Kovové komponenty používané například v konstrukci automobilů mohou být díky 3D tisku levnější a přitom lepší. Výzkumníci z německého Fraunhoferova institutu demonstrují, že při správně zvoleném procesu lze už i s dnešními technologiemi aditivní výroby konkurovat konvenčním metodám sériové produkce.

Kdo už o aditivní výrobě slyšel víc než jen to, že prostě existuje, je pravděpodobně obeznámen s faktem, že největší smysl dává u výroby takových prvků, jejichž design byl od počátku navrhován s ohledem na specifika a výhody 3D tisku.

Odborníci na aditivní výrobu z Fraunhoferova institutu se rozhodli demonstrovat, nakolik pozitivní vliv může mít takový optimální konstrukční přístup z hlediska technických vlastností a zároveň nákladovosti takto projektovaných a vyráběných komponent.

Pro dosažení co nejlepších výsledků postupovali takto:

  • Byl zvolen díl, u kterého má redesign pro aditivní výrobu smysl – například dveřní závěs používaný ve sportovních automobilech.
  • Již v rané fázi návrhu se hledala ideální orientace dílu při následném 3D tisku s ohledem na výrobní náklady. Tato optimalizace umožnila například omezit počet potřebných podpěr a zároveň vyrobit v jedné tiskové úloze co nejvíc komponent a výsledkem byla úspora 15 % nákladů ve srovnání s aditivní výrobou bez takové úpravy.
  • V dalším kroku byla cíleně optimalizována geometrie dílu právě tak, jak to umožňuje jen aditivní výroba. Na základě pevnostní simulace byly tvary prvku upraveny tak, aby neobsahoval zbytečný materiál. Tím došlo k úspoře 35 % hmotnosti a jelikož se tím pádem zkrátil také čas výroby, náklady na ni klesly o dalších 30 %.
  • Časovou náročnost i nákladnost výroby ovlivňují také použité tištěné podpěry. Podpěra, kterou nevytisknete, nespotřebuje čas ani materiál a není navíc zapotřebí věnovat se ještě v post-procesu jejímu odstraňování, což je manuální a tím pádem drahý a neefektivní úkon. Optimalizace podpůrných struktur u daného výrobku ušetřila 10 % nákladů.
  • Dalších 10 % nákladů pomohla uspořit volba nejvhodnějšího práškového materiálu pro 3D tisk.
  • Zajímavých úspor lze dosahovat vhodným nastavením procesních parametrů při tisku. Zde vítězí ten, kdo již má dostatek zkušeností a dokáže se strefit do ideálního kompromisu v řadě nastavení. Například zvětšení výšky vrstvy a úprava profilu laserového paprsku v tomto konkrétním případě přinesly úsporu 15 % nákladů za cenu mírně nižší výstupní kvality (ta však je stále lepší, než jakou pro obdobný výrobek nabízí třeba odlévání).
  • Úspory na úrovni zhruba 10 % lze dosáhnout optimalizací tzv. nestingu a stackingu (rozmístění a rozvrstvení výrobků v tiskové komoře).

Celkově vzato, kombinace výše uvedených optimalizací může přinést až 80% úspory nákladů ve srovnání s použitím neoptimalizované aditivní výroby. Optimalizace topologie, podpůrných struktur a orientace dílu při tisku k úsporám přispívají dohromady asi 45 %. Optimální volba materiálu, tiskových parametrů a maximalizace výtěžnosti tiskové úlohy přispějí k redukci nákladů dalšími 35 %.

Studie Fraunhoferova institutu dokazuje, že v ekonomice aditivní výroby z kovových prášků je možné dosáhnout pětinásobné úspory nákladů ve srovnání s neoptimalizovanými tiskovými úlohami. V případě této konkrétní úlohy, kdy byla vyrobena celá série dveřních závěsů pro sportovní automobil, bylo dokonce dosaženo o 50 % nižších nákladů oproti konvenční výrobě daného počtu takových komponent. Oproti obrábění navíc vedla aditivní výroba k dílům s výrazně nižší hmotností a lepšími technickými vlastnostmi.

Závěrem popisované studie je konstatování, že lze s dnešními technologiemi aditivní výroby dosahovat konkurenceschopných výsledků u vhodně zvolených komponent, jejichž design je vytvářen s ohledem na specifika 3D tisku, v sériích až do 5000 kusů.

Fotografie: Fraunhofer IAPT