Drukowanie 3D – praktyka i prognozy

Drukowanie 3D przechodzi od fazy technologii niszowej do poziomu nowego paradygmatu wytwórczego, który może istotnie zmienić produkcję i logistykę w ciągu 10–15 lat.

W sferze wytwórczości innowacyjność odgrywa podobnie istotną rolę jak marketing w handlu. Mówimy tu o działaniach umożliwiających zwiększanie konkurencyjności firmy na rynku. Praktyka uczy, że działania innowacyjne wiążą się z niepewnością co do efektów inwestycji, ale ryzykiem można przecież zarządzać, a zatem je minimalizować i być przygotowanym do przeciwdziałań. Znacznie większym zagrożeniem dla przedsiębiorstwa jest ignorowanie nieustannego postępu technicznego. Najważniejsze jest zatem pytanie: jakie trendy innowacyjne mogą być istotne już w najbliższej przyszłości?

Jedną z metod prognostycznych, stosowanych z powodzeniem przez firmę badawczą Gartner Group, jest badanie cyklu życia technologii (hype cycle). Możemy wyróżnić w nim pięć faz, zgodnie z charakterystyką zaprezentowaną w załączonej tabeli. Jego początkiem jest punkt nieciągłości dotychczasowych prognoz – zaskoczenie związane z pojawieniem się nowej technologii. Na końcu cyklu mamy powszechnie stosowane stabilne rozwiązania, które jednak pozwalają oczekiwać pojawienia się kolejnych, jeszcze bardziej nowoczesnych. Przykładem mogą być myszki komputerowe, których prototypy pojawiły już w roku 1963. Potrzeba było jednak dziesięcioleci rozwoju, abyśmy powszechnie zaczęli korzystać z myszy bezprzewodowych (początki lat 90. XX wieku) czy optycznych, zamiast mechanicznych czy kulkowych (koniec lat 90.). Jednocześnie istnieje potrzeba stosowania jeszcze nowszych technologii, np. myszy operujących w trzech wymiarach, zwanych nietoperzami (bat) czy sterowania urządzeń bezpośrednio gestami (smart-TV).

Zobacz również:

Most do przyszłości

Spróbujmy odpowiedzieć na pytanie: gdzie na hipercyklicznej krzywej znajdują się technologie druku 3D? Przede wszystkim warto zauważyć, że mieszczą się one w jednym z najistotniejszych trendów zmieniających obecnie przedsiębiorstwa produkcyjnie, tj. Przemysłu 4.0. Mówimy tu o inteligentnych fabrykach (smart factory), informatycznie przetwarzających materię (docelowo), w miejsce industrializacji trzeciej generacji, tj. elektromechanicznej z elementami komputerowego wspomagania – charakterystycznej dla drugiej połowy ubiegłego stulecia. Dodajmy, że druga generacja przemysłu (pierwsza połowa XX wieku) opierała się na elektryczności w sferze wytwórczej i tayloryzmie-fordyzmie w zarządzaniu. Natomiast generacja pierwsza związana była z industrializacją „parowo-kolejową”, tworząc zręby masowego przemysłu i transportu (wiek XIX).

Genezą druku 3D jest tzw. szybkie prototypowanie RP (rapid prototyping), które zaczęło rozwijać się w latach 80. dla efektywniejszego modelowania CAD (Computer Aided Design komputerowo wspomagane projektowanie). CAD przekładało się na nowe rozwiązania wytwórcze CAM (Computer Aided Manufacturing – komputerowo wspomagane wytwarzanie) już z obrabiarkami NC (Numerical Control). W kolejnych fazach rozwoju RP powstają jego „narzędziowe” wersje (rapid tooling) i wreszcie aplikacje wytwórcze RM (rapid manufacturing). Obecnie możemy już mówić o 30. rocznicy pojawienia się komercyjnych drukarek przestrzennych (3D Systems, 1986 r.).

Główne obszary i zastosowania druku 3D

Główne obszary druku 3D

1. Zastosowania domowe (home) – zabawki, naczynia, ozdoby, drobne przedmioty i naprawy – kreatywność, edukacja komputerowa.

2. Druk na życzenie PoD (Print on Demand) – większe przedmioty, modele zwierząt, „sobowtóry“ – rzemiosło, DYI (do it yourself, zrób to sam).

3. Przemysł wytwórczy – głównie elektromaszynowy, samochodowy, lotniczy – skracanie cyklów projektowych, elastyczność, innowacyjność.

4. Sfera niszowa – drukowanie żywności (food printing), instrumentów muzycznych – sprzęt wielofunkcjonalny AiO (All in One, np. skanerodrukarki XYPrinting DaVinci).

Zastosowania gospodarcze druku 3D

1. Przemysł lotniczy – części o złożonej geometrii, większa precyzja i kontrola mikrowłaściwości (np. gęstości) – redukcja wagi części.

2. Przemysł samochodowy – części zapasowe, narzędzia – szybkie prototypowanie, skracanie cyklu projektowego.

3. Farmacja i zdrowie – precyzyjne modele dla planowania chirurgicznego, protezy/implanty, materiały do testowania leków – druk indywidualny, biodruk (bioprinting).

4. Sport – odzież ochronna i na miarę (np. korki do butów wykorzystujące dane biomechaniczne), wielomateriałowe i wielobarwne prototypy do testowania – produkcja części niemożliwych do wykonania metodami tradycyjnymi.

W tym czasie powstało szereg metod druku 3D. Wymieńmy tu stereolitografię, czyli utwardzanie tworzywa (żywicy) laserem w warstwach 0,05–0,25 mm (do 1 mikrometra w mikrostereolitografii). Z kolei w metodzie FDM (Fused Deposition Modeling) występuje osadzanie stopionego materiału za pomocą dysz z możliwością stosowania popularnego surowca – ABS (akrylonitryl-butadien-styren). Możliwe jest także wybiórcze spiekanie laserem z nadtapianiem cząstek proszków termoplastycznych, metali (np. tytanu), a także ceramiki czy szkła – metoda SLS (Selective Laser Sintering). W wersji LOM (Laminated Object Manufacturing) wytwarzane są obiekty o charakterze „drewnopodobnym”, tj. z laminowanych warstw papieru.

Druk 3D prowadzi do wytwórczości dóbr cyfrowych, gdzie przezbrojenie linii – od produkcji kubków do śmigieł samolotowych – odbywa się za pomocą kliknięcia myszki.

Spektrum wyrobów 3D obejmuje części w przemyśle samochodowym (BMW) czy lotniczym (amerykańskie F-35), elementy instalacji hydraulicznych bądź drukowane „na miarę” aparaty słuchowe. Spektakularnym przykładem możliwości druku 3D jest projekt budowy (drukowania) całego mostu w Amsterdamie o nowych właściwościach architektonicznych i konstrukcyjnych.

Czy jest czego nie można wytworzyć omawianą technologią? Trzeba by sporej fantazji aby zdefiniować takie przedmioty. W końcu każdy rzeczywisty obiekt ma trzy wymiary, a to oznacza, że można dokonać jego dekompozycji na zbiór przekrojów dwuwymiarowych. Naturalnie i owe przekroje będą miały trzy wymiary, ale przy ich niewielkiej grubości uzyskujemy pożądany efekt i możemy drukować np. samochód. Warunkiem byłoby tu wszakże użycie technologii przyrostowej tworzącej tak złożony wyrób z bardzo wielu różnych materiałów – tworzyw, metali itp.

Natomiast już obecnie możliwe jest drukowanie… obwodów drukowanych. Laik wzruszyłby tu ramionami przypuszczając, że skoro mowa o obwodzie drukowanym to zapewne z definicji się go drukuje. Tymczasem tzw. płytki drukowane (PCB, Printed Board Circuit), powszechnie stosowane w elektronice, powstają w procesie numerycznego nawiercania otworów oraz wytrawiania powierzchni zbędnych tak aby na płytce pozostały tylko pożądane połączenia czyli ścieżki. Technologia 3D umożliwia wydajniejsze projektowanie i produkowanie takich płytek – szczególnie pozytywne efekty występują w odniesieniu do najbardziej złożonych układów tj. wielowarstwowych. A przecież właśnie wielowarstwowość to problem technologii analogowych i naturalna siła 3D. Tego typu rozwiązania oferuje m.in. izraelska firma NanoDimension.

Dobra cyfrowe

Technologia druku 3D oznacza istotną zmianę paradygmatu wytwórczego: zamiast montażu całości wyrobu z poszczególnych części, produkcja addytywna (przyrostowa). Konsekwencje tej zmiany wykraczają poza sferę czysto techniczną i oznaczają:

- digitalizację przedmiotów od chwili ich kreowania do finalnej produkcji, dzięki

czemu stają szybciej dostępne w skali globalnej;

- rozwój trendu prosumenckiego (producent–konsument), możliwość drukowania

przedmiotów w domu;

- zmianę organizacji logistyki, zorientowanej na globalny transport surowców (do

druku wyrobów) i lokalny produktów finalnych;

- osiąganie ideału masowej kastomizacji (mass customization), tj. łączenia niskiego

poziomu kosztów produkcji seryjnej z wysokim poziomem indywidualizacji wyrobu.

Druk 3D prowadzi do wytwórczości dóbr cyfrowych, gdzie przezbrojenie linii – od produkcji kubków do śmigieł samolotowych – odbywa się, obrazowo rzecz ujmując, za pomocą kliknięcia myszki.

Na dynamikę omawianego rynku wskazują prognozy jego rozwoju – systematycznie korygowane w górę. I tak w roku 2013 raport Wohlers Associates przewidywał wzrost rynku drukarek 3D o 30% rocznie w nadchodzącej pięciolatce do wartości 10 mld euro w roku 2017. Tymczasem badania wykorzystujące dane Canalys, opublikowane w marcu 2014 r., pokazywały współczynnik CARG (Compound Annual Growth Rate – skumulowany roczny wskaźnik wzrostu) na poziomie 45% od roku 2013 do roku 2018.

Druk 3D to także szansa dla firm krajowych, zarówno jako pomysł na nowy biznes dla startupów, jak i wyzwanie innowacyjne dla większych przedsiębiorstw. Zresztą oba wymiary mogą się łączyć w praktyce czego dowodem jest firma Materialise (www.materialise.com) założona niemal trzy dekady temu w Belgii. Dziś posiada swoje biura i zespoły projektowe w kilkunastu krajach świata, m.in. w Polsce.

Do istotnych obszarów zastosowań druku 3D należy także produkcja narzędzi dla produkcji. Mówimy zatem nie o wytwarzaniu wyrobów końcowych, ale o takich obiektach jak szablony montażowe, formy wtryskowe czy chwytaki robotów przemysłowych .


TOP 200