Budování třetího rozměru

Zatímco při klasické výrobě, např. obrábění, se materiál zpravidla odebírá, u aditivní výroby je tomu naopak – materiál se přidává, odtud ostatně pramení i název této technologie. A právě aditivní výroba se stala jedním z klíčových prvků programu Industry 4.0, tedy Průmysl verze 4.0, označovaného také někdy jako čtvrtá průmyslová revoluce (po nástupu páry, pásové výroby a elektřiny, a konečně éry mikroprocesorů a počítačů, jimiž jsou charakterizovány ty tři předchozí), kterou symbolizuje hlavně kybernetické prvky a digitalizace, internet věcí a masové využití robotů a automatizovaných systémů. A nástup nových technologií a zařízení pro jejich využití umožnil díky aditivní výrobě i vytváření takových výrobků či objektů, které zatím pomocí tradičních výrobních postupů a metod nebylo možné dosáhnout. Například nyní nastupující 3D tisk či laserové spékání dovolují výrobu i velmi složitých konstrukcí, s nimiž by si ani špičkové obráběcí stroje nedokázaly poradit.
V řadě případů se uplatňuje i kombinace různých výrobních technologií a objevila se zcela nová generace strojů a zařízení určených právě k těmto účelům, jako např. LaserTec 65 vyvinutý firmou SAUER ve spolupráci se společností DMG MORI. Zařízení kombinuje v jednom stroji metodu laserového natavování kovu s klasickým obráběním. Nebo hybridní multifunkční centrum Integrex i-400AM firmy Mazak, představené na posledním veletrhu JIMTOF v Tokiu. Tyto stroje jsou vhodným řešením např. pro výrobu v menších sériích (např. nízkonákladové série ), z těžkoobrobitelných materiálů nebo levnou výrobu vysoce specializovaných výrobků (např. různých součástí, a to včetně třeba i součástek a konstrukčních prvků, které se již nevyrábějí. V extrémním případě umožňuje dokonce vytvořit třeba i díly, k nimž už neexistuje výrobní dokumentace, kdy je použito tzv. reverzní inženýrství. Výrobek (díl, prvek) je naskenován, analyzován a poté na základě takto získaných podkladových dat znovu vyroben.
Aditivní výrobní metody nabízejí zajímavé možnosti z hlediska snižování výrobních nákladů při kusové a malosériové výrobě ve srovnání s konvenčními postupy, i možnost výrazného zkrácení vývojového cyklu. K významným výhodám technologií aditivní výroby patří nepochybně široký rozsah materiálů, které lze pro tyto postupy použít. Kromě obvyklých materiálů, jako jsou palymery, dokážou tyto technologie využít i kovy (v práškové formě) dokonce včetně titanu, fotopolymery, polykarbonát, polyamidy, vosk, nylon, biomateriály a dokonce i potraviny.
Aditivní výroba v současnosti prožívá obrovský boom, nicméně v opojení možnostmi, které otevírá, je nutné mít na paměti i to, že kromě svých nesporných předností má i svá úskalí a některé nedostatky. Např. maximální přípustná velikost výsledných výrobků, u metod používajících vrstvením materiálu mohu vznikat strukturální nedostatky apod. Ovšem kromě problémů vlastních dané technologii může dalším vývojem a vylepšováním dojít k postupnému odstranění současných problémů.

Jaké možnosti aditivní výroby jsou v současné době k dispozici?
Asi nejrozšířenějším a nejznámějším z technologií aditivní výroby je 3D tisk, který získal nyní značnou popularitu, a někdy bývá dokonce i zjednodušován na pojem aditivní výroby obecně. Technologie 3D tisku ale zahrnuje několik různých procesů a technologií, které nabízejí široké spektrum možností výroby třírozměrných dílů a produktů z různých materiálů. Co všechny postupy a technologie mají společného, je způsob jejich výroby – postupné přidávání materiálu, zpravidla vrstvy po vrstvě.

FDM /FFF
Nejrozšířenější a nejznámější technologie 3D tisku, je známá hlavně pod registrovanou značkou FDM (Fused Deposition Modeling) firmy Stratasys, která ji vyvinula. Lze se však setkat i s označením FFF (Fused Filament Fabrication), používaném pro obdobný výrobní postup, kterým je vytlačování a vrstvení termoplastického materiálu (dodávaného obvykle ve formě plastové struny na cívce) v podobě taveniny. Pomocí tiskové hlavy, z přesně na sobě umístěných vrstev, je vytvořen trojrozměrný objekt, plast po ochlazení opět ztuhne a ztvrdne.
Hlavní výhodou technologie FDM / FFF je kromě možnosti využít rozsáhlou škálu materiálů především relativně nízká cena ve srovnání s dalšími technologiemi 3D tisku, což se odrazilo i v jejím značném rozšíření. K nevýhodám patří naopak skutečnost, že při tvorbě 3D modelů vyžaduje pro objekty s tzv. převislou geometrií (tedy tvarů, které nejsou vytvářeny přímo na podložce) použití podpůrných struktur, což je řešeno obvykle pomocí dalšího rozpustného materiálu umožňujícího po zhotovení objektu tyto pomocné prvky odstranit. Takže nelze některé modely tisknout “na jeden zátah”. Je nutné počítat rovněž se smršťováním plastu při opětovném tuhnutí.

SLA (stereolitografie)
Vůbec první metodou, která se začala používat pro 3D tisk, byla stereolitografie. Ta umožňuje vytvářet objekty pomocí postupného vytvrzování fotopolymerů vystavených působení laserových paprsků. Plastový materiál je uložen na pohyblivé podložce a vrstven. V místě, kde se laser dotkne povrchu pryskyřice ztvrdne a je na ni následně ukládána další vrstva. Proces se opakuje až do vytvoření celého v počítači nadefinovaného objektu. I když je výsledek obvykle potřeba ještě vyčistit, je SLA považována za jeden z nejpřesnějších 3D tiskových technologií, pokud jde o jemnost povrchové úpravy. Proces je však poměrně časově náročný.

DLP (Digital Light Processing)
Metoda využívající obdobný proces, tzn. reakci světla s fotopolymerem, ale na rozdíl od stereolitografie využívá konvenční světelný zdroj (obloukové lampy nebo - jak již napovídá samotné označení technologie - LCD displeje), který působí na celý povrch nádoby s fotopolymerem v jednom průchodu, takže výrobní proces je oproti SLA technologii rychlejší a pro pryskyřici lze použít mělčí nádobu, takže i množství odpadu je zpravidla nižší (a výroba tedy i levnější).
Dalšími metodami, které se v oblasti aditivní výroby uplatňují, a s nimiž se můžeme setkat v průmyslové sféře, jsou laserové technologie. Jde zejména o laserové natavování (laser melting) a laserové spékání (laser sintering). Jsou založeny na obdobném principu, na jakém funguje 3D tisk, ale místo plastového drátku se používá kov natavovaný na podklad pomocí laserových pulsů. V dalším případě použití laserové technologie (laser cusing) probíhá výroba odlišným způsobem. Výrobek vzniká ve vaně s práškovým kovem, který se v přesném místě zahřátí laserem roztaví a po opětovném ztuhnutí vytvoří tvar nadefinovaný předem CAD programem. K výhodám tohoto způsobu patří např. možnost výroby z různých exotických slitin, jejichž složení lze často „namíchat“ doslova podle požadavků na výsledný výrobek. A také to, že při použití této technologie vzniká minimum odpadu. Tato metoda je téměř bezodpadová, protože kovový prášek, který zůstal nevyužit, se z hotového výrobku jednoduše odsaje a lze ho opět použít. K omezením patří zase velikost součástek, jež lze tímto způsobem vyrobit a také relativně vysoké výrobní náklady, protože kovové prášky a jejich směsi jsou poměrně drahé (což na druhou stranu ovšem částečně vyvažuje jejich téměř dokonalé zužitkování).

SLS (Selektivní laserové spékání) a DMLS (Direct Metal Laser Sintering)
Tzv. sintrování (jak zní správně dešifrovaná zkratka SLS (Selective Laser Sintering), neboli  laserové spékání, je další z aditivních výrobních technologií, která pracuje se speciálními prášky. V dusíkem naplněné komoře (vzhledem k nutnosti udržovat během celého procesu spékání přesnou teplotu, je pracovní prostor zcela uzavřený) se prášek nanáší v tenké vrstvě na  místa, která jsou určena k vytištění. Ty jsou pak vystavena působení silného laseru, který prášek speče, a proces se opakuje až do položení a vytvrzení všech vrstev nadefinovaných pro finální výrobek.
Výhodou této metody je, že SLS umožňuje využít jak práškové kovy, tak jemný (práškový) plast. Prášky navíc fungují jako podpůrná konstrukce, což umožňuje výrobu u značně složitých konstrukcí, které se nedají vyrobit jiným způsobem. Výsledné výrobky jsou pevnější, než ty, které byly vyrobeny s použitím SLA či DLP technologie. Nedosahují ovšem tak kvalitní povrchové úpravy ve srovnání s nimi, jejich struktura může být pórovitější (tyto parametrové nevýhody se často řeší kombinací s jiným materiálem), a spékání kovového prášku vyžaduje vysoce výkonný laser. Jde rovněž o poměrně časově náročný proces (hotové objekty je navíc také nutno dlouho chladit).
Metoda DMLS, neboli přímé kovové laserové spékání vytváří výrobek po jednotlivých vrstvách na základě 3D CAD data příslušného dílu působením energie laseru, který taví kovový prášek pouze v oblasti geometrie dílu. Proces DMLS umožňuje výrobu několika tvarově odlišných výrobků zároveň.
Obdobou DMLS je technologie SLM (Selective Laser Melting) vyvinutá Fraunhoferovým institutem ILT, a metoda laserového natavování označovaná jako Laser cusing. Mezinárodní standardizační komise ASTM (American Society for Testing and Materials) začlenila metodu SLM do skupiny, resp. kategorie, "laser sintering", i když jde o proces, který vytváří homogenní kovovou masu spékáním a tavením, zatímco technologie SLS a DMLS jsou skutečné sintrovací technologie používající k vytvoření homogenní masy tlak či teplo bez roztavení materiálu, tzn. nejdou za bod, kdy se materiál zkapalní. Obdobným procesem je i technologie Electron Beam Melting (EBM), vyvinutá a patentovaná firmou Arcam, využívající jako zdroj energie elektronový paprsek.

BJ (Binder Jetting)
Prášek jako stavební hmota pro 3D tisk je i základem další z těchto technologií. S názvem Binder Jetting, jak napovídá název trysky v označení této metody, funguje tento postup podobně jako inkoustové tiskárny – inkjety. Místo inkoustu však inkoustové tiskové hlavy vystřikují tekuté pojivo na tenké vrstvy prášku, a výrobek je vytvářen slepováním jednotlivých jemných částic. Kromě rychlosti, obdobné jako u tradičního inkoustového tisku, je významnou výhodou i poměrně široká škála materiálů, kterou lze pro tuto metodu využít – a to včetně barevných pojidel umožňujících vytvářet vícebarevné objekty. Nevýhodou je však nutnost dalších dodatečných úprav, které takto vyrobené objekty potřebují, aby získaly i potřebné mechanické vlastnosti (pevnost, odolnost).

MJ / MJM (Material Jetting / Multi Jet Modelling)
Další ze spektra „tryskových“ 3D technologií, podobných inkoustovému tisku, skrápí místo inkoustu pracovní plochu miniaturní, takřka mikroskopické kapičky fotopolymeru, přičemž na vytváření vrstvy se podílí několik tiskových hlav zároveň. K vytvrzování se využívá UV světlo. K hlavním výhodám této metody patří možnost kombinovat v rámci jednoho výrobního procesu různé materiály, a také to, že vytvářený objekt je hotový prakticky ihned po ukončení tisku (odpadá tedy nutnost dodatečných úprav, např. povrchové začišťování).

CLIP (Continuous Liquid Interface Production)
Jedna z posledních novinek v oblasti 3D tisku. Výrobek je zhotovován v nádržce pomocí přesně směrovaného paprsku a vytahován směrem vzhůru, technologie nabízí velmi precizní povrchovou úpravu. Podrobné seznámení s ní jsme přinesli v předchozím vydání TechMagazínu na str. 62.

AKF
V plastikářské výrobě je obdobou 3D tiskáren systém Freeformer firmy Arburg, který na rozdíl od klasického vstřikování využívá technologii tzv. volného tvarování plastů (Arburg Kunststoff Freiformen) a zhotovuje díly po vrstvách tvořených drobnými kapičkami.
Patentovaný výrobní proces vstřikování plastu do volného prostoru nevyžaduje pro formování plastu žádnou formu nebo předdefinovanou dutinu, ani u složitých tvarů není potřeba používat žádné podpůrné struktury. Při procesu AKF jsou 3D datové soubory zpracovány přímo řídicím systémem Freeformeru, následně je v integrovaném vstřikovacím agregátu nataven standardní granulát jako u běžného vstřikovacího procesu a z taveniny jsou speciálním postupem vytvořeny kapky, které jsou nanášeny vrstvu po vrstvě do plně funkčního dílce. Tento proces umožňuje nákladově velmi efektivní kusovou nebo malosériovou výrobu. Výrobní proces umožňuje používat při výrobě dílců běžně dostupný granulát ve srovnání se speciálními materiály, jako je např. prášek nebo vlákno.
 

Publikováno: 28. 8. 2015 | Počet zobrazení: 2836 492