3D tlač sa začína vo väčšom meradle etablovať aj na Slovensku a pre mnohých výrobcov začala byť zaujímavá ako doplnková technológia. Niektoré firmy ju využívajú na mnohé aplikácie a výrazne podporila ich biznis model. Kedy je teda 3D tlač vhodná pre firmy a kde sa v praxi najviac využíva?

Aby sme mohli túto otázku zodpovedať, rozmeníme si ju na drobné. Využitie môžeme rozdeliť do 4 základných oblastí:

1. Prototypovanie
2. Výroba funkčných dielov
3. Malosériová výroba
4. Dizajnové inovácie

Poďme sa teda v tomto článku zamerať na tieto jednotlivé oblasti bližšie v zmysle toho, ako ich firmy využívajú.

Prototypovanie

Proces rýchleho prototypovania (rapid prototyping) prináša značné výhody práve pre firemný sektor a to napr. overenie dizajnu pri montáži, pred uvedením do sériovej výroby, odladenie dizajnových nedostatkov, a pod.

Unikátny charakter výroby 3D tlače (aditívnych technológií) je veľmi vhodný práve pre rýchlu výrobu, zmenu dizajnu a minimálne náklady. Navyše je možné použiť materiály, ktoré sú recyklovateľné a teda s ohľadom aj na životné prostredie.

Vo väčšine prípadoch je dostačujúca technológia tavenia plastovej struny (FDM/FFF), ktorá je najrozšírenejšia a disponuje aj najväčším portfóliom dostupných materiálov.

Prototypy z tejto technológie môžu byť pri určitých podmienkach aj funkčné, avšak majú slabšie mechanické vlastnosti ako napr. technológie SLS, SLA alebo DMLS/SLM, keďže pevnosť medzi vrstvami je nižšia ako kolmo na vrstvy. Vznikajú teda anizotropné výrobky.

Veľkou výhodou je však rýchlosť, kde menšie až stredne veľké diely (cca do najväčšieho rozmeru 250 mm), je možné vyrobiť už do 24 hodín. Okrem toho, vychádzajúc z prípadových štúdií, je výroba prototypov lacnejšia o 60 až 95% v porovnaní s CNC opracovaním. Prototypy môžeme vyrobiť rádovo v desiatkach až nižších stovkách eur.

Prototypovanie technológiou FDM

Výroba funkčných dielov

Vo firemnom sektore sa väčšinou jedná o výrobné prípravky alebo vybrané časti strojov, ktoré môžu prenášať aj zaťaženie.

V prípade prípravkov sú to hlavne montážne prípravky, tvarové šablóny, upínacie a meracie prípravky a pod. Spojuje ich základný predpoklad – sú tvarové zložité a nevyžadujú vysoké presnosti a mechanické vlastnosti.

Pre výrobu prípravkov sa využíva prevažne technológia spekanie polymerového prášku SLS/MJF, kde je zabezpečená dostatočná presnosť (štandardná tolerancia  ±0,2 mm), vyvážená kvalita povrchu a rovnaká pevnosť vo všetkých smeroch. Najrozšírenejší je materiál Nylon PA12, ako univerzálny termoplast.

V prípadoch, kde sa vyžadujú ešte lepšie mechanické, teplotné alebo chemické vlastnosti, firmy volia technológiu SLM/DMLS pre spekanie kovových práškov. Výhodou je využitie rozšírených konvenčných materiálov ako nerezová oceľ 316L, rôzne druhy nástrojovej ocele, titán, hliník, inconel a pod.

Ak sa však zvolí vhodný dizajn, ktorý môže obsahovať aj unikátne prvky oproti konvenčným technológiám, ako interné kanáliky, vnútorné tvarové dutiny a súčasne je výrobok relatívne malých rozmerov (najväčší rozmer cca do 150 mm), v týchto prípadoch väčšinou práve 3D tlač kovu (aditívna výroba) ekonomicky výhodnejšia ako konvenčné technológie.

Funkčné diely vyrobené 3D tlačou – planétové ozubenie

Malosériová výroba

Za posledné roky sa však trh s 3D tlačou posunul míľovými krokmi dopredu a čo nebolo možné vtedy, je už dnes bežnou praxou. A to sa vzťahuje aj na malosériovú výrobu funkčných dielov.

Všeobecne rozšírené pravidlo, ktoré vo väčšine prípadoch určuje ekonomickú stránku výroby zobrazuje graf nižšie:

Graf porovnania ekonomického a kvantitatívneho aspektu výrobných technológií

Opäť, z prípadových štúdií vyplýva, že 3D tlač v porovnaní so vstrekovacou formou je stále lacnejšia okolo hranice 5000 ks. Pri CNC opracovaní je táto hranica okolo 100 ks. Táto hranica sa každým rokom posúva v prospech aditívnych technológií z dôvodu nižších nákladov a vyššej produktivity. To znamená, že mnoho výrobkov, ktoré sa dnes vyrábajú konvenčnými technológiami, môžu byť lacnejšie a dokonca aj vyrobené rýchlejšie, ak by sa použila 3D tlač.

Kvalitatívny aspekt, ako aj aspekt opakovateľnosti a presnosti je limitujúci pre 3D tlač. A preto je vhodné sa poradiť s odborníkmi na aditívnu výrobu, aby vedeli posúdiť či dané diely budú pre konkrétnu aplikáciu vhodné.

Malosériová aditívna výroba z kovových materiálov

Dizajnové inovácie

Výrazný posun v konštruovaní zaznamenali výpočtové metódy ako topologická optimalizácia a generatívny dizajn.

V oboch prípadoch sa jedná o metódy výpočtu implementované v CAD systémoch, ktorými vieme pri správnom využití získať optimálny dizajn pre konkrétny diel alebo zostavu pri známych okrajových podmienkach.

Týmito metódami môžeme okrem iného získať:

• Ideálny tvar telesa s minimálnou možnou hmotnosťou,
• Dlhodobú úsporu výrobných nákladov súvisiacu s úsporou materiálu,
• Zvýšenie efektivity zariadení, ktoré obsahujú generatívne optimalizované diely,
• Konsolidáciu zostáv do menších celkov,
• Pokrokový bionický a organický dizajn.

Tieto metódy poskytujú silný nástroj práve v spojení s aditívnymi technológiami a práve firmy ich v súčasnosti začínajú využívať pre dosiahnutie vyššie spomenutých benefitov. Viac informácií o generatívnom dizajne si môžete prečítať aj na nasledovnom odkaze: https://stepanek3d.sk/generativny-dizajn/

Generatívny dizajn – štrukturálna optimalizácia objemu

Záver a zhodnotenie

Z daných oblastí je zrejmé, že 3D tlač má v súčasnosti vo firmách už široké zastúpenie. V nasledujúcich rokoch sa očakáva ďalší nárast a mnoho aplikácií, ktoré sú v súčasnosti doménou výhradne konvenčných technológií sa môžu čoskoro transformovať práve na aditívne technológie. Aj preto mnoho firiem prechádza a testuje tieto technológie, aby boli pripravené na budúce zmeny a získali potrebné know-how.

Obmedzujúce faktory sú hlavne nižšia presnosť, všeobecne slabšie mechanické vlastnosti. Na druhú stranu však prevažuje flexibilita a univerzálnosť 3D tlače.

Ak si nie ste istí, či práve vo Vašej firme viete využiť aditívne technológie, môžete nás kontaktovať a radi Vám poradíme.