Drukowanie 3D w przemyśle

W tym miejscu pojawia się pytanie: jakie technologie mogą być szczególnie innowacyjne w inteligentnym przedsiębiorstwie informacyjnym? Warto wymienić ich dwie grupy:

1) cyberfizyczne systemy CPS (Cyber-Physical System);

2) IoT, czyli internet przedmiotów (Internet of Things).

W obu przypadkach mamy do czynienia z megatrendami rozwojowymi, które potęgują wspomnianą digitalizację materii. Oznacza to, że komputery opuszczają biura i pojawiają się na halach produkcyjnych także jako tworzywo infrastruktury. Materia wytwórcza mikroprocesorowo zostaje zintegrowana z systemami IT, które stopniowo pojawiają się niemal w każdej klamce i każdej cegle. Wystarczy wskazać inteligentne podłogi (smart floor) jako powierzchnię sterującą dla robotów transportowych. Z kolei skanery w fabrycznych śluzach i na rampach rejestrują ruch materiałów, zapewniając optima ich zasobów, dzięki automatycznym sprzężeniom z bazami danych lokalnego ERP, który komunikuje się z partnerami gospodarczymi.

Drukowanie wyrobów

Obiecującym trendem aplikacyjnym stają się urządzenia do wytwarzania przedmiotów metodami warstwowymi, zwane popularnie drukarkami 3D. Analogia do druku 2D (głównie) na papierze pozwala na dostrzeżenie szeregu zalet drukowania przestrzennego. Zwykła drukarka, czyli drukująca dwuwymiarowa, tworzy obraz bądź tekst z pojedynczych „kropek“ (dot), błyskawicznie układanych według komputerowego wzoru. W drukarce 3D następuje podobny proces, tyle że efektem jest obiekt trójwymiarowy. Teoretyczna elastyczność takiej maszyny jest bardzo wysoka – równie dobrze można w ten sposób „drukować” aparaty słuchowe, jak i samolotowe śmigła. W tym drugim przypadku stosuje się urządzenia nawet o rozmiarach do 12 metrów. Warstwowe drukowanie przedmiotów (3D printing) umożliwia osiągnięcie ideału łączącego zalety ekonomiczne produkcji masowej z elastycznością wytwarzania jednostkowego. W takim systemie zmiana produkowanego modelu szczoteczki do zębów oznacza jedynie kliknięcie myszki i uruchomienie innego oprogramowania.

Fizyczne ograniczenia związane z koniecznością przezbrajania linii podczas zmiany asortymentu można przy tym ograniczyć bądź znacząco zminimalizować i przyspieszyć. Zmiany produkcyjne są w takim systemie podobnie łatwe w ramach rodziny wyrobów, jak i w obszarze zupełnie różnych produktów. Wspomniane „kliknięcie myszki“ może równie dobrze oznaczać płynne przejście od szczoteczek do wspomnianych aparatów słuchowych. W tym ostatnim przypadku trójwymiarowo drukującą linię wytwórczą można także połączyć z bazą danych biometrycznych klientów i automatycznie produkować urządzenia o indywidualnych parametrach dla każdego z odbiorców. Takie przedsięwzięcie jest porównywalne z seryjnym drukowaniem listów, z których każdy może zawierać unikalne dane adresata czy specyficzne, dobrane tylko dla niego, informacje. Na ile zaawansowane są omawiane rozwiązanie w praktyce?

Raport Wohlers Associates 2013 pokazuje wzrost rynku drukarek 3D o niemal 30% w relacji 2011/2012, tj. do poziomu ok. 2 mld euro. Prognozy przewidują utrzymanie się tego trendu w najbliższej pięciolatce i osiągnięcie pułapu 10 mld w roku 2017. Microsoft oferuje w swoich Windowsach (8.1) sterowniki do drukarek 3D, a rząd brytyjski włącza nauczanie tej technologii do swoich programów edukacyjnych (secondary school). Jednocześnie rusza miliardowy program badawczy kilkunastu instytutów w zakresie druku przestrzennego w USA. Powstają też kolejne firmy oferujące usługi 3DaaS (3D as a Service), a ceny urządzeń schodzą do poziomu „domowego”, tj. kilkuset euro. Wytwarzanie addytywne (przyrostowe) ma szereg ograniczeń szybkościowych i cenowych i nie zastąpi szybko produkcji klasycznej, ale może ją uzupełniać i czynić bardziej elastyczną.

Drukowanie przestrzenne – przegląd faktograficzny

Geneza

  • W latach 80. XX wieku rozwija się szybkie prototypowanie RP (rapid prototyping),
  • pomyślane jako możliwość sprawnego modelowania projektów CAD (komputerowo
  • wspomagane projektowanie, Computer Aided Design) dla potrzeb CAM
  • (komputerowo wspomagane wytwarzanie, Computer Aided Manufacturing) z
  • zastosowaniem obrabiarek numerycznych NC (Numerical Control).
  • Postępy RP prowadzą do „narzędziowej“ wersji RT (rapid tooling) i wreszcie
  • zastosowań wytwórczych RM (rapid manufacturing).
  • Rok 1986, komercyjne drukarki przestrzenne (3D Systems).

Metody

  • stereolitografia (STL/SLA), utwardzanie tworzywa (żywicy) laserem, grubość warstwy 0,05–0,25 mm, w mikrostereolitografii do 1 mikrometra;
  • FDM (Fused Deposition Modeling), osadzanie topionego materiału za pomocą dyszy, możliwość stosowania najpopularniejszego surowca 3D tj. ABS (akrylonitryl-butadien-styren), warstwy o grubości 0,025–1,25 mm;
  • SLS (Selective Laser Sintering), wybiórcze spiekanie laserem, nadtapianie cząstek proszków termoplastycznych, metali (w tym tytanu), ceramiki czy szkła, metoda bezpodporowa (zawieszenie przedmiotu w proszku);
  • LOM (Laminated Object Manufacturing), wytwarzanie obiektów laminowanych z warstw papieru, wyroby o charakterze „drewnopodobnym.

Przykłady zastosowań

  • szczelniejsze elementy instalacji hydraulicznych (toalety samolotów McDonell-Douglas);
  • specjalistyczne panele i narzędzia w produkcji samochodów (BMW);
  • wzrost ilości części drukowanych 3D w przemyśle kosmicznym i wojskowym (ok. 100 części w samolotach F-18 i ok. 1000 w F-35);
  • elementy elektroniczne, podzespoły telefonów komórkowych (technologie AJ – Aerosol Jet i CSI – Conductive Silver Ink), Optomec (USA);
  • zastosowania artystyczne (design), architektoniczne (modele), medyczne (implanty).

TOP 200