Fórum aditivní výroby 2021 – 3D tisk jako strategická investice

Konference, jejímž letošním průřezovým tématem byl 3D tisk koncových dílů a sériová aditivní výroba, poukázala na obrovské příležitosti pro 3D tiskárny v současném světě, kdy nic nefunguje tak, jak jsme byli dříve zvyklí. Flexibilita digitální výroby, u které mezi nápadem na výrobek a jeho vyhotovením nestojí nic v cestě, pokud máte software, počítač a 3D tiskárnu, ukazuje naprosto bezkonkurenční přednosti v kontrastu s komplikovanými dodavatelskými řetězci, jež nyní z mnoha důvodů v průmyslu trpí a selhávají. 3D tisk nenabízí recept na vše, nicméně případů, ve kterých dokáže nabídnout vynikající efektivitu, neustále přibývá a především již zdaleka nejde jen o prototypovací technologii způsobilou ke kusové nebo experimentální výrobě. Díky 3D tiskárnám lze v řadě případů obejít tradiční postupy, jako je CNC obrábění, výroba forem nebo produkce plastových dílů ve vstřikolisech. To neznamená, že by zde těmto konvenčním technologiím vyrůstala zákonitě nová konkurence, ale spíše se díky 3D tisku otevírá okno příležitostí, přinášející na trh zcela nové obchodní modely nebo „jen“ vyšší marže. Sedmý ročník konference přinesl po vynucené loňské pauze pestrou přehlídku nejnovějších technologií 3D tisku a praktických zkušeností s nimi. Ty prezentovalo 19 partnerů a jejich zákazníci z řad českých i zahraničních firem. Vývoj trhu a inklinaci k vysoce produktivním řešením dobře ilustruje dominantní zastoupení technologií využívajících jako stavební materiál prášky či fotopolymery. Potvrdil to i průzkum mezi účastníky konference, mezi nimiž vzrostl zájem o 3D tisk ve výrobě na úkor prototypování, zároveň stoupla i frekvence využívání 3D tiskáren při každodenní práci. Následujících pět stran shrnuje postřehy z přednášek generálních partnerů letošní konference (s dalšími navážeme v příštím výběru z přednášek).

Aditivní výroba přináší nové obchodní příležitosti

Daniel Princ, Stratasys

„Je úžasné vidět tuto komunitu lidí, která zde před sedmi lety kladla základní otázky a dnes už v oboru rozvíjí svůj byznys,“ prohlásil na úvod svojí přednášky Daniel Princ ze společnosti Stratasys, který se podobně jako v předešlých letech ujal úvodního slova a představil převažující trendy ve světě aditivní výroby. „Co se stalo za uplynulé dva roky s 3D tiskem, není náhodný incident,“ připomněl významnou roli 3D tiskáren při výrobě ochranných pomůcek v první vlně pandemie koronaviru, kdy tato technologie pomohla dočasně vykrýt nedostatek potřebných produktů a rázem zpřetrhané dodavatelské řetězce. „To, co se stalo, zřejmě natrvalo změní rovnováhu mezi výrobci a dodavateli. Lodě z Číny dnes dovážejí zboží s přesností 35 procent, když v roce 2019 to bylo 97 procent. Letecká zásilka nyní putuje z USA až 50 dnů. Doprava kontejneru z Číny do Hamburku stála před dvěma lety 2,5 tisíce dolarů, dnes je to víc než 20 tisíc dolarů.“

Daniel Princ, Stratasys 

Rok 2020 byl složitý pro všechny, a také na prodejce 3D tiskáren dopadly obavy z budoucího vývoje. Firmy pozastavily nákupy technologií, včetně 3D tiskáren, ovšem vedle toho již instalovaná zařízení chrlila kvanta nedostatkových produktů, od čelenek ochranných štítů po komponenty používané například ve výrobě automobilů. Dostalo se jim tak velké pozornosti ze strany široké veřejnosti, včetně komerční sféry nebo politiků, a pozitivní zkušenosti se tak rychle rozšířily i mezi firmy, které dosud s využíváním 3D tisku z nejrůznějších důvodů váhaly. Výsledkem byl obrovský nárůst zájmu o technologie 3D tisku, který trvá dodnes a prakticky navázal na růstový trend tohoto trhu z dob před pandemií. „Například polská vláda schválila, aby všechny děti na základní škole při výuce geometrie používaly software, ve kterém se naučí kreslit a potom konstruovat. Od příštího školního roku by měly mít všechny základní školy učebny 3D tisku, což se týká milionů dětí.“ V Austrálii, což je v této době izolovaný kontinent, dochází k obrovskému rozvoji soběstačnosti tamního průmyslu. Obdobné tendence řeší USA i Evropa, kde si taktéž politici i firmy začali více uvědomovat příliš silnou dosavadní závislost na východoasijských dodavatelích. Předpokládá se, že spousta firem modifikuje velmi komplikované dodavatelské řetězce k vlastní výrobě, větší soběstačnosti a vymění některé konvenční technologie za aditivní výrobu, přičemž existují oblasti, u kterých lze 3D tisk využít v celém životním cyklu výrobku.

Vzhledem k tomu, že se společnost Stratasys věnuje primárně inovacím ve 3D tisku polymerů, zaměřil se ve své další řeči Daniel Princ na tuto oblast. „Průmyslový designér miluje barvy, povrchy, hmotu, potřebuje si věci osahat, přemýšlet o jejich fungování a pro tuto příležitost můžete dnes vytisknout obrovské množství vzorníků, které simulují nejrůznější povrchy, včetně materiálů jako je porcelán nebo sklo.“ Zejména v zahraničí již úspěšně díky digitálním výrobním technologiím prosperují velká studia průmyslového designu, jež svým klientům pomáhají navrhnout takřka cokoliv – od Bluetooth přehrávače po automobil. „Díky 3D tisku se dostanete mnohem rychleji k finálnímu produktu, který můžete funkčně a vizuálně testovat, čímž přeskočíte obrovskou fázi klasických technologií, jako jsou formy, CNC obrábění atd., které jsou jinak v prototypování nezbytné,“ vyzdvihuje Princ. Že tak lze díky 3D tiskárnám zrychlit vývoj výrobků u některých fází z týdnů na dny až pouhé hodiny je jedna věc, důležitou roli zde však hraje volba vhodného zařízení. „Studentovi nevadí, když se mu ze tří tisků povedou dva, ale ve firmě pod tlakem na dokončení projektů, kde se dá efektivita práce přeložit do peněz, je potřeba zajistit, jak 3D tiskárny používat spolehlivě a bezpečně.“ Stratasys se proto vedle nepřetržitého zlepšování výkonu svých strojů zaměřuje také na jejich maximální praktičnost. Ta řeší i takové zdánlivé drobnosti, jako třeba možnost snadno vysrážet rozpuštěný materiál z podpěr ve vodě přidáním obyčejné soli a takto čistě recyklovat odpad i v běžném kancelářském prostředí.

Prototypování však již představuje jen jedno z mnoha možných využití 3D tiskáren, jejichž určení čím dál častěji směřuje do výroby koncových dílů a dokonce i do sériové produkce. Způsobů, jakými může 3D tisk přispět ke zdokonalení, zefektivnění a zlevnění stávajících procesů i výrobků, je bezpočet. Kupříkladu sestavu montážního přípravku pro zabudování automobilových dveří, který se skládá z několika kovových dílů, lze výrazně konstrukčně zjednodušit na menší počet komponent a díky použití plastové konstrukce se zabudovanými karbonovými vlákny namísto kovových prvků také zásadně odlehčit. Stejný princip pomůže zlepšit životnost robotů a zrychlit jejich činnost, když se namísto konvenčního těžšího gripperu použije uchopovač vytištěný z kompozitu plastu a uhlíkových vláken. Obavy, kolik toho vytištěné komponenty vydrží, nejsou na místě – důkazem budiž to, že jsou již zcela běžně využívány v tak regulovaných oborech, jako je letectví nebo výroba automobilů. Klíčovou výhodou využití 3D tisku, která často nezaznívá, je jeho přínos pro vznik zcela nových obchodních modelů a z toho plynoucích příležitostí. To je téma, které se prolínalo celou letošní konferencí Fórum aditivní výroby a zaznívalo ze strany zástupců dodavatelů rozličných technologií 3D tisku. „Proč distribuovat díly po celém světě, když je až na místě určení může vyrábět 3D tiskárna? Dáte zákazníkovi přístup do databáze dílů, odkud si může stáhnout dokonce aktualizovanou verzi používaných komponent,“ upozorňuje Daniel Princ. Firma Siemens takto inovovala dodávky náhradních dílů pro některé své vlaky nebo tramvaje, které nyní vyrábí aditivně podle konkrétní poptávky. Namísto slepého naskladňování komponent, jež by nakonec nemusely najít využití, je schopna reagovat na objednávku i jediného kusu a zákazníka obslouží do tří týdnů od objednání.

Sériová výroba 3D tiskem a materiálová inteligence

Jan Drápela, MCAE Systems

Technologii aditivní výroby zvanou SAF (Selective Absorption Fusion) od Stratasysu na konferenci představil Jan Drápela ze společnosti MCAE Systems, která na českém trhu tuto značku 3D tiskáren zastupuje: „Primárním určením zařízení Stratasys H350 s technologií SAF je sériová výroba, při které tento systém umožňuje dosahovat konzistentní kvality produkce a její přesné řízení. Hodí se pro menší díly, jako jsou různé panty, kryty, komponenty pro spotřební elektroniku atd.“ Tiskový materiál – polyamid 11, který je 100% biokompatibilní a nabízí vysokou pevnost, v podobě prášku nanáší rotační protiběžný válec, přičemž k vytvrzení vrstvy dochází po nanesení absorpční tekutiny a jejím zahřátí infračervenou lampou. Používá se průmyslová tisková hlava s velkou odolností, na kterou výrobce poskytuje záruku spolu s celým strojem. Oproti některým jiným 3D tiskárnám, fungujícím na podobném principu, zde tedy není tisková hlava „jen“ spotřebním zbožím. Jelikož jsou takto vyrobené díly určeny často pro koncové použití, nabízí MCAE Systems také technologie pro jejich další zušlechtění, ať už jde o omílání nebo dobarvování či finalizaci povrchů.

Jan Drápela, MCAE Systems

 

Spolu s tradiční metodou FDM dnes Stratasys nabízí celkově již pět různých technologií 3D tisku s cílem pokrýt různé výrobní fáze od kusové po velkosériovou výrobu, přičemž strop, u nějž má dnes ještě o aditivní výrobě smysl uvažovat, se již posunul k desítkám tisíc tištěných dílů měsíčně. U takto vysokých objemů nachází vedle práškových technologií místo také 3D tisk z tekutých fotopolymerů, což je oblast, do níž Stratasys vstoupil letos akvizicí společnosti Origin. Vedly jej k tomu především dva důvody – 3D tisk metodami DLP/LCD se v posledních letech velmi zdokonalil díky inovacím v digitálních projektorech a dalším stimulem byla povaha sanfranciské firmy Origin, která je více softwarovým než hardwarovým podnikem. Díky tomuto přístupu se její technologie vyvíjí velmi dynamicky, 3D tiskárna je vybavena stovkami senzorů a nepřetržitě monitoruje proces tisku, který takto umožňuje dále zdokonalovat a rychle rozvíjet.

 „Tiskárna o sobě dává vědět obrovské množství dat a je doslova vývojovým reaktorem nových materiálů pro 3D tisk,“ doplňuje Daniel Princ. Tento pokrok motivoval ke vstupu do sféry aditivní výroby globální chemické giganty, jako BASF, Henkel nebo Covestro (dříve DSM) a jejich zapojení je pro trh se 3D tiskovými materiály ohromným stimulem. „S podporou umělé inteligence dnes lze prostřednictvím výpočetní chemie rychle formulovat zcela nové materiály s potřebnými vlastnostmi. Taková formule může být hotová do tří dnů, během měsíce je otestována a během tří měsíců lze najet výrobu zcela nového materiálu. Takový proces dříve zabral dva až tři roky,“ konstatuje Princ. Vzhledem k tomu, že mnoho velkých firem vyžaduje používání svých vlastních originálních materiálů, může taková technologie otevřít stavidla dosud netušených možností. 3D tiskárny Origin nabízejí rychlost nejen při samotném tisku, ale díky materiálové chemii je velmi rychlé i vytvrzení dílů po tisku. „Samotná tiskárna používá některé vytištěné díly, například krytku na kameru. Takových krytek lze za 10 hodin vyrobit 40. Když firma dospěje k dílům, které může produkovat takto aditivně, s pomocí menší farmy takových 3D tiskáren již zcela nahradí vstřikolisy.“

Zatím nevíme, jak se na tištěných dílech podepíše zub času. Už ale i současné možnosti 3D tisku z fotopolymerů, dále podtržené obřími investicemi, které se právě dějí, přinášejí úžasné výsledky. Od elastomerů přes tisk biokompatibilních komponent pro medicínská zařízení, pevných technických materiálů pro automatizaci nebo přípravky, po produkty, které vydrží ve 300 °C, a jsou tak použitelné i pod kapotou auta, to vše lze tisknout sériově s vynikající kvalitou a rychle. Výbornou ukázkou flexibility 3D tisku malých přesných komponent ve velkých objemech, které musejí být zároveň odolné, jsou konektory známé pod značkou Tyco. Jejich výrobce TE Connectivity pro jejich výrobu používá mj. také právě technologii Origin, díky které dokáže svým zákazníkům nabídnout nové služby včetně velmi rychlých úprav na míru specifickým požadavkům. Dosahuje tím úspory nákladů a zároveň přidané hodnoty, za kterou si může nechat připlatit, takže i pro něj je 3D tisk zdrojem zajímavého nového byznysu.

Digitální 3D výroba vyžaduje automatizaci

Ondřej Štefek, 3Dees Industries

„3D tiskárnu nevnímáme jako izolovaný předmět, ale jako součást ekosystému, protože pokud v něm něco nefunguje, nedokážete ze 3D tisku dostat to, co potřebujete,“ zahájil svoji přednášku věnovanou digitální výrobě Ondřej Štefek ze 3Dees Industries, kterážto svoji produktovou nabídku staví kolem portfolia aditivních technologií od HP. Navzdory všem inovacím specialisté přes 3D tisk při kontaktu se zákazníky pravidelně narážejí na opakující se potíže, které je potřeba překonat: „Pořád je před námi velká výzva, jaká data do 3D tiskárny pošleme. Snažíme se klientům vysvětlovat, že nelze poslat díly, které jste zvyklí vyrábět obráběním nebo vstřikolisem. Je potřeba je upravit – zjednodušit nebo naopak sloučit několik dílů dohromady, čímž ušetříte dodatečné náklady.

Ondřej Štefek, 3Dees

 

Další velká výzva spočívá v post-processingu, protože 3D tiskárna sice už je schopna produktivně vyrobit tisíce dílů, ale proces je jako celek nekonkurenceschopný, pokud pak každý jeden díl musí manuálně zpracovávat lidská obsluha. Zatímco ve 3D tisku prototypů a jednotlivých dílů jsou výhody aditivních technologií jednoznačné a ihned jasné, u sériové produkce je pro odhalení maximálního potenciálu zapotřebí zapojit automatizaci, a to nejlépe na vstupu i na výstupu. „Proces digitální výroby nemůže fungovat bez informačního systému, který je schopen to celé řídit. U stovek tisíc dílů musí systém vše automaticky naceňovat, umožňovat interní schvalování, vytváření jednotlivých tiskových úloh a hlídání expedice až po doručení koncovému uživateli. Zásadní je taktéž automatizace post-processingu, díky které dokáže jeden lidský operátor obsluhovat současně jak 3D tiskárnu, tak zařízení pro finální úpravu dílů, takže efektivita výrobního procesu dále vzroste.

Zcela konkrétní náplň pojmu „digitální výroba“ dávají aktivity ostravské společnosti Invent Medical, která se pro svůj pokrokový přístup stala vlajkovým zákazníkem společnosti HP, a ta na jejích tištěných produktech prezentuje přínosy průmyslové aditivní výroby po celém světě. Nadnárodní povahy je i samotný byznysplán Invent Medical při výrobě ortetických pomůcek, jenž mohl vzniknout právě a jen díky možnosti digitální výroby na 3D tiskárnách s konzistentní kvalitou výstupu.

Výroba protetických a ortetických pomůcek je specifická tím, že se každý produkt vytváří na míru konkrétnímu pacientovi. Proto se zde využívá do velké míry ruční práce, což je velice nákladné. V Invent Medical se tak do konkurenčního boje vrhli hned s trojnásobnou inovací – produktu, procesu a obchodního modelu. Jelikož působí ve velmi konkurenčním prostředí s nízkými maržemi, vsadili na maximální míru automatizace – od 3D skenování klientových proporcí a tvarů přes velmi sofistikovaný softwarový konfigurátor s unikátním algoritmem, který definuje produkt až po digitální výrobu. Samotné produkty jsou pokrokové svým funkčním designem, v němž se naplno využívá výhod 3D tisku pro výrobu odlehčených tenkostěnných prvků, přičemž pouhou změnou geometrie a tloušťky stěny se mění mechanické vlastnosti dílů. Příkladem je kraniální ortéza, což je v podstatě prodyšná helma, jejímž účelem je vytvořit ochranu a zároveň formu umožňující dorůst lebce dítěte, které na svět přišlo s vrozenou deformací hlavičky. Celá tato ortéza je z jednoho materiálu (polyamid 11), a přesto se v různých partiích cíleně liší její pružnost a tuhost, aby byla komfortní a především splnila svůj účel. U novorozenců, kteří takovou pomůcku potřebují, je zapotřebí rychlý zásah – od identifikace problému je nutno ortézu nasadit nejpozději do dvou týdnů. Z toho důvodu nepřichází v úvahu použití pomalé konvenční výroby, ani zasílání ortézy mezinárodní poštou.

Digitální výroba ze své povahy firmě Invent Medical umožnila vytvořit systém, který funguje napříč celým světem, přičemž sem a tam cestují jenom počítačová data. Ortotik provede podle pokynů sken hlavičky, data putují přes internet do Invent Medical, kde je prostřednictvím zmíněného algoritmu vygenerována přesně na míru padnoucí konstrukce a následně zpět – ke smluvnímu partnerovi v dané zemi, který je vybaven příslušnou 3D tiskárnou a je co nejblíže pacientovi, zamíří soubor s hotovou tiskovou úlohou. Všechny výrobky v medicíně musejí odpovídat přísným předpisům, kterým lze takto vyhovět, neboť celý výrobní proces je jasně definován a může být zaručena shoda mezi očekáváním a výsledkem.

Krásným příkladem digitální výroby byl také projekt respirátorových polomasek, vyvinutých na ČVUT v Praze, které 3Dees Industries jako dodavatel 3D tiskové technologie pomáhal přivést na svět v požadované sérii. Ve chvíli, kdy se  nedostávalo ochranných pomůcek pro zdravotníky a na zajištění výroby tradičními velkosériovými metodami bylo nutno počkat několik týdnů, dokázaly 3D tiskárny vykrýt toto slepé období a v reakci na urgentní potřebu fungovat jako středobod jednorázové výrobní sítě. „Ukázalo se, že na technologii, jako je HP Jet Fusion, můžete prototypovat a současně produkovat na tomtéž zařízení. Abychom dosáhli potřebného objemu výroby, oslovili jsme vlastníky těchto 3D tiskáren a poskytli jim optimalizovanou tiskovou úlohu, u které nehrozil únik chráněných dat. Tito partneři nám požadavek nacenili a dál již bylo možno okamžitě vyrábět i na globální úrovni,“ vzpomíná Ondřej Štefek.

Milion laserových diod namísto vstřikolisu

Slobodan Ilić, EOS

Německý EOS patří k zasloužilým průkopníkům 3D tisku z práškových materiálů – vývoji technologie označované dnes jako Powder Bed Fusion se věnuje už od roku 1989. „Po celou tu dobu se zabýváme optimalizací vztahu mezi zdrojem energie, tedy světlem, a práškovým materiálem. Jednou z velkých výzev současnosti je doba tisku a produktivita výroby, které jsou závislé na rychlosti skenování laseru a na výkonu zařízení. Jako řešení se nejčastěji používá přidávání dalších laserů, takže zde máme vedle jedno a dvoulaserových také multilaserové stroje. A my jsme si položili otázku – co by se stalo, kdybychom počet laserů v jednom zařízení navýšili na milion.“ Po těchto slovech vedoucí manažer společnosti EOS pro Evropu Slobodan Ilić účastníkům Fóra aditivní výroby předvedl exkluzivní ukázku zcela nové technologie LaserProFusion, která do léty prověřené aditivní technologie PBF vnáší radikální inovaci v podobě téměř milionu laserových diod. Práškový polymer je jejich prostřednictvím spékán nevídanou rychlostí za pouhých 9 sekund na jednu vrstvu, přičemž nezáleží na tom, kolik dílů se tiskne. Tisková plocha je rozdělena na 3456 pixelů a namísto pobíhání laserového paprsku je instantně osvícena výkonem až 6 kW, pod nímž se materiál zahřívá až na 300 °C.

Slobodan Ilič, EOS

 

Firma EOS technologii Laser-ProFusion označuje jako plnohodnotnou alternativu výroby ve vstřikolisech a její komerční uvedení plánuje na příští rok. Zkušenosti sbírané u pilotních zákazníků již nyní naznačují velmi slibné výsledky. Rozvoj aditivní výroby EOS směřuje nejen do větší sériovosti, ale snaží se uspokojit také specifické potřeby svých výjimečných zákazníků, mezi něž patří také výrobci vesmírných technologií. „Uvědomili jsme si, že naší standardní produktovou řadou nepokrýváme mnoho dalších zajímavých oblastí, a proto jsme založili firmu AMCM (Additive Manufacturing Customized Machines), která na základě našich strojů provádí úpravy pro konkrétní zákazníky,“ prozradil Ilić. Tato iniciativa má tři úrovně – od relativně menších úprav katalogových strojů po vývoj zcela nových konceptů na míru dané aplikaci. Výsledkem může být například stroj AMCM M 290 se zvýšeným výkonem laseru na 1 kW, umožňující tisknout z mědi nebo hliníkových slitin v tom jednodušším případě; náročnější přestavba přivedla na svět typ M 290 FDR, schopný tisknout jemné detaily a stěny tenké až 100 μm, pročež se používá například k výrobě titěrných struktur z wolframu pro počítačové tomografy; nejvyšší úroveň specializace představuje AMCM M 4K, vyvinutý pro výrobu spalovací komory z kobalt-chromu pro raketové motory, s obří tiskovou komorou o výšce 1000 mm.