3D tisk v dobách koronaviru

Současná pandemie koronaviru posiluje možnosti využití 3D tiskáren. Lze na nich vytisknout širokou škálu pomůcek, které mohou záchranářům a lékařům pomoci, například ochranné štíty. Oblast využití 3D tiskáren se tak neustále rozšiřuje, ať už jde o kloubní náhrady nebo zubní implantáty podle potřeb pacienta, náhradní díly pro auta, stroje či originální designové výrobky. Česká manažerská asociace proto pro vás připravila článek na téma : Co by manažeři českých firem měli vědět o aditivní výrobě (3D tisku). Text připravil MgA. Adam Řehák, aplikační inženýr ve společnosti 3Dees Industries.

Aditivní výroba postupně více a více proniká do výrobních a vývojových procesů velké škály firem a odvětví. Tyto technologie umožňují vyrábět dříve nemyslitelné produkty. Mít povědomí o tom co tyto technologie nabízejí vám může pomoci udržet krok s konkurencí anebo vytvářet úplně nové příležitosti. V tomto krátkém článku vám nastíním, co aditivní výroba nabízí, v jakých oblastech najde největší uplatnění a jaké jsou její klady ale i nedostatky. Také se podíváme na to, jak ve vaší firmě nejlépe rozpoznat příležitosti pro využití aditivní výroby a kde případně získat více informací.

Když v České republice někdo řekne slovo 3D tisk, skoro každému se vybaví slavné jméno Josef Průša. Jeho stolní tiskárny se ve velkém prodávají po celém světě a těší se velké oblibě i chvále. Myslím si, že 3D tiskárny samy o sobě hezky ladí s naší českou kutilskou povahou, a proto v Čechách najdete velké množství nadšenců do tohoto odvětví. Nicméně úspěch pana Průši má, (řečeno s nadsázkou), i trochu svou stinnou stránku. V očích mnoha lidí je 3D tisk mentálně spojován pouze s oněmi malými stolními tiskárnami. Ale chybí povědomí o průmyslových technologiích 3D tisku, které jsou již dnes posunuty na úroveň plnohodnotných výrobních zařízení. Pro tyto zařízení se ujal pojem aditivní technologie. A právě těmto technologiím se budeme převážně věnovat.

 

Jaké jsou nejrozšířenější aditivní technologie?

Abyste byli schopni posoudit, zda vám aditivní výroba může něco přinést, neobejdeme se bez krátkého přehledu nejrozšířenějších aditivních technologií:

FDM (Fused deposition modeling) nebo FFF (Fused filament fabrication) – do této kategorie spadají i už zmíněné Průšovi tiskárny (označované jako Prusa i3). Jde o tisk z plastového filamentu (drátu), který se natavuje tryskou a nanáší ve vrstvách na sebe. Tyto tiskárny jsou ze všech aditivních technologií uživatelsky i provozně nejjednodušší. Vstupní materiály jsou poměrně levné. Nevýhodou je horší mechanická odolnost výtisků oproti například plastovým dílům vstřikovaným do forem. Výtisky z těchto tiskáren také mají takzvaný vrstevnicovitý povrch, daný právě tím, že výrobek vzniká nanášením vrstev materiálu na sebe.

SLA – (Stereolitografie) a Polyjet – tyto technologie vytváří výrobky pomocí fotopolymerní pryskyřice, která je vrstvu po vrstvě vytvrzována laserovým paprskem nebo UV zářením. Tyto technologie nabízejí různou škálu materiálu, ale většina z nich se hodí spíše jen pro prototypy. Nalezneme mezi nimi ale i čiré a nebo vysoce flexibilní materiál. Kvalita povrchu a míra detailu je nejlepší ze všech technologií 3D tisku.

SLS (Selective laser sintering) a HP Jet Fusion – Jde o v současné době nejpopulárnější technologie využívané pro sériovou výrobu plastových dílů. Obě tyto technologie pracují na principu spékání plastového prášku (většinou polyamidového). Výtisky mají velmi dobré mechanické vlastnosti a hezký povrch. Tyto technologie jsou také velmi rychlé a jsou schopné vyhotovit velké množství dílů za krátkou dobu. Tyto technologie jsou samy o sobě poměrně nákladná zařízení, ale na trhu je velké množství subjektů, které nabízejí tisk na zakázku.

Kovové tiskárny – sem spadají tiskárny typu SLM (Selective laser melting), DMLS – (Direct metal laser sintering) a další jiné. Pracují na principu spékání velmi jemného kovového prášku pomocí laseru. Škála tisknutelných kovů je velmi široká, od nerezové a konstrukční oceli po titan a hliník. Hlavní uplatnění tyto technologie nacházejí hlavně v letectví a v medicíně. Pro běžné strojní aplikace jsou většinou příliš nákladné, ale na druhou stranu nabízejí možnost vyrábět tvarově velmi složité prvky, které třeba nejdou klasicky obrábět nebo odlévat.

 

Kde aditivní výroba pomáhá nejvíce?

Obecně se dá říci, že aditivní výroba najde uplatnění především všude tam, kde je potřeba vyrábět tvarově velice komplikované objekty, především menších rozměrů. (Pro lepší představu, objekty, co se rozměrově vejdou do dlaně, případně do krabice od bot). A dále všude tam, kde je každý výrobek v podstatě originál, anebo je něčím tvarově specifický. Ale není to vždy pravidlo, často se vyplatí vyrábět pomocí aditivních technologií i menší série stejných dílů v řádech stovek nebo nižších tisíců kusů.

Velmi dobrým příkladem odvětví, které se díky aditivní výrobě kompletně přetransformovalo je výroba naslouchátek. Dříve proces výroby zahrnoval vytvoření odlitku ucha, následné manuální vytvoření formy naslouchátka, odlití a ruční tvorbu děr a kanálků. Dnes převládá výroby pomocí aditivních technologií. Tvar ucha se získá buďto naskenováním ušního kanálku pomocí 3D skeneru, případně skenem tvarového odlitku. Na základě skenu se vytvoří přesný počítačový 3D model skořepiny sluchátka, který se vytiskne většinou na SLA nebo Polyjet technologiích. Jde o tisk z fotopolymerních pryskyřic, které ve výsledku vypadají jako průsvitný plast. Skořepiny se pouze osadí elektronikou a naslouchátko je hotovo.

Podobným odvětvím, které se vlivem aditivních technologií rapidně transformuje je výroba ortopedických vložek. Vložky vznikají přímo na míru klientovi na základě 3D skenu chodidla. Na základě skenu se pak softwarově vypočítá nejlepší korekce tvaru chodidla a vygeneruje se 3D model vložky. Ta se pak vytiskne většinou na technologii HP Jet Fusion, anebo SLS z materiálu polyamid 11.

Nemusí jít ale vždy jen o výrobky na míru, aditivní technologie nahrazují konvenční výrobu například u krytování různých malých senzorů, čidel a elektroniky. Dále pak také aditivní výroba nachází velké uplatnění ve výrobě přípravků pro výrobu a kompletaci. Pro tyto aplikace je typické, že objekt, který chceme vyrobit, je tvarově velmi složitý a konvenční technologie mají problém jej vyhotovit. (U plastových dílů se většinou používá výroby na vstřikolisech. Je tedy nutno aby tvar výrobku bylo možné zaformovat a následně ho z formy vyndat. Řeší se tedy pokusy, formovatelnost atd. což klade značné omezení na tvar výrobku).

 

Jak se liší aditivní výroba oproti konvenčním metodám?

Především je dobré si uvědomit, že výroba pomocí 3D tisku je velmi přímočará. Jediné, co potřebujeme je mít 3D model výrobku a samotnou tiskárnu. Před tiskem není potřeba složitě počítat a nastavovat nástrojové trasy jako je tomu u CNC obrábění. Hlavním faktorem, který určuje cenu výtisků, je množství spotřebovaného materiálu a velikost prostoru, který díl v tiskárně zabírá (případně doba tisku).

U 3D tisku plastových dílů také nejsou nutné žádné investice do výroby forem, jako je tomu u vstřikování plastů. Vstřikovací formy se většinou pohybují v řádech stovek tisíc korun, jednotlivé vstříknutí výrobku jsou pak korunové nebo deseti korunové položky. Nicméně i pokud potřebujete vyhotovit například jen 50ks daného výrobků, je stejně nutné zaplatit celou výrobu formy. Navíc pak již není možné provádět zásadní změny na designu výrobku a zasahovat do hotové formy je často nemožné a musí se vytvořit forma nová. U 3D tisku můžete vyhotovit například jen 1-2 kusy, otestovat funkčnost a poté změnit design výrobku dle libosti. Takto se dá design výrobku rychle iterovat a až když jste s kvalitou spokojeni, můžete nechat vyhotovit například větší sérií 200ks.

Abychom ale na aditivní výrobu pouze jen nepěli chválu, má i své jisté limity. U 3D tisku je obecně problém dosahování vysokého lesku a naprosto hladkých povrchů. Rozměrové odchylky většiny aditivních technologií jsou okolo +- 0,1 – 0,2mm. Pokud tedy potřebujete vyrábět s přesností na 0,05mm tak počítejte s tím, že funkční plochy bude nutné na výtiscích doobrobit. A dále tím, že u 3D tisku cenu za díly vytváří především spotřeba materiálu, tak velké a objemné objekty vycházejí celkem draho. Přeci jen materiály pro aditivní technologie nejsou zas tak rozšířenou komoditou a jejich cena je zatím ještě poměrně vysoká.

 

Klíč k úspěchu drží konstruktéři a designéři

Pokud chcete jako firma také těžit z výhod aditivních technologií, měli byste dát možnost vašim konstruktérům/designérům se s těmito technologiemi více seznámit. Ve své praxi aplikačního inženýra si velmi často všímám, že úspěšné využití 3D tisku i ve velkých firmách je většinou zásluha pár nadšených konstruktérů. Tito lidé mají často velmi dobré povědomí o tom, jaké problémy a nedostatky je v práci trápí a jak by se chytrým návrhem daly vyřešit. Do teď možná neměli vhodné technologie jak tyto věci jednoduše a efektivně vyhotovit nebo otestovat. 3D tisk je ideálním nástrojem, který může značně povzbudit inovace v různých odvětvích a zvyšovat efektivitu. Pro konstruktéry je 3D tisk splněný sen. Konečně mohou své nápady realizovat bez zbytečných omezení a pokud mají 3D tiskárnu k dispozici přímo na pracovišti, mohou své nápady mít „v ruce“ zpravidla již druhý den. A čím komplexnější a složitější návrh vypracují, tím víc využívají potenciálu 3D tisku. Protože samotné 3D tiskárně je v podstatě jedno jak složitý výrobek vyrábí a neplatí zde, že komplikované a mnoha dílné objekty jsou dražší a složitější na výrobu.

Pokud chcete do této sféry více proniknout, tak bych určitě doporučoval navštívit například MSV v Brně, kde má 3D tisk vždy vyhrazený minimálně jeden pavilon. Koná se zde také přednáškový cyklus zaměřený pouze na 3D tisk. A pokud chcete mít opravdu špičkový přehled, tak doporučuji navštívit veletrh Formnext ve Frankfurtu. Jde o celoevropsky nejprestižnější veletrh aditivních technologií a všechny firmy které v tomto oboru něco znamenají zde vystavují. Pokud jste v poslední době zaslechli pojmy jako digitální továrny budoucnosti a Industry 4.0, tak právě na Formnextu se můžete na vlastní oči podívat, jak tato budoucnost vypadá.