- Úvod
- Odborné články
- DATALAN Quality Instruments sro: Vyrobíte téměř cokoliv, bez forem a nástrojů
DATALAN Quality Instruments sro: Vyrobíte téměř cokoliv, bez forem a nástrojů
Mezi technologie, které si získávají stále více pozornosti, nepochybně patří aditivní výroba, jejíž známější marketingový název je 3D tisk. Zatím ji spíše najdeme na stolech domácích nadšenců, ale první úspěchy už má za sebou i v komerčním, průmyslovém prostředí.
O možnostiach a prínosoch tejto technológie, ako aj o tom, kedy je výhodné siahnuť po tomto spôsobe výroby, sme sa porozprávali s Mgr. Martinom Balogom, konateľom spoločnosti DATALAN Quality Instruments s.r.o.
Princípy a technologická stránka aditívnej výroby sú známe už viac ako tri desaťročia, keď sa začínalo s tzv. systémami rýchleho navrhovania (rapid-prototyping). Ako to, že sa tento typ výroby zatiaľ nepresadil vo väčšom meradle?
Nemyslím si, že by sa ešte nepresadil. Sú odvetvia, ako napríklad medicína, kde sú v oblasti ortopédie či zubného lekárstva produkty vyrobené aditívnym spôsobom celkom bežné. Využitie v iných, hlavne priemyselných odvetviach je v súčasnosti ešte stále limitované pomerne vysokými nákladmi, nižšou produktivitou a kvalitou finálnych výrobkov. To sú tri faktory, ktoré obmedzujú rozsiahlejšie využitie aditívnej výroby v praxi. A práve na zlepšenie týchto troch oblastí sa momentálne sústreďuje celý vývoj na strane výrobcov zariadení na aditívnu výrobu. Ešte na spresnenie by som sa krátko pristavil pri odbornej terminológii. 3D tlač a aditívna výroba sú v podstate synonymá – rozdiel je len v tom, že 3D tlač sa používa viac v nekomerčnom, hobby prostredí a aditívna výroba sa udomácnila v komerčnom sektore a výrobnom priemysle.
Pre mnohých je aditívna výroba stále „exotická“ technológia. Aké s ňou máme skúsenosti na Slovensku?
Priemyselné odvetvia na Slovensku majú, v porovnaní so zahraničím, len minimum skúseností s nasadzovaním a využívaním aditívnej výroby. Prvé skúsenosti v tejto oblasti mali niektoré, najmä univerzitné pracoviská. Z nich vyniká najmä Technická univerzita v Košiciach, kde v súčasnosti dosahujú v oblasti medicínskych implantátov či rastu tkanív vytvorených aditívnou tlačou svetové výsledky. Oveľa viac prenikla 3D tlač do domáckeho využitia, kde sa už vytvorila pomerne slušná komunita. Toto je práve skupina ľudí, ktorá primárne prenáša svoje skúsenosti aj ďalej, do firiem, do priemyselnej praxe. Na Slovensku však zatiaľ chýba veľká komerčná firma, ktorá by z vlastných zdrojov a na vlastných, profesionálnych priemyselných zariadeniach poskytovala zákazkovú výrobu s využitím aditívnych technológií. Mnohé firmy síce ponúkajú tieto služby, ale sami často nevlastnia zariadenia na aditívnu výrobu a len túto službu outsourcujú u iných zahraničných dodávateľov. Firmy si často stanovia limit na nákup 3D tlačiarní do 20 000 eur, na ktorých sa dá realizovať jednoduchý vývoj nefunkčných dielov alebo aj keď funkčných, tak s nízkymi nárokmi, pri malom objeme výroby, s malými rozmermi a pod.
Čo považujete za najväčšie prínosy a naopak aké sú obmedzenia aditívnej výroby?
Najväčším prínosom je nesporne konštrukčná sloboda. Na aditívnu výrobu si dokážete naozaj navrhnúť také produkty, ktoré sú iným spôsobom nevyrobiteľné alebo len veľmi draho. Pri dieloch vyrábaných aditívnou výrobou nie je zložitosť to, od čoho sa primárne odvíja finálna cena. Druhou veľkou výhodou je výroba bez foriem a nástrojov. Vďaka tomu je cena jedného výrobku alebo sto výrobkov takmer rovnaká. Treťou výhodou je možnosť výroby z náročných materiálov. Dnes už nie je problém využiť v rámci aditívnej výroby titán, kobalt-chróm, rôzne špeciálne ocele, čo sú ťažko obrábateľné kovy. Vďaka aditívnej technológii z nich možno vyrobiť finálny tvar takmer s minimálnym doobrábaním. Pri výrobe väčších sérií je ďalším nezanedbateľným faktorom deglobalizácia, čiže výroba na mieste spotreby. Ako som už spomenul, aditívna výroba nevyžaduje použitie žiadnych nástrojov, foriem, čo umožňuje zlúčiť množstvo rôznych výrobkov na jedno miesto výroby a redizajnovať ich tak, aby boli vyrobiteľné na jednom a tom istom zariadení. Z pohľadu nevýhod treba spomenúť pomerne nízku produktivitu, pretože zatiaľ väčšine, aj tých profesionálnych zariadení, trvá pomerne dlho vyrobiť jeden výrobok. Ďalšími obmedzeniami sú životnosť alebo kvalita finálnych výrobkov. Niektoré materiály nemôžu byť dlhodobo vystavené UV žiareniu. Ďalšou nevýhodou môže byť v niektorých prípadoch presnosť výroby, ktorá sa zatiaľ nedá porovnávať s tradičným CNC obrábaním alebo výrobou na vstrekolisoch. Otázkou je, či je táto vysoká presnosť a kvalita pri každom type výroby nevyhnutná. Všetko však závisí od účelu a spôsobu použitia.
Ktoré priemyselné odvetvia by mohli mať z aditívnej výroby najväčší prínos?
Všetky spomenuté výhody doteraz najlepšie využila medicína, t. j. výroba na mieru v nízkych sériách bez predraženia nákladov. Vo výrobnom priemysle si treba uvedomiť, že aditívna výroba nebude riešením na všetko. Každá nová technológia prechádza fázou boomu a nadšenia, za ktorou nasleduje vytriezvenie a nachádzanie jej reálneho využitia. Čím skôr si uvedomíme obmedzenia aj možnosti aditívnej výroby, tým skôr sa táto technológia dostane do reálneho používania a začne byť rentabilná. A vyhneme sa rôznym slepým uličkám, ktoré na aditívnu výrobu a jej široké uplatnenie číhajú. No prínosy aditívnej výroby z pohľadu rýchleho prototypovania, malosériovej výroby či slobody v dizajnovaní môže využiť ktorékoľvek odvetvie. Ťažiť z nej budú ďalej tí, ktorí budú vyrábať výrobky s vysokou mierou zákazníckeho prispôsobenia. Aby sa firmy dokázali odlíšiť od svojej konkurencie, budú musieť inovovať a prichádzať s novými návrhmi svojich produktov častejšie. A práve tu bude kraľovať výroba bez foriem a nástrojov, ktorá využije všetky možnosti digitalizácie. Z roka na rok sa technológia aditívnej výrobe zlepšuje a posúva sa hranica, keď sa krivky aditívnej a tradičnej výroby pretnú a keď ten istý výrobok bude možné vyrobiť za rovnaké náklady a v prijateľnej kvalite aditívnou výrobou, pričom pridanou hodnotou budú všetky jej spomenuté prednosti. V každom prípade sa treba pýtať, či je pre daný výrobok a danú výrobnú sériu výhodnejšia klasická alebo aditívna výroba, či aditívna výroba umožní nadizajnovať tento produkt lepšie alebo či sa zlepší „len“ estetická hodnota. Do rovnice o rozhodovaní sa pre konkrétnu technológiu výroby treba dať viac parametrov ako len jednoduché porovnanie 1 : 1.
Môžete uviesť nejaké príklady úspešného presadenia produktov ako výsledku aditívnej výroby?
Jedným z takých príkladov z priemyselného prostredia sú lisovacie formy pre vstrekolisy s integrovanými chladiacimi kanálikmi. Tie prechádzajú celou formou takou zložitou štruktúrou a tak blízko popri povrchu, že inou ako aditívnou technológiou výroby by to nebolo možné zrealizovať. Vďaka týmto kanálikom sa darí veľmi presne regulovať teplotu formy a chladnutia plastu, ktorá je najdôležitejším parametrom kvality finálnych produktov vo vstrekolisoch.
Aké materiály dokáže na svojom vstupe využiť aditívna výroba? Inými slovami z čoho všetkého možno vyrobiť finálne produkty?
Skoro zo všetkého. Najčastejšie sa využívajú plasty a kovy, na ktorých aditívna tlač vyrástla, v poslednom čase aj keramika. Z kovov sú to najmä ťažko obrábateľné kovy, napr. titán, kobalt-chróm, nástrojové ocele a rôzne špeciálne zliatiny, ktoré sú pomerne drahé alebo ťažko obrábateľné klasickými spôsobmi. Kovy do procesu aditívnej výroby vstupujú vo forme čistých práškov alebo je prášok obsiahnutý v spojive, podobne ako pri technológiách MIM (Metal Injection Moulding). Pri plastoch ide o tri formy – prášok, struna alebo živica. Delenie je aj podľa toho, či ide o termoplasty alebo termosety. Termoplasty sú teplom opakovane roztaviteľné plasty, ako PLA, ABS, nylon a pod. Druhou skupinou sú tzv. termosety, ktoré sa externým pôsobením nezvratným spôsobom vytvrdia do finálnej podoby. Príkladom sú v 3D tlači populárne fotopolyméry. Pri práškových technológiách, ako je SLS alebo Jet Fusion, ide najmä o polyamidy PA12, PA11, TPU, polypropylén a pod. Pri konkrétnych typoch výrobkov sa používajú aj rôzne špeciálne vstupné suroviny.
Majú produkty ako výsledok aditívnej výroby rovnaké vlastnosti ako tie vyrobené „štandardnou“ výrobou?
Treba si najprv vybrať, v ktorej oblasti chceme porovnávať. Z hľadiska napr. farebnosti alebo iných, často z hľadiska procesu výroby sekundárnych parametrov bude hrať prím klasická výroba, kde je k dispozícii podstatne viac možností. Ak sa pozrieme na funkčnosť dielov, hlavne z hľadiska mechanických vlastností, tak treba povedať, že už z princípu výroby bude povrch produktov vyrobených aditívnou technológiou drsnejší, členitý. Vyplýva to z podstaty technológie – nanášania vrstvy po vrstve. Bez následnej úpravy sa aditívnou technológiou výroby nedá dosiahnuť rovnaká hladkosť alebo presnosť ako pri klasickej výrobe. No sú prípady, keď to pri výslednom produkte neprekáža. Ak sa výrobok napr. vyrába z fotopolymérov, tak ich tlač sa uskutočňuje niekedy aj s rozlíšením menej ako 10 μm, čo je pre ľudské oko nepostrehnuteľná „drsnosť“. Z nich sa napr. vyrábajú formy na odlievanie šperkov. Pri práškových spekaných technológiách alebo pri nanášaní jednotlivých vrstiev na seba vzniká určitá miera porozity materiálu. Niekedy je to dokonca žiaduce, napr. pri penovom hliníku, keď porozita zabezpečuje cielené odľahčenie produktu. Naopak z hľadiska tesnosti je porozita nežiaduca. Pri technológii Jet Fusion, s ktorou pracujeme aj my, je jednou z jej vlastností plošné pôsobenie tepla a tým lepšie eliminovanie vnútornej porozity a lepšie prepojenie jednotlivých vrstiev. Výzvou pri niektorých technológiách aditívnej výroby je aj to, že nedochádza k rovnako silnému prepojeniu medzi vrstvami, t. j. v osi z, ako je to v rámci vrstvy – osi x a y. Veľmi dobré výsledky v oblasti plastov prináša práve technológia Jet Fusion, kde sú tieto rozdiely v prepojení rádovo v jednotkách percent, a teda výsledkom je takmer izotropný produkt. Pri kovoch sa vyskytuje problém vnútorného napätia. Parametre v osi z nie sú až tak dramaticky horšie, ale pôsobenie tepla pri výrobe vytvára vnútorné napätie, ktoré treba následne uvoľňovať žíhaním, príp. iným spracovaním. Na druhej strane treba spomenúť výhody. Pri aditívnej výrobe možno navrhnúť podstatne ľahší diel, pretože si ho napr. môžete dovoliť vytlačiť z pevnejšieho materiálu. Bežne by ste to vyrábali z hliníka, ale pri aditívnej technológii to môžete vyrobiť z titánu, keď je výsledný výrobok výrazne ľahší a pevnejší. Pritom z hľadiska nákladov môže ísť o tie isté čísla.
Dokáže 3D tlač vyrábať aj úplne funkčné produkty?
Samozrejme. Jedným z takých príkladov je funkčný raketový motor vyrobený technológiou 3D tlače (ako príklad uveďme firmy Aerojet Rocketdyne alebo Rocket Lab). V leteckom priemysle sa lopatky prúdových turbín tiež vyrábajú z titánu. Ich výroba pomocou aditívnej tlače je nákladovo výhodnejšia ako klasickou technológiou obrábania. Aj pri plastoch sa smeruje k tomu, aby boli 3D tlačené produkty funkčné, pričom je snaha eliminovať tie už skôr spomenuté slabšie stránky.
Aditívna výroba a sériová výroba – ide to dokopy?
Ide, aj keď si treba povedať, o akých sériách hovoríme. Lebo série rádovo v stovkách tisíc až milión kusov asi nikdy nebudú predmetom aditívnej výroby. Dnes sme na hranici okolo desiatok, max. niekoľko stoviek tisíc kusov, ktoré v určitých prípadoch zvládne aditívna výroba. Miera sériovosti sa však mení, vystupuje do popredia prispôsobiteľnosť požiadavkám zákazníka a potom sa sériovosť zmenšuje. Vtedy sa oplatí porozmýšľať o využití aditívnej technológie. Ešte stále väčšiemu podielu klasickej výroby nahráva aj skutočnosť, že produkty sú navrhované tak, aby ich raz bolo možné vyrobiť na vstrekolisoch, prípadne ich obrobiť na CNC strojoch a pod. Chyba je, ak sa zákazník začne pýtať: „My vyrábame takýto výrobok klasickou technológiou. Za aké náklady nám ho viete vytlačiť aditívnou technológiou?“ Tu sa dá naozaj len málokedy odpovedať tak, že áno, toto sa vám naozaj viac oplatí vyrábať 3D tlačou ako klasicky. Výrobok bol totiž už na začiatku prispôsobený tak, aby sa dal lacno a efektívne vyrobiť klasickou technológiou. Ak však prídete s novým výrobkom a už pri samotnom návrhu zvažujete možnosti aditívnej výroby a všetkého, čo tento prístup prináša, tak napriek možno vyšším nákladom dosiahnete takú pridanú hodnotu, ktorú zákazníci ocenia a priplatia si za ňu. Sériovosť je však jedna z hlavných tém, na ktorú sa výrobcovia zariadení na aditívnu výrobu sústreďujú.
Okrem hardvéru treba myslieť aj na softvérové nástroje. Na čo sa v rámci aditívnej výroby využívajú a čo všetko umožňujú?
Ak si odmyslíme softvérové CAD nástroje na samotný návrh produktov, tak sa pozrime na to, čo je potrebné pre samotnú aditívnu výrobu. Základom je softvér na ovládanie tlačiarne z kategórie CAM – počítačom podporovaná výroba. Ten transformuje údaje z CAD do podoby zrozumiteľnej pre 3D tlač a zároveň priamo zabezpečuje aj ovládanie tlačiarne. Ďalej je potrebný softvér, ktorý pripraví tzv. plán tlačového objemu. Každá tlačiareň má svoj objem pracovného priestoru, podobne ako CNC stroj. Poslaním tohto softvéru je umiestniť finálny produkt do pracovného priestoru tak, aby to bolo efektívne, prípadne doplniť do modelu nevyhnutné podpery a podobne. Na dôležitosti začína naberať aj softvér na riešenie topologickej optimalizácie modelov. Ten umožňuje zjednodušovať a odľahčovať výrobok, pričom sa zachovajú požadované mechanické vlastnosti. Dostupné sú aj softvéry na simuláciu tepelného zaťaženia, vnútorného napätia a pod. s cieľom predísť deformáciám, príp. aby sme vedeli daný výrobok optimálne vytlačiť.
Kedy prichádza v rámci nejakej firmy na rad úvaha o využívaní aditívnej výroby a ktoré otázky treba v tejto súvislosti hneď na začiatku zodpovedať?
Priestor na využívanie aditívnej tlače je vždy a všade, len treba tie príležitosti začať hľadať. Tak ako iné technológie, aj aditívna výroba by mala firme priniesť nejakú pridanú hodnotu. Na začiatku sa možno netreba hneď zamerať na to, že chceme priamo vyrábať produkt, ktorý sa doteraz vyrábal klasickou technológiou, ale skúsiť vyrobiť skôr nejaké súvisiace prvky – držiaky, prípravky, upínače a pod., príp. diely, ktoré momentálne potrebujeme a dodávateľ ich nevie dodať skôr, ako povedzme o šesť týždňov, čo je neprijateľné, lebo napr. prídeme o zákazku. Treba zmeniť zmýšľanie, prístup k výrobku, zohľadniť zákaznícku prispôsobiteľnosť či rýchlejšie dodanie produktov na trh. Nezanedbateľná je aj redukcia skladových zásob, tzv. digitálny sklad. Skladujte dáta, nie výrobky. Vyrábajte len to, čo potrebujete a u seba. Zredukujte dodávateľský reťazec. A ak toto viete na svoj produkt aplikovať a vytvoriť tak vyššiu pridanú hodnotu pre zákazníka, získate konkrétnu konkurenčnú výhodu, ktorú nikto iný nemusí mať.
S čím treba počítať z hľadiska návratnosti investície či celkových nákladov na vlastníctvo pri aditívnej výrobe? Kedy sa oplatí takúto technológiu vlastniť a kedy je lepšie výkony outsourcovať?
Z vlastnej skúsenosti odporúčam začať oursourcovaním. V našej firme sme išli tiež touto cestou. V momente, keď sme technológiu a možnosti aditívnej tlače dostatočne pochopili, rozhodli sme sa vlastniť výrobné zariadenie a vyrábať na ňom vlastné výrobky. Táto oblasť je takmer pre každého nová, preto je na začiatku dobré dať si poradiť od odborníkov so skúsenosťami. Navyše môžu prísť s nápadmi, ktoré by ste získavali iba náročným procesom vlastnej skúsenosti a trvalo by to oveľa dlhšie. Dá sa, samozrejme, začať aj s tými lacnejšími zariadeniami na tlač menších vecí, bez očakávania vysokej kvality a funkčnosti. Dôležité je pochopiť súvislosti medzi primárnym procesom 3D tlače a následným postprocessingom. Či budete pre laserové technológie tlače potrebovať generátory inertnej atmosféry, zariadenia na recykláciu použitého materiálu, pieskovanie alebo otryskávanie, či budete musieť zabezpečiť priestor, kde sa bude pracovať s materiálom, pretože napr. plastový prášok môže vytvoriť potenciálne výbušné prostredie a pod. Cena profesionálnych zariadení na tlač väčších sérií sa pohybuje v stotisícoch eur. No nie je to len o tlačiarni a o kilách materiálu.
Má aditívna výroba nejaký vplyv aj na životné prostredie?
Pri aditívnej výrobe vzniká menej odpadu. Veľké množstvo materiálov možno znovu použiť. Pri plastovej práškovej technológii sú predpísané pomery, koľko môžete použiť recyklovaného a koľko nového materiálu na vstupe. Pri Jet Fusion je ten pomer napr. 20 % nového materiálu a až 80 % recyklovaného. Z pohľadu BOZP treba brať do úvahy skutočnosť, že sa pracuje s miniatúrnymi časticami plastového alebo kovového prášku, ktorý vyžaduje použitie pracovných ochranných pomôcok na oči a dýchacie cesty. To, že možno vyrábať na mieste spotreby, prispieva aj k minimalizácii logistických procesov a tým aj k minimalizácii tvorby skleníkových plynov, ktoré produkujú dopravné prostriedky.
Aditívna výroba sa považuje za jednu z prelomových technológií najbližšieho obdobia. Aký vývoj očakávate v tejto súvislosti vo svete a na Slovensku?
Aditívna výroba sa nachádza v takej širokej škále oblastí, že smerov vývoja je hneď niekoľko. No z pohľadu výrobného priemyslu sa bude veľký dôraz dávať na zvyšovanie produktivity, kvality a znižovanie ceny s cieľom čoraz viac konkurovať konvenčnému CNC obrábaniu, vstrekovaniu a pod. Ďalšou vývojovou líniou bude zväčšovanie rozmerov výrobkov, ktoré bude možné tlačiť. Výskum sa bude zaoberať aj možnosťami použitia materiálov, ktoré sa na výrobu doteraz používali obmedzene alebo pri veľkých nákladoch. Čo sa týka Slovenska, tak tu bude kľúčové zvyšovať povedomie a informovať o aditívnej výrobe, jej možnostiach, prínosoch, aby čoraz viac záujemcov dokázalo identifikovať príležitosti pre svoje procesy. Na Slovensku sme stále v tomto prístupe konzervatívni. Jedným zo zaujímavých krokov je iniciatíva zo strany akademickej obce smerujúca k vzniku klastra aditívnej výroby na Slovensku, ktorého jednou z priorít by mala byť práve osveta. Navyše na Slovensku máme dosť veľa nadšencov v danej oblasti, z ktorých len málokto má profesionálne zariadenia na komerčné využitie a celé toto prostredie je zatiaľ stále veľmi atomizované. Neexistuje u nás zatiaľ ani jedna silná firma v oblasti aditívnej výroby, schopná poskytnúť z vlastných zdrojov výrobu a služby súvisiace s aditívnou výrobou. Našou snahou je, aby sme ako firma v tejto oblasti vytvorili komplexnú ponuku v oblasti aditívnej výroby na jednom mieste. Aj preto sme sa stali predajcom a servisným partnerom 3D tlačiarní spoločnosti HP, ktorá pracuje s technológiou Jet Fusion využívajúcou plasty. V krátkom čase rozšírime sortiment aj na tlačiarne pre kovy. Ponúkame profesionálne zariadenia a služby na priemyselné použitie s vysokou kvalitou, veľkou produktivitou a nízkou cenou finálnych produktov, čo priamo konkuruje klasickej CNC výrobe. Rozbiehame aj zákazkovú výrobu, či už s našimi vlastnými kapacitami, alebo v spolupráci s inými slovenskými firmami. Už čoskoro spustíme náš vlastný online webový portál, prostredníctvom ktorého si záujemcovia budú môcť nahrať údaje o svojom výrobku a na základe predpokladaného počtu, ktorý chcú vyrobiť, okamžite získajú cenovú kalkuláciu. Zároveň tak bude vznikať knižnica dielov daného zákazníka, ku ktorej bude mať kedykoľvek prístup a možnosť kedykoľvek vytlačiť potrebný počet kusov.
Článok bol prvýkrát publikovaný v časopise ATP Journal 3/2019.
- autor:
- Anton Gérer, ATP Journal