że osiągnęła ona poziom, gdzie dostępne są wydajne, niezawodne urządzenia - i to w cenach pozwalających na ich stosowanie do prototypowania produktów w dowolnych branżach. Obszarem, na który obecnie silnie stawiamy, jest drukowanie 3D z wykorzystaniem tworzyw sztucznych. Jest to dla nas rosnący biznes i mamy tu wizję przyszłości, gdzie zupełnie inaczej wyglądają sposoby wytwarzania elementów. Można sobie wyobrazić, że zamiast kupować produkt... pobieramy jego model ze sklepu i drukujemy. Pozwoli to na zdecydowanie większą customizację urządzeń niż obecnie.

Oczywiście droga do tego, aby drukowanie 3D pozwalało na produkcję addytywną i wytwarzanie części zamiennych na skalę przemysłową, jest jeszcze wciąż daleka. Z powodzeniem możliwe jest jednak prototypowanie elementów, czyli rapid prototyping. Wielu naszych klientów tworzy modele 3D w oprogramowaniu CAD i przekazuje je do wytwarzania dostawcom. Na gotowe produkty muszą oni czekać kilka dni lub więcej - inwestując w drukarki 3D, można skrócić czas oczekiwania do kilku godzin.

Jakie urządzenia oferujecie?

W tym roku rozbudowaliśmy ofertę drukarek 3D i dostarczamy obecnie produkty kilku firm - RepRap Pro, 3D Systems, Cubify, a także MakerBot. Ze względu na różne możliwości i ceny są one adresowane do innych klientów. Przykładowo Ormerod z RepRap Pro to produkt ekonomiczny, którego adresatami są hobbyści i studenci.

Bardziej profesjonalnym urządzeniem jest Cube 2 z 3D Systems, które oferowane jest w cenie około tysiąca euro. Jest ono droższe, ale jest to typowy produkt plug & play - w ciągu kwadransa użytkownik może wykonać własny wydruk o wysokiej jakości. Nadaje się ono w szczególności do prototypowania urządzeń elektronicznych. Z kolei CubeX to kolejna półka cenowa i drukarka zapewniająca wykonywanie wielokolorowych, bardzo precyzyjnych wydruków.

Do tematyki druku 3D podchodzimy kompleksowo. Oprócz drukarek i materiałów eksploatacyjnych do nich oferujemy darmowe narzędzie projektowe, którym jest DesignSparc Mechanical. Pozwala ono na szybkie tworzenie projektów CAD, w tym korzystając z oferowanych przez nas modeli komponentów i urządzeń, a następnie generowanie plików dla drukarek 3D. W ten sposób użytkownik może zarówno łatwo wejść do świata druku trójwymiarowego, jak też wykorzystywać tę technologię w pracy zawodowej - np. w zastosowaniach profesjonalnych w branży elektronicznej.

ELASTYCZNOŚĆ GŁÓWNĄ ZALETĄ DRUKU 3D

Panuje powszechna opinia, że spopularyzowanie się drukarek przestrzennych pozwoli zmniejszyć koszty produkcji oraz lepiej dostosowywać ofertę do zmieniających się potrzeb klientów. Dotyczy to szczególnie produktów specjalistycznych, na które zapotrzebowanie nie jest często aż tak duże, aby dochód z ich sprzedaży pokrył wydatki związane z częstymi zmianami procesu produkcyjnego realizowanego tradycyjnymi metodami. Przestrojenie drukarki przestrzennej, polegające w zasadzie na przygotowaniu nowego modelu cyfrowego detalu, jest natomiast znacznie prostsze, szybsze oraz tańsze.

Owa elastyczność sprzyja również innowacyjności i to nie tylko w przemyśle, gdzie drukowanie 3D wciąż odgrywa ważną rolę w fazie przygotowywania prototypu. Razem z upowszechniającym się otwartym oprogramowaniem (open source) oraz finansowaniem realizacji projektów na zasadzie crowdfundingu wytwarzanie addytywne jest olbrzymią szansą dla niezależnych konstruktorów.

Z drugiej strony nie wolno zapominać o inżynierii odwrotnej (reverse engineering). Techniki skanowania oraz oprogramowanie do modelowania cyfrowego w połączeniu z drukarkami przestrzennymi stanowią komplet narzędzi dla tych, których intencje nie są czyste.

Wracając do przemysłu - przewiduje się, że druk 3D wpłynie także na przebieg procesów logistycznych oraz upowszechni dotychczas mniej popularne modele biznesowe.

Kto?

Lista firm produkujących drukarki 3D i ich dystrybutorów oraz przedsiębiorstw oferujących usługę druku 3D według projektu klienta stale się rozszerza. Wśród tych pierwszych sztandarową pozycję na rynku zajmują dwie amerykańskie firmy: 3D Systems i Stratasys, będące pionierami technologii druku przestrzennego. Obie działalność rozpoczęły w latach 80. ubiegłego wieku. Wtedy też ta pierwsza wyprodukowała pierwszą na świecie komercyjną drukarkę 3D.

Takie maszyny dostarczają także m.in.: szwedzki Arcam oferujący drukarki metalowych części działające w opracowanej przez tę firmę technologii EBM (Electron Beam Melting), francuski BeAM, też produkujący maszyny drukujące metalowe komponenty, ale z proszków stapianych wiązką lasera, duński Blueprinter, którego drukarki pracują w technologii SHS (Selective Heat Sintering) i niemiecki ReaLizer oraz angielski Renishaw, oferujące urządzenia w technice SLM (Selective Laser Melting).

Co?

Przybywa też stale przedsiębiorstw produkcyjnych zainteresowanych wytwarzaniem addytywnym, na etapie przygotowywania prototypów i w produkcji. Wśród nich są firmy rozpoznawalne na całym świecie, m.in. General Electric, Boeing, który tą metodą już produkuje części wyposażenia swoich samolotów, komercyjnych i wojskowych, oraz Ford.

Najczęściej z druku 3D korzysta się w przemyśle motoryzacyjnym oraz lotniczym. Ważnym segmentem tego rynku jest też elektronika użytkowa oraz branża medyczna. W tej ostatniej wytwarzanie addytywne znajduje zastosowanie głównie w produkcji implantów, na przykład dentystycznych.

Jak?

Do grupy technik wytwarzania addytywnego zalicza się szereg różnych technologii. Przykładowe z nich to: FDM (Fused Deposition Modeling), w której obiekt powstaje przez nanoszenie kolejnych warstw stopionego materiału, SLS (Selective Laser Sintering), która polega na spiekaniu proszków materiału za pomocą wiązki lasera i EBM (Electron Beam Melting), w której w tym celu używa się wiązki elektronów.

Obecnie najpopularniejszym materiałem w druku 3D jest ABS. Coraz częściej tą metodą produkuje się również detale z metali. Drukarki to umożliwiające są jednak droższe, w porównaniu z tymi, które wytwarzają elementy z tworzyw sztucznych.

Gdzie?

Według Markets and Markets wartość globalnego rynku rozwiązań dla wytwarzania addytywnego w 2020 roku przekroczy 8 mld dol. Na pozycję lidera będzie się na nim stopniowo przesuwać Europa, która za sześć lat ostatecznie zastąpi na tym miejscu Ameryki. Lokalnie, na przykład w regionie Azji i Pacyfiku, dominuje obecnie Japonia, przede wszystkim dzięki korzystnym uregulowaniom obowiązującym w tym kraju w zakresie produkcji oraz sprzedaży profesjonalnych drukarek 3D. Największym jej konkurentem są Chiny, które wdrażając druk przestrzenny w produkcji, chcą ograniczyć rosnące koszty pracy.

STRATEGIA PRZYSZŁOŚCI: LOKALNIE I WEDŁUG POTRZEB

Koszty magazynowania podzespołów, części zamiennych oraz gotowych produktów są znaczne i nierzadko przewyższają zysk z ich sprzedaży, szczególnie w wypadku drobnych, ale niezbędnych elementów, rzadko wymienianych części oraz wyrobów, na które jest mały popyt. Z drugiej strony od ich dostępności w odpowiedniej liczbie oraz czasu, przez jaki klient musi oczekiwać na dostawę, zależy reputacja producenta. Równowaga między właściwym stanem magazynów a kosztami jego utrzymania jest więc celem nadrzędnym każdej firmy.

W jego realizacji pomocna jest możliwość produkcji na żądanie. Niestety, w obrębie "zwykłych", zwłaszcza rozbudowanych linii produkcyjnych trudno ją zrealizować. Każde ich zatrzymanie i ponowne uruchomienie powinno być bowiem uzasadnione, m.in. ze względu na związane z tym koszty energii i surowców, zaangażowanie personelu lub możliwości eksploatacyjne sprzętu. To ograniczenie nie dotyczy drukarek 3D.

Dzięki nim magazyn może być całkowicie wirtualny, tzn. mieć postać bazy danych komputerowych modeli detali wytwarzanych na zamówienie oraz wyłącznie adekwatnie do potrzeb. Jeżeli ponadto produkcja na żądanie będzie realizowana lokalnie, na przykład już u dystrybutora, zmniejszą się także koszty transportu, a czas oczekiwania na dostawę będzie krótszy.

Maciej Cader

PIAP

Kim są typowi odbiorcy drukarek 3D? Co zmieniają te urządzenia ?

Uogólniając można powiedzieć, że użytkownikami drukarek 3D są twórcy rozwiązań - ludzie, których zadaniem jest wdrażanie koncepcji, pomysłów, produktów oraz idei. W zależności od branży, działu firmy lub gałęzi przemysłu będą nimi: inżynierowe, projektanci, pracownicy branży reklamowej, artyści, itp.

Bardzo ważne aby pamiętać, że drukarka 3D lub centrum wytwórcze technologii przyrostowych nie jest przeznaczone dla wybranej branży, a w następstwie - do wytwarzania określonych produktów. Jest natomiast urządzeniem, dzięki któremu szerokorozumiany proces tworzenia uległ znacznemu przyspieszeniu - szczególnie na etapach projektowania, testów i badań, wytwarzania modeli oraz prototypów, jak również prezentacji rozwiązań.

Jakie są najbardziej popularne technologie wytwarzania addytywnego?

Gdyby spojrzeć na rynek usług i dostawców, to zdecydowanie prym wiedzie technologia FDM (Fused Deposition Modeling). Potwierdzają to dane statystyczne, według których aż 40% globalnego rynku urządzeń do druku 3D to właśnie FDM, natomiast pozostałe 60% to aż 16 innych technologii.

Ze względu na dynamiczny rozwój omawianej tematyki można zaobserwować wielki postęp w technologiach związanych z tworzywami sztucznymi w dziedzinie materiałów - wydruki z nylonu, z materiałów elektrostatycznych czy rozpuszczalne w roztworach wodnych materiały podporowe. W dziedzinie maszyn nowościami są - wydruki matrycowe z kilku materiałów, przyspieszenie procesu wytwarzania czy maszyny dedykowane do małoseryjnej produkcji elementów użytku codziennego.

Postęp wcale nie zwalnia w aspektach związanych z wydrukami z proszków metali. Tu dotyczy to aplikacji takich jak przykładowo: protezy i endoprotezy, skafoldy, części maszyn - np. obudowy wtryskiwaczy silników rakietowych, formy wtryskowe z kanałami chłodzącymi prowadzonymi wzdłuż ścian formy oraz biżuteria.

Jakie są problemy związane z produkcją przyrostową?

Problemów i zagadnień do rozwiązania jest jeszcze tyle, że ciężko wymienić te najważniejsze. Trzymając się jednak technologii wydruku z tworzyw sztucznych oraz proszków metali, można wskazać chociażby: delaminację, skurcz wynikający z wystudzania modeli i stosunkowo dużą higroskopijność materiałów surowych (nieprzetworzonych).

W aspektach związanych z maszynami są to przede wszystkim zapewnianie odpowiednich warunków klimatycznych w komorach - w przypadku tworzyw sztucznych, lub wysokiej próżni, jak to ma miejsce w przypadku procesu druku z proszków tytanowych. Jest również wiele problemów związanych z generowaniem struktur wspierających modele podczas procesu wytwarzania oraz samego przygotowania do wydruku geometrii bazowej.

Podsumowując - własna drukarka czy usługi? Co się opłaca bardziej i komu?

Decyzja, czy zakupić drukarkę 3D, czy zlecać usługi na zewnątrz, zależy przede wszystkich od wielkości budżetu oraz możliwości intelektualnych zespołu osób. Okazuje się bowiem, że producent bogaty, ale bez odpowiedniej wiedzy jak zaprojektować model, przygotować proces oraz wykonać obróbkę po procesową, będzie miał takie same problemy, jak biedny, który ma tę wiedzę. Dzieje się tak, ponieważ technologia druku 3D wymaga "niestety" wiedzy i umiejętności takich jak zaprojektowanie części pod wydruk, a przy tym samo drukowanie nie jest jeszcze takie tanie. Czy zlecać wydruk? Tak... pod warunkiem, że po drugiej stronie stoi kompetentny zespół z dostępem do wachlarza maszyn i technologii.

RÓŻNORODNOŚĆ ZAMIAST ILOŚCI

Druk przestrzenny być może zapoczątkuje odejście od jednolitej produkcji masowej na rzecz jej urozmaicenia. Aby nadal zaspokajać potrzeby rynku, należy bowiem wydłużyć czas życia wyrobu, w czym pomocne będzie właśnie wytwarzanie części zapasowych na miejscu, tzn. w serwisie oraz na zamówienie, czyli już po oddaniu sprzętu do naprawy. Różnorodność asortymentu, zgodnie z koncepcją długiego ogona (long tail), zapewni producentom większe zyski, natomiast dłuższa żywotność, szczególnie w przypadku urządzeń elektroniki użytkowej, ograniczy liczbę elektrośmieci.

Niezależnie od tego, czy przewidywania te się sprawdzą, producenci drukarek 3D już odczuwają wymierne korzyści wynikające z popularyzacji tej techniki produkcji. Dotyczy to również polskich przedsiębiorców. Przykładem jest olsztyński Zortrax, o którym zrobiło się głośno na początku 2014 roku, kiedy podpisał kontrakt na dostarczenie 5 tys. sztuk drukarek przestrzennych typu M200 dla producenta komputerów, firmy Dell. Zdaniem analityków producenci drukarek przestrzennych, dostawcy materiałów używanych w tej technice i firmy świadczące usługi powiązane z Europy mogą się też spodziewać kolejnych intratnych kontraktów.

Monika Jaworowska