Drukowanie przyrostowe

CO ODRÓŻNIA DRUK 3D OD METOD TRADYCYJNYCH?

Chodzi oczywiście o wytwarzanie addytywne, co popularnie określa się mianem druku 3D. Jest to metoda produkcji obiektów trójwymiarowych przez łączenie kolejnych warstw materiałów (metali, tworzyw sztucznych) w przedmioty na podstawie ich komputerowych modeli. Realizuje się ją na kilka sposobów.

Jednym z nich jest metoda FDM (Fused Deposition Modeling), w której obiekt powstaje w wyniku nanoszenia kolejnych warstw stopionego materiału. SLS (Selective Laser Sintering) polega z kolei na spiekaniu proszków materiałów za pomocą wiązki lasera. W EBM (Electron Beam Melting) w tym celu używa się natomiast wiązki elektronów.

Drukowanie przestrzenne ma wiele zalet. Najważniejsze z nich to:

łatwa personalizacja produkcji,
możliwość produkcji na żądanie,
łatwe przestrajanie drukarek (jedno urządzenie może mieć funkcjonalność wielu różnych linii produkcyjnych),
możliwość produkcji lżejszych elementów,
możliwość produkcji kompletnych podzespołów niewymagających montażu,
możliwość produkcji bardzo małych elementów (w skali nano),
efektywniejsze wykorzystanie surowców (mniej strat materiałów) w porównaniu do subtraktywnych metod wytwarzania,
możliwość produkcji lokalnie (u klienta, dystrybutora),
niska bariera wejścia.

Technologie wytwarzania addytywnego wciąż są doskonalone. Główne kierunki ich rozwoju to:

zwiększanie opłacalności drukowania w dużych ilościach,
rozszerzanie zakresu materiałów, z których można drukować,
drukowanie z wielu różnych materiałów tą samą drukarką,
drukowanie bardzo dużych obiektów,
polepszanie trwałości i jakości wyrobów drukowanych.

Sposób formowania obiektów metodą druku przestrzennego diametralnie różni się od technik tradycyjnych. Te ostatnie mają bowiem charakter subtraktywny, ponieważ etapami wytwarzania są takie operacje jak szlifowanie, kucie, gięcie, cięcie, spawanie, klejenie, a na koniec dopiero montaż. Do wad tego podejścia zalicza się straty materiałowe, do których dochodzi w wyniku inwazyjnych operacji. Ponadto każdą z nich wykonuje się narzędziami / maszynami wyspecjalizowanymi w danej czynności, o nastawach dopasowanych do konkretnego wyrobu.

Ograniczenia te druku przestrzennego nie dotyczą. Strat materiałów w jego przypadku w zasadzie nie ma, jedna drukarka może wyprodukować jeden po drugim, całkowicie różne produkty, nawet razem z ruchomymi elementami, których nie trzeba montować. W ramce podsumowujemy zalety druku przestrzennego i kierunki, w jakich może się rozwijać ta technologia w przyszłości.

Tytan - materiał przyszłości dzięki drukowi 3D

W przypadku niektórych materiałów drukowanie przestrzenne nie jest jedynie alternatywną metodą produkcji, lecz może okazać się tą jedyną, najlepszą, która w przyszłości zadecyduje o możliwości ich wykorzystania w produkcji. Przykładem jest tytan. Ma on liczne zalety: jest lekki, mocniejszy (ze względu na gęstość) od stali oraz odporniejszy na korozję niż stal nierdzewna. Dzięki takim cechom tytan mógłby się sprawdzić w licznych zastosowaniach, gdyby nie dwa bardzo poważne ograniczenia.

Pierwszym z nich jest wysoka cena (około 50 razy wyższa od ceny stali). Drugim ograniczeniem, które jest głównym powodem, przez który użycie tytanu sprowadza się obecnie tylko do niszowych zastosowań w przemyśle lotniczym, implantach medycznych i biżuterii, jest trudność jego obróbki. Tytan bowiem w czasie cięcia twardnieje, co przyspiesza zużycie narzędzi tnących. Oprócz tego podczas spawania łatwo się zanieczyszcza, co z kolei wpływa na osłabienie spawów.

Dzięki temu, że za pomocą drukarek przestrzennych można produkować całe komponenty, których nie trzeba rozcinać, na znaczeniu traci pierwsze ograniczenie. Jeżeli z kolei z czasem technologia wytwarzania addytywnego rozwinie się na tyle, że będzie można produkować coraz większe elementy, nie będzie potrzeby ich spawania.

JAKI JEST POTENCJAŁ DRUKU 3D?

Drukowanie przestrzenne nie jest nową metodą, zostało bowiem wynalezione już ponad 30 lat temu. Dopiero jednak niedawno udało się skomercjalizować drukarki 3D. To sprawiło, że zrobiło się o nich głośno, przede wszystkim dzięki konstruktorom- amatorom, którzy zyskali narzędzie na miarę swoich możliwości finansowych, pozwalające na realizację ich projektów.

Wytwarzanie addytywne może znaleźć wiele różnych zastosowań także w przemyśle. Jednym z nich jest szybsze oraz tańsze budowanie prototypów, bez konieczności uruchamiania w tym celu całego procesu produkcyjnego.

Drukarki przestrzenne można również wykorzystać w produkcji, w której priorytetem jest jej elastyczność. Ich przeprogramowanie polega bowiem w zasadzie wyłącznie na wprowadzeniu nowego modelu cyfrowego, jest więc prostsze, szybsze oraz tańsze niż częste przestrajanie całej linii produkcyjnej.

Case study: Druk 3D

Wytwarzanie addytywne popularyzuje się w wielu branżach. Jedną z nich jest branża lotnicza. Na przykład firma Boeing w swoich samolotach zamontowała już ponad 20 tysięcy komponentów wyprodukowanych w drukarkach 3D. Tą metodą m.in. wytworzono jeden z elementów systemu wentylacji w samolotach. Ze względu na skomplikowaną budowę tradycyjnie był on składany z około 20 części, jednak wykorzystując drukarkę przestrzenną, udało się go wyprodukować jako jeden element w całości. Dzięki temu ważył mniej, nie zajmował tyle miejsca w magazynie i nie wymagał montażu.

Elementy wydrukowane są zwykle lżejsze od tych wytwarzanych tradycyjnymi metodami. Wykorzystało to m.in. BMW. Konstruktorzy tej firmy za pomocą drukarek przestrzennych wyprodukowali ergonomiczne, lżejsze wersje narzędzi, z których korzystają pracownicy w jej zakładach.

Dzięki temu udało się zmniejszyć ich wagę o ponad kilogram. Może się to wydawać niedużą wartością, jednak biorąc pod uwagę to, że personel w ciągu jednej zmiany posługuje się tymi narzędziami setki razy, odciążenie go nawet tylko o tyle robi znaczną różnicę. Oprócz tego lżejszymi narzędziami wygodniej się manipuluje.

Dzięki temu z czasem będzie możliwe świadczenie usługi produkcji na żądanie. Klienci będą wówczas sami modyfikować cyfrowy model zamawianego produktu lub zlecać wykonawcy wprowadzenie konkretnych zmian. Dzięki temu gotowy produkt będzie spersonalizowany i unikalny.

Produkcja na żądanie zrewolucjonizuje także magazynowanie i logistykę. Dzięki drukarkom 3D magazyny staną się wirtualne, czyli będą mieć formę bazy danych komputerowych modeli detali, które będą wytwarzane wyłącznie na zamówienie. Jeżeli dodatkowo będą drukowane lokalnie, u dystrybutora, zmaleją koszty transportu oraz skróci się czas oczekiwania na dostawę. Szerzej druk 3D i jego obecne oraz przyszłe zastosowania omówimy w temacie numeru w następnym numerze APA.