Druk 3D w przemyśle

Drukarka 3D umożliwia prototypowanie

Wdrażanie produkcji addytywnej mogłoby odbywać się jeszcze szybciej, gdyby nie uprzedzenia przedsiębiorców, zwłaszcza w zakresie prototypowania. Prototyp to pierwszy model urządzenia zaprojektowany po to, by zademonstrować jego właściwości. Proces pozwala zbadać potencjał drzemiący w projekcie, odkrycie jego wpływu np. na produkcję i uniknięcie błędów przez wprowadzenie korekt już na tym etapie. Prototyp pozwala także sprawdzić, czy na przykład na konkretny model lampy będzie zapotrzebowanie.

Stworzenie modelu prototypowego ma sporo zalet, a są nimi głównie:

• łatwość wprowadzania zmian w projekcie,
• otwiera producenta na potrzeby konsumenta,
• redukuje koszty,
• pozwala zaprezentować się klientowi,
• pozwala rozpocząć i zorganizować szkolenie obsługi urządzenia.
   

Druk 3D daje bardzo dużo możliwości w zakresie prototypowania, ale mali i średni producenci nie zawsze uznają tego typu inwestycje za opłacalne. Tego typu zachowawcze podejście może wynikać z uprzedzeń połączonych z brakiem wiedzy zarówno technicznej, jak i ekonomicznej.

Pandemia przyspieszyła rozwój druku 3D.

Drukarka 3D najczęściej kojarzy się z przemysłem medycznym, motoryzacyjnym lub lotniczym. W rzeczywistości ma o wiele więcej zastosowań. Na przykład w kolejnictwie używanie drukarek 3D do produkcji nowych części i prototypów pomaga zaspokoić oczekiwania pasażerów.

Przemysłowy druk 3D rozwinął się wraz z czwartą rewolucją przemysłową – rewolucją 4.0. To nowoczesny, dynamicznie rozwijający się przemysł, który łączy pracę robotów produkcyjnych z ludzką. Wiąże się to z digitalizacją produkcji, czyli połączeniem systemów i urządzeń z internetem. Rewolucja przemysłowa 4.0 ma prowadzić do powstania tzw. inteligentnych fabryk stawiających na innowacyjne metody organizacji produkcji – systemy cyber-fizyczne. Spowoduje to:

• uelastycznienie i spersonalizowanie produkcji,
• zredukowanie udziału pracowników w procesie produkcyjnym,
• zastąpienie tradycyjnych linii produkcyjnych i taśm montażowych wózkami transportowymi,
• użycie innowacyjnych chipów przechowujących i przekazujących informacje metodą fal radiowych,
• zastosowanie nowych technologii – analizy Big Data, sztucznej inteligencji, chmur obliczeniowych oraz nowoczesnego druku 3D.
   

Zastosowanie druku 3D w nowoczesnym przemyśle jest pewne. Dzięki zaawansowanym technologiom będzie można szybciej i lepiej:

• projektować prototypy,
• projektować konstrukcji,
• tworzyć produkty końcowe,
• modelować.
   

Dzięki takim rozwiązaniom można dużo szybciej wprowadzić produkt na rynek i zmniejszyć koszty jego produkcji. To sugeruje, że przemysłowe drukarki 3D będą stawać się coraz popularniejsze. W praktyce oznacza to:

• zmniejszenie liczby magazynów,
• zwiększenie produkcji tzw. druku 3D na żądanie,
• certyfikowanie materiałów i używanych technologii,
• personalizację, czyli dane części produkcyjne będą spełniać wymagania charakterystyczne dla danej branży; będą też wyjątkowo precyzyjne,
• przechodzenie na produkcję addytywną polegającą na wytwarzaniu elementów trójwymiarowych i bazujących na modelach komputerowych.
   

Drukarki 3D – jak działają?

Przemysłowy druk 3D budzi wiele kontrowersji, ponieważ często utożsamiamy go z tradycyjnym drukiem papierowym. Tymczasem drukarka 3D, jak sama nazwa wskazuje, może drukować trójwymiarowe obiekty według wirtualnych szablonów. Szablony tworzymy samodzielnie albo ściągamy je z internetu. Drukowanie polega na nałożeniu na siebie dwóch warstw materiału, na przykład:

• polieteroimidu – tworzywa termoplastycznego wyróżniającego się sztywnością, wytrzymałością mechaniczną i odpornością na wysokie temperatury,
• polieteroeteroketonu i polieteroketonketonu – tworzyw również sztywnych, wytrzymałych i odpornych na wysoką temperaturę oraz na działanie chemikaliów. Polieteroketonketon wolniej ulega krystalizacji,
• nylonu z włóknem węglowym – wzmacnia tworzywa sztuczne i daje im wyższą odporność na uszkodzenia mechaniczne czy do drukowania żywności 3D,
• nanocelulozy – swoistego błonnika służącego do drukowania dietetycznej żywności.
   

Dzięki drukarce 3D można uniknąć marnowania materiału, ponieważ nie usuwa się go, ale nakładany warstwami.

Przemysłowy druk 3D rozwinął się pod wpływem rozwoju pandemii COVID-19. Ta “zaraza XXI wieku” spowodowała bowiem zwiększenie popytu na materiały o wyższych parametrach i produkowane w większych ilościach.

Rozwój pandemii zdemaskował też słabe strony logistyki i transportu gotowych wyrobów z punktu produkcji do punktu konsumpcji. Okazało się po prostu, że wiele produktów, głównie higienicznych, nie jest w stanie spełnić oczekiwań klienta. Warto też dodać, że rozwój pandemii wpłynął na wzrost ogólnego zainteresowania usługami medycznymi i zdrowym trybem życia.

Drukarki 3D przemysłowe – na czym dokładnie polega ich działanie?

Jak już zauważyliśmy, drukarka 3D przemysłowa pozwala produkować komponenty o dowolnych kształtach dzięki warstwowemu dodawaniu materiału budulcowego. W odróżnieniu od standardowej technologii obróbki CNC materiał jest dodawany, a nie obrabiany, co eliminuje straty. Kolejną zaletą druku 3D jest możliwość jego wykorzystywania w wielu branżach i gałęziach przemysłu. Dlatego drukarki przemysłowe coraz częściej są używane w różnych branżach takich jak:

• motoryzacja – drukarka 3D jest tu wykorzystywana od produkcji prototypu aż po części zamienne, korzystając z jej wielu zastosowań można produkować zarówno komponenty lekkie, jak i wytrzymałe,
• kolejnictwo – tutaj wykorzystujemy drukarki przemysłowe do tworzenia prototypów, wymiany zużytych części, produkcji stałych elementów i nowych czy zamiennych. Pozwala to na przykład na poprawę ergonomii pojazdów szynowych czy spełnienie oczekiwań pasażerów,
• lotnictwo – drukarki 3D przemysłowe najczęściej są tu wykorzystywane do produkcji prototypów przed wejściem w seryjną produkcję. Metodą przyrostową 3D można również wyprodukować skomplikowane geometrycznie wkładki i wzorce stosowane do odlewania,
• odlewnictwo – tutaj również przyrostowa technologia jest wykorzystywana najczęściej do prototypowania,
• jubilerstwo – stosujemy druk 3D do efektownego zaprezentowania klientom modeli koncepcyjnych, a także do produkcji form i wkładek stosowanych w procesie odlewania tzw. sposobem wosku traconego. Precyzja drukarki 3D pozwala odwzorować każdy, nawet najmniejszy detal,
• medycyna i stomatologia – drukarka 3D przemysłowa pozwala stworzyć implanty, narzędzia chirurgiczne, modele anatomiczne do nauki, a nawet organy,
• edukacja – technologia 3D umożliwia wydrukowanie nowoczesnych pomocy naukowych. Ponadto już same przemysłowe drukarki 3D stymulują rozwój kreatywności u dzieci i młodzieży.
   

Rodzaje drukarek 3D – przemysłowe i desktopowe

Drukarki 3D przemysłowe nie są jedyną możliwością stworzenia tego typu wydruków. Istnieją również drukarki desktopowe (niskobudżetowe), czyli przeznaczone do użytku prywatnego. W tej chwili wiele osób zastanawia się, czy można kupić drukarkę, co widać, chociażby po hasłach wpisywanych w wyszukiwarkę Google – takich jak „drukarka 3D co można wydrukować”.

Główne różnice między obiema typami drukarek to:

• drukarki przemysłowe – drukują większe produkty, z metalu, i na większą skalę, także te ratujące życie. Są dokładniejsze, szczególnie te bazujące na technologii FDM, w której tolerancja błędu wynosi do 0,15%. Wyróżniają się też większą kontrolą parametrów podczas drukowania. Drukarki przemysłowe 3D do drukowania najczęściej wykorzystują tworzywa sztuczne: Ultem, PC i ABS. Rodzaj materiału jest dopasowywany do konkretnego zastosowania, przy uwzględnieniu np. jego elastyczności, biokompatybilności czy odporności na działanie środków chemicznych,
   
• drukarki desktopowe – drukują przedmioty przydatne w gospodarstwie domowym np. do rozrywki. Pod względem precyzyjności nie odstają od przemysłowych – margines błędu wynosi tutaj ok. 0,5 mm. Drukarki desktopowe w większości umożliwiają otrzymanie akceptowalnego poziomu jakości wydruku. Drukarka 3D desktopowa drukująca metodą FDM najczęściej wykorzystuje materiał PLA – biodegradowalny polimer z mączki kukurydzianej, wydajny i łatwy do wydruku. Nie trzeba jej tak często kalibrować i konserwować jak drukarki przemysłowej. Drukarka desktopowa jest dostosowana do drukowania powtarzalnych elementów. Dodajmy, że drukarki tego typu są też mniejsze.
   

Technologie w drukarkach 3D

Popularność produkcji addytywnej i druku 3D siłą rzeczy sprawia, że stajemy przed pytaniem, jaką drukarkę wybrać. Urządzeń pracujących w różnych technologiach jest na rynku sporo. Niżej przedstawiamy najczęściej wybierane przez firmy technologie:

• FFF lub FDM, czyli Fused Filament Fabrication albo Fused Deposition Modeling – najpowszechniejszy rodzaj druku 3D. Ta technologia polega na drukowaniu przez układanie kolejnych warstw przetapianego tworzywa. W czasie, kiedy kolejne warstwy się drukują, inne stygną i wiążą ze sobą. Technologia FFF jest wykorzystywana przy tworzeniu makiet architektonicznych i produktowych. Ma atrakcyjną cenę i jest stosunkowo szybka. Z kolei druk metodą FDM daje możliwość szybkiego wydrukowania prototypu po to, by sprawdzić jego dopasowanie.
   
• SLS, czyli Selective Laser Sintering – technologia polegająca na łączeniu materiału za pomocą wiązki lasera. Wykorzystujemy ją do drukowania poliamidów stosowanych do produkcji tworzyw sztucznych.
   
• SLA, czyli Stereolithography – technologia 3D, która bazuje na fotopolimeryzacji, czyli polimeryzacji monomerów, cząsteczek o niedużej masie, które w obecności fotoinicjatora i pod wpływem światła ultrafioletowego ulegają rozpadowi. Metoda polega na drukowaniu z zastosowaniem płynnej żywicy fotopolimerowej. Wiązka lasera ultrafioletowego utwardza docelowy materiał, tworząc pożądany kształt. Żywicę przechowuje się w wanience. W niej zanurza się roboczy stolik punktowo naświetlany laserem UV w miejscach, gdzie ma być wytworzony produkt. Naświetlanie jest powtarzane aż do powstania gotowego modelu. Następnie płucze się go alkoholem izopropylowym, by go utwardzić i oczyścić, a następnie naświetla się go, by nadać mu ostateczny kształt.
   
• DMLS, czyli Direct Metal Laser Sintering – jedna z zaawansowanych technologii. Bazuje na wykorzystaniu lasera o dużej mocy i pozwala produkować metalowe modele niewykonalne przy użyciu standardowych metod. W taki sposób drukuje się materiały medyczne lub przemysłowe. W jednym cyklu produkcyjnym można dzięki temu wydrukować nawet skomplikowane obiekty. Pozwala to zminimalizować koszty produkcji.
   

Drukarka 3D – co jeszcze można wydrukować?

Wróćmy jeszcze na koniec do tego, co ciekawego można wydrukować za pomocą drukarki 3D. Okazuje się, że praktycznie wszystko. Niżej kilka przykładów ciekawych i podręcznych wydruków:

• otwieracz do butelek,
• portfel,
• uchwyt na słuchawki,
• wizytówka,
• breloczek,
• klipsy wielofunkcyjne,
• drylownica do melona,
• praska do czosnku.
   

Z kolei artykuł Technologie mobilne w przemyśle może sugerować, że w przyszłości będziemy mogli wydrukować nawet… człowieka!