MM Magazyn Przemysłowy: Jaki jest potencjał technologii druku 3D?

Bogdan Dąbrowski: Technologia druku 3D ma szerokie możliwości zastosowania w szybkim prototypowaniu, produkcji dedykowanych narzędzi czy integracji pojedynczych części w skomplikowane konstrukcje i mechanizmy. Wykorzystanie połączenia technik pomiarowych (jako narzędzi inżynierii odwrotnej) i drukowania 3D umożliwia wykonywanie części zamiennych w sytuacji braku dokumentacji technicznej. Wsparcie procesu projektowania narzędziami komputerowej optymalizacji topologicznej (z wykorzystaniem metody elementów skończonych) pozwala na efektywną redukcję masy części przy zachowaniu zakładanych właściwości mechanicznych. Uwzględnienie projektowania części dla wytwarzania przyrostowego DfAM (z ang. Design for Additive Manufacturing) wzbogaca potencjał produkcyjny użytkowników drukarek 3D o nieposiadane wcześniej zasoby techniczne.

Na ile druk 3D może zrewolucjonizować podejście do wytwarzania i tradycyjną obróbkę ubytkową? Przyszłość będzie drukowana?

– Wspomniany potencjał DfAM i drukowania 3D umożliwia zniwelowanie ograniczeń technologicznych klasycznych obróbek ubytkowych i technik odlewniczych. Celem druku 3D jest zrewolucjonizowanie zaplecza technologicznego poprzez zwiększenie swobody projektowania i wytwarzania w zakresach procesów produkcyjnych, w których klasyczne technologie się nie sprawdzają. Współistnienie druku 3D i tradycyjnych metod wytwarzania jest istotne z punktu widzenia możliwości realizacji aktualnych i przyszłych potrzeb. Dlatego też spodziewane jest współdziałanie, jak również zamienność wykorzystania wspomnianych rozwiązań produkcyjnych w zależności od zastosowania i wymagań technicznych wytwarzanych części.

Jakie największe korzyści daje technologia druku 3D?

– Możliwość produkcji części metalowych, charakteryzujących się skomplikowaną geometrią, niemożliwych do uzyskania tradycyjnymi metodami wytwarzania ubytkowego lub technikami odlewniczymi, należałoby zaliczyć do jednej z najważniejszych zalet druku 3D. Redukcja masy części z wykorzystaniem połączenia narzędzi komputerowej optymalizacji topologicznej i nowoczesnych systemów druku 3D z proszków metali jest kluczową korzyścią w produkcji lekkich konstrukcji, ze szczególnym uwzględnieniem potrzeb przemysłu lotniczego i motoryzacyjnego. Kolejna korzyść wykorzystania druku 3D to szybkie wytwarzanie zindywidualizowanych wyrobów. Ograniczenie liczby klasycznych zabiegów, co powiązane jest również ze zmniejszeniem liczby niezbędnych urządzeń, narzędzi oraz redukcją czasu realizacji zleceń i nakładów finansowych, w produkcji skomplikowanych części ukazuje również korzyści ekonomiczne wytwarzania przyrostowego jako uzupełniającej technologii.

Drukowanie przestrzenne to bardzo dynamicznie rozwijająca się technologia. Jakie są obecne trendy, jeśli chodzi o drukarki 3D?

– Jak każda technika wytwarzania, także generowanie obiektów trójwymiarowych (druk 3D) podlega procesom ewolucyjnym. Na rozwój drukarek 3D składają się m.in. nowe rozwiązania techniczne w zakresie samych urządzeń – zmiany ich wielkości, stopnia skomplikowania konstrukcji i układów wewnętrznych. Nie należy zapominać również o istotnym rozwoju oprogramowania sterującego układami drukarek, jak i programów służących do przygotowania plików procesowych, takich jak Renishaw InfiniAM i QuantAM. Rozwój w zakresie modyfikacji i pojawienia się nowych materiałów do druku 3D, dotyczący zarówno materiałów polimerowych, ceramicznych, jak i metalowych, następował etapami i przewidywany jest tu znaczący postęp w przyszłości. Zmiany odnośnie do możliwości wdrożenia i modyfikacji obróbek postprocesowych i wykańczających są istotnym motorem napędowym rozwoju druku 3D. Integracja trójwymiarowego wytwarzania przyrostowego na zasadzie hybrydyzacji lub wdrożenia jako elementu składowego układów produkcyjnych w ramach formuły Przemysł 4.0 zapewni wzrost możliwości technologicznych w odpowiedzi na zwiększające się potrzeby i zainteresowania odbiorców wyrobami drukowanymi. Rozwój technologii drukowania 3D jest również silnie związany ze zmieniającymi się wymaganiami poszczególnych gałęzi przemysłu. Silny nacisk na zwiększenie produktywności drukarek 3D jest jednym z największych czynników wpływających na rozwój technologii.

W zasadzie nie ma obszaru przemysłu, w którym druk 3D nie miałby zastosowania. Gdzie jednak sprawdza się on najlepiej?

– Drukowanie 3D, szczególnie z wykorzystaniem proszków metalicznych, jako technika wytwarzania znajduje zastosowanie w różnorakich gałęziach przemysłu m.in. do wytwarzania narzędzi, części motoryzacyjnych lub lotniczych czy też dóbr konsumpcyjnych i wyrobów artystycznych. Produkowanie metalowych wkładek form wtryskowych z układem kanałów konformalnych jest jednym ze sztandarowych przykładów idealnego doboru drukowania 3D jako technologii ich wytwarzania. Szczególnym przypadkiem wykorzystania wytwarzania przyrostowego jest produkcja zindywidualizowanych wyrobów ortopedycznych i protetycznych dla konkretnego pacjenta (tzw. implanty na miarę), gdy czas wytwarzania i łatwość implantacji są kluczowymi wymaganiami.

Już blisko połowa MŚP w Europie zainwestowała w rozwiązania druku 3D, a kolejne 30% planuje takie wydatki. Jak wygląda rynek druku 3D w Polsce?

– Obserwuje się tendencję wzrostową popularności technologii druku 3D na rynku światowym. Na rynku polskim jest taka sama sytuacja. Świadomość technologiczna firm w zakresie potrzeb i wykorzystania technologii wytwarzania przyrostowego ciągle rośnie. Zapotrzebowanie na urządzenia, oprogramowanie, materiały, usługi doradcze oraz usługi drukowania na życzenie nieustanie wzrasta. Dodatkowo zaobserwowano zwiększenie zapotrzebowania rynku na konstruktorów z zakresu projektowania DfAM oraz inżynierów do obsługi drukarek 3D. Wszystko to wróży wytwarzaniu przyrostowemu świetlaną przyszłość i zapowiada wzrost wykorzystania i znaczenia tej technologii. Widać to również we wdrożeniach nowych rozwiązań sprzętowych drukarek 3D, jak np. wielolaserowe systemy wytwarzania przyrostowego Renishaw RenAM 500Q, których celem jest zwiększenie produktywności procesu, co umożliwi wykorzystania ich w produkcji masowej części metalowych.

Jakie są hamulce rozwoju druku 3D?

– Podobnie jak inne technologie także wytwarzanie przyrostowe napotyka na bariery ograniczające rozwój. Wzrost liczby dostępnych materiałów, jak również producentów materiałów do druku 3D w istotny sposób zwiększyłby zakres zastosowań technologii wytwarzania przyrostowego. Kompatybilność, jak również komplementarność oprogramowania komputerowego do analizy danych pozyskanych przez inżynierię odwrotną z oprogramowaniem do projektowania i przygotowania plików procesowych są istotnymi czynnikami warunkującymi wdrożenie technologii druku 3D na szeroką skalę. Ograniczona liczba norm odnosząca się do wytwarzania przyrostowego to jedno z głównych ograniczeń rozwoju i wdrożeń druku 3D, co jest szczególnie widoczne w branży lotniczej i medycznej. Nie bez wpływu na rozwój są też niewystarczające zasoby inżynierów wykształconych kierunkowo w zakresie projektowania i opracowania procesów druku 3D.

Na uniwersytecie w Berkeley skonstruowano replikator, który wykorzystuje światło do przekształcania lepkich płynów w złożone obiekty stałe w ciągu zaledwie kilku minut. Może tworzyć obiekty, które są gładsze, bardziej elastyczne i bardziej złożone, niż jest to możliwe w przypadku tradycyjnych drukarek 3D. Czy to początek końca druku 3D, jaki do tej pory znamy?

– Wspomniane rozwiązanie (replikator) należy odbierać jako kolejny krok w rozwoju technologii szybkiego prototypowania. W odróżnieniu do wspominanej tradycyjnej drukarki 3D typu FFF/FDM, gdzie źródłem generującym warstwową budowę jest ekstruder uplastyczniający materiał polimerowy, replikator wykorzystuje fale świetlne do aktywowania procesu polimeryzacji zachodzącego w mieszaninie materiału. Słuszny wydaje się komentarz, że pozwoli on na otrzymywanie obiektów o złożonych kształtach i powierzchniach charakteryzujących się niską chropowatością. Pytaniem pozostaje możliwość przetworzenia w środowisku pracy replikatora materiałów, które są powszechnie wykorzystywane przez tradycyjne drukarki 3D. Zakres zastosowań typowych drukarek FFM/FDM i replikatora mogą się w pewnych obszarach uzupełniać. Dlatego też replikator można potraktować jako nową odsłonę i narzędzie szybkiego wytwarzania trójwymiarowych obiektów, a nie technologię, która wykluczy zasadność wykorzystania tradycyjnej technologii druku.

Rozmawiał Dariusz Łuciów