Druk 3D dziś i jutro – komentarz

Rynek druku 3D stale się rozwija. W Polsce przeważają obecnie startup’y, które prowadzone są głównie przez pasjonatów druku 3D. Firmy te najczęściej oferują… wydruki w przystępnych cenach. Na ich wyposażeniu znajdują się przeważnie niewielkie drukarki pracujące w technologii FFF (Fused Filament Fabrication) lub innych, które bazują na profesjonalnej technologii FDM (str. 47). Zarówno technologia FFF jak i pokrewne techniki wykorzystujące tworzywa sztuczne w postaci filamentu jako materiały budulcowe, nie pozwalają czerpać z pełni potencjału oryginalnej technologii FDM. Warto przy tym zauważyć, iż w przypadku firm produkcyjnych czy ośrodków naukowych coraz większą popularność zdobywają profesjonalne urządzenia przemysłowe. Wiąże się to głównie z dostrzeganiem ogromnych korzyści wynikających ze znacznego skrócenia czasu wprowadzenia produktu na rynek (ang. time to market), a w przypadku ośrodków naukowych prowadzenia badań nad rozszerzeniem możliwości aplikacyjnych poprzez np. określanie właściwości użytkowych drukowanych części.

Rynek druku 3D rozwija się głównie dzięki możliwości redukcji kosztów, które uzależnione są od czasu przeznaczonego na proces prototypowania oraz wytwarzania krótkich serii produkcyjnych. Przykład może stanowić wykonanie formy wtryskowej do produkcji małoseryjnej – obecnie sam proces wykonania takiej formy u wyspecjalizowanego wykonawcy może zająć nawet miesiąc. Należy przy tym wspomnieć, iż  wymaga to wyposażenia w profesjonalne urządzenia (np. obrabiarki sterowane numerycznie), odpowiednie oprzyrządowanie czy też posiadania wykwalifikowanej kadry pracowniczej. W przypadku technologii przyrostowych wykonanie takiej formy jest łatwiejsze i poza drukarką 3D nie wymaga posiadania dodatkowych narzędzi, urządzeń czy specjalistycznie przeszkolonego personelu (czas szkolenia operatora drukarki 3D z reguły trwa nie dłużej niż jeden dzień), a sam proces wytwarzania, w zależności od skomplikowania i wymiarów poszczególnych elementów formy, ogranicza się do kilku godzin. Pomijamy w tym porównaniu etap projektowania, ponieważ jest on niezbędny w obu przypadkach. Należy się także zastanowić, co w przypadku, kiedy pierwotne założenia okazały się błędne i należałoby formę przeprojektować? Takie same rozważania należy przeprowadzić w kwestii środowiska rozwoju produktu. Połączenie projektowania współbieżnego (stała współpraca projektantów w trakcie planowania, koncepcji, projektowania, prototypowania) i drukowania 3D (szybkie wytwarzanie na każdym z etapów rozwoju produktu) pozwala na uzyskanie najbardziej wymiernych korzyści. Druk 3D jest więc doskonałym sposobem na znaczne zaoszczędzenie czasu oraz zredukowanie kosztów wynikających z wprowadzania nowych produktów na rynek. Należy także zaznaczyć, że z czysto marketingowego punktu widzenia dużo łatwiej jest sprzedać obiekt fizyczny, który każdy może dotknąć i sprawdzić jego działanie, kształt i ergonomię. Zazwyczaj nie jest to możliwe w przypadku projektu widzianego na ekranie komputera.

Moim zdaniem rynek druku 3D w obrębie maszyn do zastosowań profesjonalnych jest obecnie w fazie rozwoju, głównie w obszarze aplikacji produkcyjnych. Profesjonalne urządzenia do druku 3D gwarantują doskonałą jakość i powtarzalność wydruków przy niskiej awaryjności systemu i dodatkowym wsparciu ze strony producenta. Czynnikiem ograniczającym popyt na profesjonalne rozwiązania jest bez koszt wdrożenia profesjonalnych rozwiązań, zwłaszcza w niewielkich przedsiębiorstwach. Znacznie większy postęp możemy obserwować w segmentach druku amatorskiego i półprofesjonalnego, gdzie liczna konkurencja dodatkowo mobilizuje producentów do szukania coraz to nowych rozwiązań i podążania za trendami wyznaczanymi przez uznane światowe marki.

Ciężko jest wybrać jeden sektor, w którym druk 3D ma zastosowanie. Większość dzisiejszych ośrodków R&D czy firm zajmujących się szeroko pojętym wytwarzaniem posiada drukarkę 3D. Przekrój podmiotów stosujących tę technologię jest naprawdę szeroki: od firm meblarskich, kosmetycznych, poprzez przemysł elektroniczny, samochodowy, lotnictwo, kosmonautykę aż do przemysłu medycznego. Biorąc pod uwagę aplikacje, również mamy całe spektrum zastosowań, jednak jednym z najbardziej powszechnych jest prototypowanie. Należy również wspomnieć o różnego rodzaju wzornictwie (przemysłowym i nie tylko), sztuce, produkcji nisko seryjnej a nawet wytwarzaniu wyspecjalizowanych narzędzi i oprzyrządowania.

Obecnie główną technologią druku 3D stosowaną w przemyśle jest technologia FFF (Fused Filament Fabrication) która wywodzi się z technologii FDM (Fused Deposition Modelling). Jest to stosunkowo tania i nieskomplikowana w swoich założeniach technologia, wykorzystująca jako materiał wyjściowy termoplastyczne tworzywa sztuczne powszechnie stosowane w przemyśle. Ich dodatkowym plusem jest niska szkodliwość oraz korzystna cena. Przekrój cenowy urządzeń jest bardzo szeroki – od kilkuset złotych za rozwiązania amatorskie, najczęściej typu RepRap aż do kilkuset tysięcy Euro za rozwiązania przemysłowe. Główną wadą tej technologii jest jakość powierzchni wytwarzanych elementów, która ze względu na sposób budowania wymaga dodatkowych czynności związanych z wygładzeniem. Poza FDM/FFF należy także wspomnieć o technologiach żywicznych, takich jak PolyJet czy SLA, która często nazywana jest matką technologii przyrostowych. Rozwój technologii żywicznych wynika głównie z bardzo dużej dokładności wymiarowej uzyskiwanych modeli oraz wysokiej jakości powierzchni. Ich główną wadą jest niska odporność temperaturowa (z reguły do 50 stopni Celsjusza).

Współczesny druk 3D nie zagraża jeszcze produkcji masowej. Koszty wytwarzania elementów konwencjonalnymi metodami, związane są ze skalą produkcji i zmniejszają się wraz ze wzrostem serii produkcyjnej. W przypadku technologii druku 3D, najczęściej wypadkową ceny wytworzenia kilkunastu czy kilkudziesięciu elementów jest iloczyn ceny wytworzenia jednego elementu oraz ilości. Wniosek nasuwa się sam, iż na dzień dzisiejszy w przypadku wytwarzania większej ilości elementów należy rozważyć, czy uruchomienie klasycznego procesu produkcyjnego, nie będzie korzystniejszym rozwiązaniem.

Materiały wykorzystywane w aplikacjach przemysłowych to głównie tworzywa sztuczne. Tak jak już wspomniałem, głównym zastosowaniem druku 3D jest prototypowanie, a tworzywa sztuczne są tańsze i łatwiejsze w obróbce aniżeli metale czy ceramika.

Urządzenia profesjonalne znacząco różnią się od tych półprofesjonalnych czy amatorskich. Pierwszą rzeczą rzucającą się w oczy są gabaryty. Wynikają one z pełnej automatyzacji urządzeń profesjonalnych (do czego nawiązuje przemysł 4.0), ograniczającej wpływ operatora do minimum. W przemyśle nie ma czasu na takie rzeczy jak dobór odpowiednich parametrów wydruku, czy poszukiwanie specyficznych materiałów. Kupując profesjonalny system drukujący, klient oprócz urządzenia otrzymuje również technologię. W uproszczeniu znaczy to tyle, że rola operatora ogranicza się praktycznie do kliknięcia przycisku ‘start’ i oczekiwania na gotowy wydruk. Jest to jeden z efektów stosowania zaawansowanych technologicznie podzespołów. Dlatego też w przypadku rozwiązań profesjonalnych materiały wyjściowe są dedykowane przez producenta, który może dzięki temu zagwarantować poprawność wykonania modelu, dobre właściwości mechaniczne oraz powtarzalność produkcji. (str. 53) Zauważalna jest choćby różnica w samym sposobie dostarczenia materiałów do klienta. Profesjonalnie dostarczony materiał będzie odizolowany od wpływów środowiska zewnętrznego, co ma ogromne znaczenie podczas późniejszej eksploatacji. W przypadku technologii FDM wilgotny drut materiałowy (filament) będzie powodował widoczne na detalach defekty. Gabaryty urządzeń profesjonalnych mają wpływ na to, że układ jest sztywny i drgania powstające wokół maszyny nie wpływają na jakość wydruków.

Lepiej jest zakupić własny system druku 3D, czy korzystać z outsourcingu? Na to pytanie nie ma oczywiście jednoznacznej odpowiedzi. Jeżeli ktoś potrzebuje jednego czy nawet 10 wydruków w ciągu roku, to nie będzie przecież kupował drukarki profesjonalnej. Jeżeli jakość wydruków proponowana przez drukarki półprofesjonalne jest niezadowalająca, wtedy outsourcing jest idealnym rozwiązaniem. Decyzja zakupu maszyny na własny użytek jest często wypadkową wielu zmiennych np. ilość planowanych wydruków, czas trwania projektu, tajemnice handlowe itd.

Główne zalety korzystania z drukarek profesjonalnych to przede wszystkim ograniczony wpływ operatora. Kluczowym założeniem przemysłu 4.0 jest automatyzacja przy wykorzystaniu współczesnych rozwiązań technologicznych. Rola operatora powoli ogranicza się rzeczywiście do wciśnięcia ‘start’ i czekania na gotowy wyrób bardzo dobrej, powtarzalnej jakości. W urządzeniach takich stosowane są komponenty wytwarzane specjalnie pod to zastosowanie – z punktu widzenia inżyniera serwisu uważam, że bardzo rzadko udaje się stosować komponenty uniwersalne. Warto również wspomnieć o ciągłym wsparciu klienta ze strony producenta, czy dystrybutora. Urządzenia posiadają gwarancje oraz pogwarancyjne opieki serwisowe. Dodatkowo serwis na bieżąco wspomaga klienta, służąc wiedzą, radą a także szybką reakcją serwisową. Niewiele firm, nie tylko z segmentu przemysłowego, może pozwolić sobie na przestój w pracy jakiejkolwiek maszyny – dlatego też wsparcie serwisu w takim przypadku jest bardzo ważne. Niestety nie ma nic za darmo. Wszystkie elementy składowe odróżniające urządzenia profesjonalne od amatorskich skutkują wyższą ceną tych pierwszych. Niemniej jednak coraz więcej firm dostrzega te różnice i stawia przede wszystkim na jakość oraz niezawodność, decydując się na zakup profesjonalnego systemu wytwarzania przyrostowego.

Druk 3D jest stosunkowo młodą technologią, która nadal się rozwija i nie powiedziała jeszcze ostatniego słowa. Myślę, że głównym trendem w rozwoju technologii przyrostowych jest możliwość stosowania wydruków jako finalnych produktów. Już teraz mamy taką możliwość, jednak korzysta się z niej głównie dla elementów mało istotnych (np. nie przenoszących dużych naprężeń). W przypadku technologii FDM ważną ewolucją (jeśli nie rewolucją), będzie prowadzenie do masowej produkcji drukarek opartych na ramieniu robota, które potrafią drukować w wielu osiach. W pełni funkcjonalny prototyp takiego urządzenia, potrafiący drukować w 8 osiach, pokazała firma Stratasys Ltd. w 2017 roku. Maszyny te pozwolą znacznie zredukować jedną z największych bolączek wytwarzania przyrostowego – mniejszą wytrzymałość detali w poprzek warstw (nieco słabszym ogniwem są niestety łączenia pomiędzy warstwami). Wieloosiowość umożliwi m.in. budowanie struktur o większej wytrzymałości mechanicznej we wszystkich osiach, co pozwoli technologii FDM wyeliminować dotychczasowy mankament, w postaci wysokiej anizotropowości.

Odpowiedz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *