3D tisk je často spojován především s prototypovou výrobu. Stačí přidat slovo „průmyslový“ a kola inovace se dají do pohybu. Průmyslový 3D tisk – nebo-li „aditivní výroba“ – má již významný potenciál také u českých firem, a to nejen díky ASTM a ISO standardům.

Aditivní výroba dnes umožňuje produkovat koncové díly, díly pro podporu výroby nebo již zmiňované prototypy. Vyrábí se přitom z plastu, kovových materiálů, keramiky nebo dokonce i z betonu. Pro někoho může být překvapením, že aditivně produkované díly mají srovnatelné nebo vyšší užitné vlastnosti v porovnání s díly zpracovanými konvenčními technologiemi.

U konvenčně vyráběných materiálů výzkum probíhá téměř 100 let a neustále se materiály a slitiny zdokonalují. V oblasti aditivní výroby můžeme počátek výzkumu datovat někdy do osmdesátých let a plné zvládnutí jednoho typu materiálu je otázka 5 až 7 let. Je potřeba sledovat mechanické vlastnosti, pochopit únavové chování, ale také například hledat nové přístupy k povrchovým úpravám.

V první řadě je to ovšem změna myšlení o výrobku a vývoj úplně nového designu, která může přinést zcela novou úroveň produkce. Aditivní myšlení přináší bezesporu mnoho výhod a úspor, mezi které patří například známé snížení hmotnosti při zachování mechanických vlastností. K dalším benefitům můžeme uvést snižování počtu dílů v sestavách. Eliminuje se technologická náročnost výroby každého prvku a můžeme vyrábět i poměrně složité a komplikované sestavy jako jeden díl.

Velmi důležitým prvkem je samotný materiál, což dělá výzkum a vývoj v této oblasti zcela zásadním. Projevuje se to zvláště u výroby z kovových materiálů. Mikrostruktura je odlišná od klasických konvenčních metod, jako je například odlévání. To vede i k odlišnému mechanickému chování a je třeba věnovat zvláštní pozornost také chování únavovému.

Potřebujeme tedy opravdu znát vlastnosti, kterých má být u výrobků dosaženo. Jelikož je průmyslová aditivní výroba omezená rozmanitostí materiálů, výzkum často směřuje právě do této oblasti. Aditivní technologie umožňují vyrábět více než z 20 kovových materiálů, ve výrobě plastů se jedná převážně o polyamidy, případně polypropylén, tedy materiály, které jsou dobře uplatnitelné pro koncové díly. Technologie typu FDM anebo SLA se dost často používají pro výrobu prototypů, kde nejsou kladeny tak vysoké nároky na funkčnost. Věda a výzkum přináší poznatky, jak se jednotlivé materiály chovají v různých technologiích, jaké jsou jejich limity, anebo naopak přednosti.

Kontrola kvality u aditivní výroby je nezbytnou součástí celého výrobního řetězce. Už ve fázi, kdy se díly čistí od prášku, je možné vizuálně zkontrolovat
správnost výroby. Proces tzv. „vylupování“ se velmi podobá archeologické práci.

Alchymie tepelného zpracování

Po výrobě daného dílu je velmi důležitý post-procesing. Zkoumá se vliv tepelného zpracování na mechanické vlastnosti, elektrické nebo elektromagnetické vlastnosti, vedení tepla apod. Vedení tepla je dobrý příklad toho, že zkoumání tepelného zpracování má smysl.

Zákazníci mají představu, že když aditivně vyrobíme díl z hliníku nebo mědi, bude mít parametry vhodné pro aplikace vedení tepla. Ovšem zásadní je právě tepelné zpracování a změna charakteru mikrostruktury, což vede k vyšším hodnotám tepelné vodivosti.

Ohledně aditivní výroby se v tuzemsku objevuje mnoho nepřesných informací a dogmat, která nejsou pravdivá. To vychází ze současného stavu poznání a nezájmu o výzkum. V zahraničí je však situace jiná. Firmy, které vsadily na výzkum a posouvají obor aditivní výroby kupředu, jsou o poznání dál.

Je jasné, že oblast kontroly kvality se bude nadále rozšiřovat. Zákazníci mají vyšší nároky na vlastnosti tištěných dílů, v podstatě srovnatelné s konvenční výrobou, vůči které tyto díly porovnávají. Stejně tak jsou kladeny nároky na rozšíření materiálové základny, což je prostor pro výzkum. To vidíme například ve výrobě forem nebo v leteckém průmyslu. Také bude docházet ke zlepšování vlastností aditivně vyráběných dílů na úroveň konvenční výroby, nebo i nad ni. Sama aditivní výroba začne být považována za konvenční techniku.

Aditivní výroba od A do Z

V Mohelnici sídlí rodinná firma One3D, která je českým lídrem v oblasti aditivní výroby a post-procesingu dílů z plastu a kovu. Inovuje výrobu v odvětvích automotive, strojírenství, obrany a vesmírných technologií v regionu střední a východní Evropy. Kromě českého trhu působí na Slovensku, v Německu, Polsku, Rakousku a Chorvatsku. Najdete u ní kompletní portfolio služeb od konzultací a worskhopů, přes vývoj, výrobu, post-procesing až po výstupní kontrolu kvality.

Společnost využívá klíčové technologie jako jsou SLS, SLA, MJF a DMLS. Zákazníci si mohou vybrat z rozsáhlé nabídky 11 používaných materiálů. Aditivní výroba probíhá na strojích od výrobců EOS, HP a Stratasys.

One3D nabízí široké možnosti povrchových úprav: abrazivní tryskání, barvení máčením, chemické vyhlazení, mokré lakování, pokovení, vibrační omílání a obrábění. Vše ve vysoké kvalitě a s krátkou dobou realizace.

V současnosti One3D spolupracuje s předními firmami i s výzkumnými organizacemi. Zákazníkům tak pomáhají nejen s výrobou, ale také s výzkumem. Společnost v roce 2021 získala certifikáty ISO 9001, ISO 45001 a ISO 14001. Chrání kvalitu pro zákazníky, dodržuje nejnovější mezinárodní normu bezpečnosti a ochrany zdraví při práci a zastává ekologickou výrobu.

Programovatelnou pec pro tepelné zpracování s inertní argonovou atmosférou lze rozžhavit až na 1100 °C. Teplotní tolerance se pohybuje mezi – 6 a +6 °C podle normy EN 17052-1.

Podhoubí pro vývojové projekty

Ve firmě One3D si uvědomili, že samotná výroba pomocí průmyslového 3D tisku neznamená pouze dodat díl, ale také zaručit jeho kvalitu. Na rozdíl od zahraničí se v tuzemsku jedná o poměrně mladý obor. Zákazníci často nedůvěřují informacím od dodavatelů a požadují, aby dodavatel provedl vlastní měření a doložil, že jeho technologie splňují požadované nároky.

Již při samotném vývoji nových dílů pro aditivní výrobu je výhodné navrhovat design s ohledem na vyrobitelnost a minimalizaci objemu materiálu. Proces návrhu je založen na optimalizačních algoritmech a vstupem pro tyto výpočty jsou experimentálně zjištěné hodnoty fyzikálních vlastností pro konkrétní materiál vyrobený na konkrétním zařízení.

Zapotřebí je také ověřovat kvalitu výroby a kontrolovat, zda vlastní vývoj v oblasti zpracování materiálů odpovídá nárokovaným požadavkům. Výrobní řetězec se skládá z výroby, tepelného zpracování, povrchových úprav a případného obrábění. V každém kroku je potřeba mít informaci o stavu materiálu, protože od něj se následně odvíjí krok následující. Ve One3D také začali vylepšovat standardní nastavení strojů a optimalizovat procesní parametry pro dané aplikace. Například výroba tenkých stěn vyžaduje použití jiných parametrů výroby než standardní díly.

Tyto problémy pro One3D vyřešilo zřízení vlastní laboratoře. Ta nyní vystupuje pod obchodní značkou One3D lab, přičemž zajišťuje služby vědy a výzkumu, které souvisejí především s aditivní výrobou, ale také mohou pomáhat ostatním firmám v oblasti životního cyklu produktu. Je to též jakési „podhoubí“ pro vývojové projekty realizované pro zákazníky.

Laboratoř umožňuje kontrolovat, zda proces výroby a jeho výstupy jsou stále v tolerancích předepsaných zákazníkem, zda jsou splněny výrobní podmínky, zda je kalibrace strojů stále platná. Pomáhá s vývojem produktu a akceleruje čas od vývoje k uvedení na trh. One3D participuje nejen na výzkumně vývojových projektech podpořených Technologickou agenturou ČR a MPO, ale realizuje také přímý komerční vývoj a výzkum. Dovoluje zpřístupnit laboratorní technologie malým a středním firmám, které si potřebná – poměrně nákladná – zařízení obvykle nemohou či nechtějí dovolit.

V současné době je laboratoř vybavena zařízením pro analýzu rozměrové přesnosti a geometrických tolerancí (3D skenery), dále vybavením pro digitální mikroskopii, pro analýzu makro- a mikrostruktur, identifikaci defektů a porozity materiálu. Pro přípravu vzorků disponuje metalografickou linkou, která se skládá z pily, lisu a leštičky. Na mechanické testy se používá univerzální testovací zařízení o síle 300 kN, na kterém lze realizovat tahové, tlakové a ohybové testy. V rámci mechanických testů je k dispozici i tvrdoměr, což lze využít například při řešení tepelného zpracování aditivně vyráběných dílů z kovu. Ostatní laboratorní testy jsou pak realizovány ve spolupráci se smluvními partnery.

Foto: One3D, napsal Doc. Ing. David Paloušek, Ph.D.