Základní znalosti

Aditivní výroba nabývá na významu. Z 3D tisku mohou těžit i slévárny. Jak ale funguje a kde se využívá?“

Postupy aditivní výroby otevírají zcela nové konstrukční možnosti.

( Zdroj: / CC0 )

Aditivní výroba hraje ve výrobním průmyslu stále významnější roli a využívá se především při výrobě nástrojů a konstrukci prototypů.

Aditivní výroba: Definice a vysvětlení

Tento výrobní proces se používá především při výrobě nástrojů (rapid tooling), při výrobě konečných výrobků (rapid manufacturing) a při výrobě prototypů (rapid prototyping). Jak lze aditivní výrobu zařadit z hlediska výrobních technologií? Výrobní technologie jsou obecně založeny na třech pilířích:

• Subtraktivní procesy (něco se odebírá): Frézování, soustružení atd. Odlévání, kování atd.

• Aditivní procesy (něco se přidává): 3D tisk atd.

Aditivní výroba popisuje procesy, při nichž se vyráběný díl konstruuje přidáním materiálu. Konstrukce probíhá ve vrstvách. To zahrnuje následující dva aspekty:

1. Součást se skládá z různých vrstev. Obvykle se postupuje zdola nahoru. Zjednodušeně řečeno, používá se stejný princip jako při stavbě hradů z písku:

2. Různé procesy probíhají opakovaně ve vrstvách (tj. jeden po druhém). Jedná se o podávání materiálu, tavení (tvarování) a nakonec spojování s předchozími vrstvami. Tyto kroky, nazývané procesní řetězec, jsou stejné bez ohledu na to, na jakém stroji se aditivní výroba provádí. Jediný rozdíl je ve způsobu vytváření jednotlivých vrstev.

Aditivní výroba tedy umožňuje vytvářet 3D objekty. Aby to bylo možné, vyžaduje stroj nejprve specifikace 3D návrhu („trojrozměrný CAD“) dílu, který má být vyroben. Příslušný soubor dat se skládá z obrysových údajů (délka x, výška y), počtu vrstev (z) a tloušťky vrstvy (dz). Úkolem příslušného počítačového programu je rozdělit model do vhodných vrstev. Software pak předá soubor dat stroji ve formě výrobních pokynů, např. tiskárně pro 3D tisk kovů.

Jak to funguje?“

Téměř ve všech případech aditivní výroby a používá práškové lože. To znamená, že se práškový materiál přivádí do lože, kde se dále zpracovává. Například při 3D tisku kovů se kov (nebo několik kovů) rozmělní na prášek a teprve poté se přivádí do komory a znovu se zpracovává. Existují čtyři běžné metody výroby vrstev z prášku:

• Selektivní laserové slinování (SLS)

• Selektivní laserové tavení (SLM)

• Elektronické tavení paprskem (EMD/ EBM)

• Binder Jetting

SLS: Při spékání dochází k zahřívání materiálů pod tlakem, ale ne až k jejich roztavení. Laserová technologie umožňuje vytvářet trojrozměrné geometrie pomocí podřezávání. Obvykle se k tomu používají CO2 nebo vláknové lasery.

SLM: Prášek se zahřívá vysokoenergetickým vláknovým laserem a poté se ochladí. Tvar součástí se vytváří cíleným vychylováním laserových paprsků. SLM se používá stále častěji než SLS. Vzhledem k tomu, že není vyvíjen tlak, vykazují předměty vyšší pevnost, a jsou proto odolnější. Tento proces se často používá pro 3D tisk kovů.

EMD/ EBM: V principu je tato metoda podobná SLM. Při této aplikaci se však nepoužívá laserový paprsek, ale elektronový paprsek. Celý proces probíhá ve vakuu. EMD je rychlejší než SLM, ale méně přesná a má menší maximální objem tisku. Stroje EMD mají průměrný průměr 350 mm a výšku 380 mm. Stroje SLM jsou dvakrát větší. EMD je zejména jsou ideální technologií aditivní výroby vždy, když je třeba vyrobit malé díly ve velkém množství. Tento proces se také často používá pro 3D tisk kovů.

Binder Jetting: Prášek se selektivně nanáší s kapalným pojivem, aby se vytvořily vrstvy. Výhodou tohoto procesu je, že umožňuje velmi jednoduchou konstrukci v různých barvách.

Další výrobní procesy

Tyto čtyři typy aditivní výroby lze doplnit nebo nahradit dalšími procesy. To se týká například:

• Stereolitografie: Jedná se o klasický případ aditivní výroby. Tento proces vyvinul již v roce 1983 Chuck Hull. Objekt se postupně spouští do tekuté fotopolymerní lázně. Ten je zpracováván laserem.

• Tavené modelování vrstev (FLM): Jedná se o obvyklý postup 3D tisku (s plasty). Jedná se o speciální vytlačovací proces, při kterém se materiál po ochlazení „vytlačí“ z trysky a vytvaruje. Vytlačování probíhá jako obvykle ve vrstvách. Například v automobilovém nebo elektronickém průmyslu FLM často doplňuje objekty SLM. Tisk 3D kovů může být doplněn například technologií FLM.

Oblasti použití

Oblasti použití aditivních výrobních procesů lze rozdělit do tří kategorií. Tyto aplikace jsou často mylně ztotožňovány s technologiemi:

• Rychlá výroba prototypů: Aditivní výroba se používá k umožnění rychlé konstrukce modelu. V rané fázi vývoje výrobku by měly být k dispozici fyzické modely. Rychlá výroba prototypů umožňuje vyrábět tyto modely obzvláště spolehlivým způsobem.

• Rychlé vytváření nástrojů: V Německu se pomocí 3D tisku kovů obvykle vyrábějí malé série nástrojů pro vstřikování plastů a odlévání kovů.

• Rychlá výroba: Jedná se o rychlou výrobu předmětů, které se používají jako konečné výrobky nebo součásti. Na rozdíl od rychlé výroby prototypů se nevytvářejí modely, ale díly připravené k použití.

Pros a proti aditivní výrobě

Jaké jsou výhody aditivní výroby?

• Individualizace

• Větší svoboda designu

• Rychlost

• Není potřeba žádných nástrojů ani forem

Jednou z nejdůležitějších výhod, pokud lze objekty přizpůsobit podle přání. Například je možné vyrábět stěny s různou tloušťkou, velmi jemné struktury nebo velmi malé rozměry. Dále je možné pomocí 3D tisku kovů realizovat složité geometrie, což by při použití jiných výrobních postupů nebylo možné. Jedná se například o dutiny, podřezání, kanály s oblouky nebo převisy. Dříve platilo, že návrh objektu se musel řídit omezeními výrobních možností. U aditivní výroby toto omezení do značné míry odpadá, a proto je velkou výhodou, zejména u 3D tisku kovů. Kromě toho trvá aditivní výroba předmětu obvykle jen několik hodin, zatímco jiné výrobní procesy trvají dny nebo týdny.

Aditivní výroba má také následující nevýhody:

• Nevyhnutelné dokončovací práce

• Omezená vhodnost pro průmyslovou sériovou výrobu

Pokud předmět vyžaduje určitou kvalitu povrchu, je následné zpracování nevyhnutelné. Totéž platí, pokud je třeba dodržet určité tolerance. Pro tuto oblast dosud neexistuje žádná norma (ISO/ASTM 52195 by však mohla být odpovídajícím způsobem dále rozpracována). Zejména v případě 3D tisku kovů může být konečná úprava extrémně časově náročná.

Například 3D tisk kovů obvykle umožňuje vyrábět na jednom stroji maximálně dva objekty najednou. Konvenční výrobní metody naproti tomu umožňují vyrábět mnohem větší množství. Pro průmyslovou hromadnou výrobu je proto aditivní výroba vhodná jen v omezené míře. Nejlepším příkladem je výroba v automobilovém průmyslu: Teoreticky by se aditivní výrobou dalo vyrobit celé vozidlo. Vzhledem k velkému množství komponent by to však bylo příliš nákladné. Z tohoto důvodu se většina komponentů nadále vyrábí konvenčními metodami.

Dualita nákladů

Otázka investic je podle odborníků kontroverzním tématem. Protože cenové rozpětí pořizovacích nákladů stroje se pohybuje od 15 eur do více než 100 000 eur. Ve srovnání s jinými stroji to není nijak zvlášť drahé. To platí i v případě, že se započítají náklady na údržbu. Zejména v lékařské technice tak aditivní výroba nabízí značnou nákladovou výhodu. V průmyslových aplikacích je situace jiná. V této oblasti například 3D tisk kovů doplňuje konvenční výrobní systémy. Nemůže je však zcela nahradit. Zde aditivní výroba způsobuje dodatečné náklady.

Aditivní výroba v budoucnosti

Aditivní výroba má před sebou velkou budoucnost. Společnost SAMG to shrnula takto: Současný vývoj aditivní výroby již překonal předpovědi ze studií provedených v předchozích letech. Renomované výzkumné instituce, jako je ETH Curych, jsou přesvědčeny, že 3D tisk kovů bude mít ve strojírenství a výrobě nástrojů stále větší význam. Cílem je, aby se aditivní výroba stala dostatečně rychlou a přesnou, aby byla vhodná pro sériovou výrobu. V současné době možnosti aditivní výroby stále konkurují CNC řízeným strojům, které jsou stále vhodnější pro sériovou výrobu. Dlouhodobým cílem je, aby 3D kovový tisk složitých předmětů v budoucnu předstihl CNC.

Za úspěšné využití 3D tisku je zodpovědný kosmický a letecký průmysl. V automobilovém průmyslu se pomocí aditiv vyrábějí zejména náhradní díly. Zde najdete další informace o využití aditivní výroby v přehledu článků.

Tento článek byl poprvé publikován v MM International.

.