Rozwój technologii druku 3D powoduje, że jest ona coraz bardziej zaawansowana i coraz bardziej dostępna dla różnych branż. Zasadniczy krok naprzód w obszarze aplikacji dla produkcji przyrostowej poczyniły: przemysł samochodowy, lotniczy i medyczny, zaś sam druk 3D rozwija się również jako element edukacji inżynierskiej.
Na Międzynarodowych Targach Technologii Produkcji (IMTS) w Chicago w 2014 r. z części wykonanych za pomocą druku 3D stworzono samochód. Wzbudziło to duże zainteresowanie uczestników imprezy – zaintrygowały ich nie tylko końcowy rezultat, ale też zastosowane maszyny i technologie sterowania ruchem oraz umożliwiający to wszystko postęp w obszarze materiałoznawstwa. Sam pojazd wykonano z polimeru wzmocnionego włóknem węglowym, zaś koła i kołpaki wydrukowano przy zastosowaniu technologii bezpośredniej obróbki metalu.
Proces „wydrukowania” tego auta trwał 44 godziny i objął czterdzieści części. Po jego zakończeniu przeprowadzono jazdę próbną, szeroko komentowaną przez wielu dziennikarzy.
Od tego czasu drukowanie 3D, albo produkcja przyrostowa (addytywna), znalazło się już w centrum uwagi środowisk przemysłowych – postęp technologiczny i ulepszenia w tej dziedzinie przyciągają uwagę projektantów, producentów i szkół technicznych.
Mikrofabryki samochodów
Na wspomnianych targach do stworzenia samochodu metodą druku 3D wykorzystano system produkcji addytywnej na dużym obszarze (Big Area Additive Manufacturing – BAAM), zaproponowany przez firmę Cincinnati Inc. Jego cechą jest wykorzystywanie przestrzeni roboczej o maksymalnych wymiarach 2,4 × 6 × 2 m oraz maszyny do produkcji przyrostowej, z zastosowaniem jako podstawy ramy montażowej, napędów i układów sterujących systemami cięcia laserowego. BAAM jest napędzany silnikiem liniowym. Warstwa po warstwie wytłacza się gorące tworzywo termoplastyczne, produkując części z prędkościami od 200 do 500 razy większymi niż te zapewniane przez wiele maszyn do produkcji addytywnej.
Być może w przyszłości powszechne staną się mikrofabryki branży automotive, wytwarzające w technologii druku 3D samochody mogące jeździć po zwykłych drogach i autostradach, wysokiej klasy auta terenowo-użytkowe (SUV) oraz małe pojazdy miejskie. Jedna z firm, która zakupiła system BAAM, planuje otwarcie w ciągu następnych dziesięciu lat stu tego rodzaju mikrozakładów na całym świecie. Produkcja będzie odbywała się w fabrykach o powierzchni ok. 3500 m2, z których każdy będzie w stanie osiągnąć wydajność na poziomie do 250 pojazdów rocznie. Klienci będą je odwiedzać, aby projektować swoje samochody, składać zamówienie i dokonywać wpłaty.
3D w przemyśle lotniczym i medycznym
Zgodnie z raportem agencji analitycznej IDTechEx, drukowanie 3D w metalu jest najszybciej rozwijającym się segmentem w przemyśle. Według zaprezentowanych danych wartość sprzedaży wzrosła w tej branży aż o 50%, zaś sprzedaż materiałów o 30%. Gałęzie przemysłowe wytwarzające drogie produkty w małych ilościach – zwłaszcza takie, jak przemysł lotniczy i medyczny – wykorzystują obecnie zalety technologii drukowania 3D ze względu na dużą szybkość produkcji. Obydwie te branże inwestują w wytwarzanie stopów takich metali, jak kobalt, nikiel i aluminium, aby zapewnić różnorodność i wielofunkcyjność wyrobów.
Niedawno dwie firmy z branży lotniczej, tworzące konsorcjum CFM International – amerykańska GE Aviation i francuska Safran Aircraft Engines (Snecma) – opracowały silnik LEAP-1A dla europejskiego konsorcjum Airbus. Jest to model turbowentylatorowy, wykorzystujący dysze wyprodukowane w technologii druku 3D z nadstopu oraz budowane od podstaw łopaty wentylatorów, wyplatane z kompozytów węglowych. W silniku znajdują się także elementy wykonane z lekkich i odpornych na wysoką temperaturę kompozytów z matrycą ceramiczną (CMC). Wynikiem tych prac i zastosowanych technologii jest model zużywający mniej paliwa i o znacząco zredukowanej emisji dwutlenku węgla.
W przemyśle medycznym drukowanie 3D wykorzystuje się w aplikacjach statycznych, takich jak produkcja implantów ortopedycznych. Technologia 3D jest ponadto stosowana do tworzenia modeli zębów, kości, złożonych struktur organizmu, a nawet ludzkiego serca. Modele te są przeznaczone do pomocy lekarzom przy skomplikowanych zabiegach, zapewniając im taki obraz, jaki nie jest dostępny poprzez skan tomografii komputerowej. Są ponadto użyteczne w edukacji, oferując lekarzom coś „namacalnego”, z czym mogą pracować i eksperymentować, zamiast obcowania tylko z abstrakcyjnymi pojęciami i wizualizacjami.
Zainteresowanie branży przemysłowej
Ponieważ drukowanie 3D staje się coraz bardziej opłacalne, rośnie zainteresowanie producentów potencjalnymi korzyściami wynikającymi z zastosowania tej technologii.
Przykładowo, firmy Siemens i Hewlett Packard poszukują rozwiązań technologicznych, które pozwolą na łatwe przejście od etapu wykonywania prototypów i modeli, do pełnego, komercyjnego wykorzystania 3D w produkcji – tworzenia funkcjonalnych części, wytwarzanych z wielu materiałów, w różnych kolorach. Ich celem jest opracowanie metod sterowania wydrukiem, obejmujących również charakterystykę wykorzystywanych materiałów, pozwalających na kształtowanie pojedynczych wokseli (ang. voxel, odpowiednik piksela w przestrzeni 3D).
– Technologia produkcji przyrostowej spowoduje rewolucję przemysłową w branży produkcyjnej, pozwalając firmom na wykorzystanie drukowania 3D do rozwinięcia maksymalnej kreatywności i innowacji w proponowaniu coraz to lepszych wyrobów – powiedział Chuck Grindstaff, prezes i dyrektor naczelny firmy Siemens PLM Software.
Firma Sciaky Inc, należąca do korporacji Phillips Service Industries (PSI), opracowała metodę IRISS, czyli międzywarstwowy system obrazowania i wykrywania w czasie rzeczywistym (Interlayer Real-time Imaging and Sensing System) – do drukowania 3D w metalu. Przeznaczeniem IRISS jest ciągłe sterowanie procesem drukowania 3D elementów metalowych na dużą skalę, przy zachowaniu odpowiedniej geometrii i właściwości mechanicznych produkowanych części oraz mikrostruktury i składu chemicznego użytych metali. W technologii tej monitorowany jest w czasie rzeczywistym proces nakładania warstw metalu oraz wykonywane są korekty parametrów procesu technologicznego, aby skompensować zmiany w trakcie produkcji. Systemy EBAM firmy Sciaky są przeznaczone do produkcji części o długości od 203 mm do blisko 6 m, z możliwością modyfikacji tych wymiarów, w zależności od przeznaczenia części.
Robot do celów edukacyjnych
Wyobraźmy sobie robota, który umie grać np. w „Simon Says” (grę dla dzieci), odpowiada na rozkazy, a nawet robi sobie selfie. Właśnie tego rodzaju maszynę pokazano w ub. roku w Centrum i Muzeum Nauki, czyli Liberty Science Center (LSC), w Jersey (stan New Jersey, USA). Interaktywny robot SARA (Stevens Artistic Robot Animatron) potrafi to wszystko i nawet więcej. Może przemieszczać się, obracać, podnosić różne przedmioty oraz poruszać palcami. Wyposażono go w górną część naśladującą wygląd ciała człowieka, wydrukowaną w technologii 3D. Stworzyli go studenci prywatnej wyższej szkoły technicznej Stevens Institute of Technology w Hoboken (stan New Jersey).
– Wielu z naszych gości to gimnazjaliści i licealiści, niewiele młodsi od studentów uczelni Stevensa – zauważa prezes i dyrektor naczelny LSC, Paul Hoffman. – Obserwowanie, jak inspirujące były dla nich spotkania z projektantami robota, dzielącymi się wynikami swojej pracy, było dla nas niesamowite.
W stworzeniu robota SARA korzystano z projektowania wspomaganego komputerowo (CAD), w oparciu o prace francuskiego projektanta Gaela Langevina i jego otwartego projektu InMoov. Około stu komponentów – w tym stawy, kości i inne części mechaniczne – wydrukowano z polichlorku winylu (PVC).
– Mamy nadzieję, że pomysłowość projektantów tej maszyny zainspiruje część młodych ludzi do zainteresowania się nauką i techniką – przyznał dyrektor laboratorium produkcji obiektów prototypowych na uczelni Stevensa, prof. Kishore Pochiraju, koordynujący ekspozycję w Liberty Science Center. – Może przyczyni się do tego, że ich dalsza edukacja i kariera zawodowa pójdą w tym właśnie kierunku.
Przyszłość 3D
Przed nami dalszy postęp dotyczący technologii druku 3D i bazującej na nim produkcji przyrostowej. Biorąc pod uwagę najnowsze inwestycje i uwagę, jaką wiele firm poświęca tej technologii – zarówno na poziomie przemysłowym, jak i edukacyjnym, można być pewnym postępu w dziedzinie wytwarzania części metodą druku 3D. Czekają nas zapewne efektowne pokazy produkcji przyrostowej – być może również następnych modeli samochodów lub innych środków transportu. Jakie będą kolejne kroki w rozwoju technologii, która zawiera w sobie duży potencjał zmiany procesów produkcji?
Autor: Chris Vavra jest redaktorem pracującym dla CFE Media.
