Mosty, bloki i kubki do kawy. Co potrafi druk 3D?

Sławomir Dolecki

O druku 3D, drukowaniu betonem, demonstracyjnym moście w Holandii i implantach stomatologicznych, opowiadają naukowcy z krakowskiego Centrum Badawczego ABB.

Dlaczego poważni naukowcy zajmują się tak banalnym tematem, jak druk 3D? Przecież każdy może dzisiaj pójść do sklepu i kupić drukarkę 3D za 1500 zł.

Tomasz Nowak: Koszty drukarek wykorzystywanych do celów przemysłowych są, niestety, zdecydowanie większe, nawet do miliona euro. Jednak to nie cena sprzętu jest przyczyną naszego zainteresowania drukiem 3D, ale ogromna zmiana technologiczna, którą przyniosło wytwarzanie przyrostowe. Szukamy nowych aplikacji dla druku 3D oraz staramy się powiększać paletę dostępnych materiałów, bowiem obecnie jest ich ograniczona ilość.

Robert Sekuła: Przez wiele lat głównym problemem z technologiami przyrostowymi była stosunkowo niska wytrzymałość mechaniczna wydrukowanych elementów. Stosowana wówczas stereolitografia korzystała z bardzo kruchych żywic, natomiast technologie proszkowe oferowały struktury o dużym poziomie porowatości, a więc nietrwałe. Nastąpił jednak kolosalny postęp. Jeszcze kilka lat temu druk przestrzenny wykorzystywano wyłącznie do szybkiego prototypowania i wizualizacji, a dzisiaj mamy do czynienia z pełnowartościową technologią przemysłową. Naszym zadaniem jest jej optymalne wykorzystanie.

Łukasz Matysiak: Do najważniejszych zalet technologii przyrostowych należy możliwość produkcji bardzo skomplikowanych detali, dzięki czemu upraszczamy projekt i montaż całego zespołu. Produkujemy po prostu jedną wielofunkcyjną część, zamiast składania kilku prostszych elementów. Ponieważ kształt detalu nie jest już ograniczeniem, możemy go zoptymalizować, a więc „odchudzić”. Wyzwaniem jest jednak koszt technologii. Dlatego jako naukowcy poszukujemy również metod obniżenia kosztów produkcji.

T.N.: W bardziej tradycyjnych metodach produkcji, zwanych niekiedy obróbką ubytkową, braliśmy kawałek materiału i za pomocą różnych form energii usuwaliśmy niepotrzebną objętość, czyli najczęściej… generowaliśmy wióry. Obecnie końcowy wyrób „budujemy”, warstwa po warstwie. Stąd nazwa „technologia przyrostowa” lub „wytwarzanie addytywne” (ang. additive manufacturing). A skoro nie generujemy już wiórów, to możemy wymienić kolejne zalety: brak odpadów, możliwość produkcji nawet pojedynczych sztuk, bardziej efektywne wytwarzanie.

Mówimy zatem o zupełnie nowej technologii?

Ł.M.: Niezupełnie. Początki technologii sięgają lat 60. i 70. XX wieku, kiedy pojawiły się pierwsze pomysły zastosowania druku przestrzennego w procesie wytwarzania. Wówczas też powstały prototypowe drukarki, a pierwsze komercyjne rozwiązania zaczęły pracować w połowie lat 80.

R.S.: W tamtym czasie pojawiły się także pierwsze patenty, które wstrzymały rozwój tej technologii na dłuższy czas. Ostatnie 15 lat to jednak bardzo dynamiczny postęp, zarówno w kwestii nowych technik druku, maszyn, jak i aplikacji.

T.N.: Dzisiaj mamy wyraźne dwie ścieżki rozwoju: komercyjną, czyli profesjonalne maszyny przemysłowe pracujące z dużą wydajnością i dokładnością, oraz ścieżkę domową, czyli tzw. sprzęt nabiurkowy. Podział na rynku sprzętu został zapoczątkowany w 2004 roku, gdy pracownik jednego z brytyjskich uniwersytetów postanowił skonstruować tanią drukarkę, która będzie drukowała elementy do budowy kolejnej drukarki, czyli słynne RepRapy (maszyny samoreplikujące). Po trzech latach prototyp RepRap 0.2 wyprodukował pierwsze części siebie samego. To był stymulator obniżenia kosztów i zwiększenia dostępności sprzętu dla przeciętnego użytkownika amatora.

Ł.M.: I to jest chyba główna zaleta technologii druku 3D z punktu widzenia inżynierskiego. Stosunkowo prosta technika produkcji daje prawie nieograniczone możliwości projektowe. Złożoność wyrobu przestaje mieć znaczenie. Projektant może zaproponować kształt, który będzie najbardziej optymalny z punktu widzenia rozkładu sił mechanicznych lub pola elektromagnetycznego, a więc użyć materiału tylko tam, gdzie jest konieczny.

R.S.: Nie bez znaczenia jest także możliwość uproszczenia montażu. Na przykład w silnikach odrzutowych do samolotów z 800 części udało się zrobić zespół, który ma tych części zaledwie kilkanaście. To ogromna oszczędność i minimalizowanie ryzyka popełnienia błędu na etapie montażu podzespołów.

Drukowanie 3D

Przyniósł Pan ze sobą jakiś gadżet. Co to jest?

T.N.: Ramię robota przemysłowego, które zostało wyprodukowane w technologii przyrostowej. Pełni taką samą funkcję jak oryginalne, z tym że jest o połowę lżejsze, ponieważ można było wydzielić obszary, które nie są ważne z punktu widzenia mechaniki i zastosować tam mniej materiału.

Ono jest w pełni funkcjonalne? Wygląda jak zabawka.

T.N.: Może pracować z obciążeniem, choć ten egzemplarz jest akurat z tworzywa, więc jest znacznie delikatniejszy, ale dokładnie takie samo ramię można wydrukować z aluminium lub z tytanu i wówczas będzie pełnowartościowe.

Powiedział Pan coś, co trochę wykracza poza moje rozumienie świata. Jak można drukować tytanem? Drukuje się laserem lub atramentem…

T.N.: Te nazwy są rzeczywiście trochę mylące, ponieważ proces drukowania metalu bardziej odpowiada mikrospawaniu lub starej technologii napawania. Biorąc drut spawalniczy i napawając go na płaską powierzchnię, zostawiamy ślad na materiale, taką ścieżkę, i jeżeli wykonamy to setki razy, to powstanie warstwa. Choć pojęcie „drutu spawalniczego” należy traktować bardzo umownie.

R.S.: Najczęściej ten materiał wejściowy, aluminium czy tytan, jest w formie proszku o odpowiednim uziarnieniu. Za pomocą lasera przetapiamy go i uzyskujemy możliwość nakładania kolejnych warstw.

Ł.M.: Mamy co najmniej dziesięć technologii przyrostowych i stosuje się w nich bardzo różne procesy, nie tylko laser. Na przykład natryskujemy spoiwo w postaci ciekłej i pod wpływem działania źródła ciepła następuje utwardzenie materiału. Przemysł to duże konstrukcje, które mają służyć wiele lat.

Co największego na świecie udało się wyprodukować w technologii druku przestrzennego?

R.S.: Stalowy most. Powstał w ubiegłym roku w Holandii i zbudowały go roboty ABB.

T.N.: Most jest w pełni funkcjonalny i udostępniony dla ruchu, tyle tylko, że raczej nie był tańszy niż tradycyjny. Jest „demonstracyjny”, ponieważ pokazaliśmy możliwości nowoczesnych technologii i robotów ABB.

R.S.: Chodziło o udowodnienie, że można już dzisiaj drukować duże i wytrzymałe konstrukcje.

T.N.: Poza tym był to przekaz, że można zbudować dużą konstrukcję niemal bez udziału ludzi, ponieważ to zaprogramowane roboty tworzyły kawałek mostu, po którym przesuwały się dalej, by budować inkrementalnie kolejny odcinek.

A tak bardziej praktycznie, w biznesowej rzeczywistości, ktoś już wykorzystuje przemysłowo druk przestrzenny?

Ł.M.: Główni użytkownicy technik przyrostowych to przemysł energetyczny (łopatki turbin, wymienniki ciepła, pompy, zawory), przemysł samochodowy i lotniczy (elementy silników, zwłaszcza układu zasilania, wszelkiego rodzaju wsporniki i konstrukcje wzmacniające, elementy zawieszenia, akcesoria dekoracyjne), i medycyna (implanty, specjalistyczne narzędzia chirurgiczne). Ale także branża budowlana. Drukowanie betonem jest dość ciekawym tematem…

…drukowanie betonem?

T.N.: Drukowanie budynku przy użyciu zaprawy o odpowiednich parametrach i podanie jej za pomocą sterowanych dysz. W ten sposób powstaje cała struktura zgodnie z modelem komputerowym. Budynek może mieć dowolny kształt, projekt musi uwzględniać jedynie rozkład sił i stabilność konstrukcji. Zgodnie z twierdzeniem Gaudiego, twórcy fantazyjnej architektury w Barcelonie, w przyrodzie nie ma linii prostych. Zatem nasze domy nie muszą być zestawione z sześciennych klocków. I druk przestrzenny to umożliwia. Dzisiaj każdy może być takim Gaudim.

Ł.M.: Tak naprawdę proces drukowania betonem niewiele różni się od zwykłej „gruchy”, która przyjeżdża na plac budowy. Różnica jest taka, że nie stosujemy szalunku, materiał nakłada się warstwa po warstwie, a dzięki odpowiednim parametrom natychmiast wiąże. Dużo ciekawych projektów powstaje także w zakresie wydruku z piasku. To też jest technologia, którą zajmujemy się w Centrum Badawczym w Krakowie.

Z piasku? Dopiero co ochłonąłem po betonie…

Ł.M.: Wydruki z piasku są stosowane dość powszechnie w odlewnictwie metali jako formy, na przykład przy produkcji obudów silników, skrzyni biegów, elementów pomp czy… dzwonów.

R.S.: Kiedyś formę odlewniczą tworzono na bazie drewnianego rdzenia, który formierze zasypywali masą piaskową. Po utwardzeniu masy, podziale formy oraz usunięciu rdzenia powstawała wnęka, do której wlewano ciekły metal. Sam proces formowania jest jednak pracochłonny i ma mnóstwo ograniczeń technologicznych. Obecnie formę piaskową można już wyprodukować automatycznie w technologii druku 3D.

T.N.: Mówiąc bardziej ogólnie, technologie przyrostowe mogą służyć do wytworzenia końcowego wyrobu albo do wytworzenia narzędzia, dzięki któremu ten wyrób powstanie. Forma z piasku jest właśnie narzędziem, a jego zaletą jest fakt, że nie ogranicza nas materiał, ponieważ do formy możemy wlać dowolny stop metali.

Która branża obecnie w największym stopniu korzysta z technologii przyrostowych?

T.N.: To, co może nas najszybciej doświadczyć, to kontakt z usługami stomatologicznymi i protetycznymi. Coraz częściej mostki, korony i implanty zębowe są właśnie produkowane w tej technologii. Stomatolog, korzystając ze skanera, pobiera komputerowy model uzębienia, na podstawie którego technik dentystyczny drukuje potem konieczny „element”. Technika pozwala na dokładne dopasowanie nowego zęba, a jednocześnie bardzo ogranicza zużycie drogiego materiału.

R.S.: Pojawia się zupełnie nowy kierunek rozwoju – wydruk lekarstw. Znając schorzenia oraz wiek i wagę pacjenta, lekarz będzie w stanie przygotować tabletkę precyzyjnie dobraną do potrzeb konkretnej osoby.

Ł.M.: Ale drastyczną zmianę biznesową druk 3D może przynieść także w logistyce. W przyszłości może być tak, że każda krytyczna lokalizacja będzie dysponować urządzeniem do drukowania, natomiast potrzebne modele będzie można pobrać z centralnej biblioteki.

R.S.: Z punktu widzenia ABB może to być wykorzystane na przykład do wydruku części zamiennych. Zniknie wtedy potrzeba utrzymywania stanów magazynowych „na wszelki wypadek”, a także konieczność pilnego transportu z drugiego końca świata.

Drukowanie 3D ABB

Pozostaje jednak cała sfera oprogramowania. Przecież przed drukiem trzeba przygotować cyfrowy model elementu. Czy to jest trudna część procesu?

Ł.M.: Oprogramowanie coraz lepiej potrafi podpowiedzieć i zasugerować pewne rozwiązania, na przykład podpórki czy wzmocnienia. Jednak prawdziwym wyzwaniem jest sam proces wytwarzania, ponieważ nadal brakuje narzędzi, które pozwoliłyby przewidzieć, jak przebiegnie fizyczny proces druku.

T.N.: Jest to o tyle istotne, że w procesie powstają struktury anizotropowe. Budując bowiem wyrób warstwa po warstwie, sprawiamy, że gotowy element ma inne własności w kierunku druku, a inne po wysokości.

R.S.: Znaczenie ma też temperatura i czas, a ich zmienność skutkuje zmianą własności materiałowych oraz generacją niepożądanych naprężeń i deformacji. To jest kolejny problem, którym jako ABB staramy się zajmować. Poszukujemy możliwości symulacji procesu wydruku, aby już na etapie cyfrowym odkrywać potencjalne niedoskonałości wyrobu końcowego.

Jak będzie wyglądał rozwój technologii druku 3D? Zaistnieje w gospodarce na dobre?

Ł.M.: Druk 3D zadomowił się już na dobre. W przypadku produkcji przemysłowej będziemy mieć do czynienia z powiększeniem palety dostępnych materiałów i technologii, obniżeniem ich cen oraz wzrostem wydajności urządzeń drukujących.

T.N.: Jeśli natomiast chodzi o klienta indywidualnego, wygląda na to, że głównym trendem będzie personalizacja, czyli wykonywanie produktów na indywidualne zamówienia, uwzględniające specyficzne potrzeby kupującego. Każdy będzie na przykład mógł wydrukować sobie idealnie dopasowane wkładki do butów, albo kopertę zegarka w ulubionym kolorze i kształcie. W przypadku gadżetów mówimy o produktach, które podkreślają naszą indywidualność i styl, czyli emblematy w samochodzie, dodatkowe elementy tapicerki, spersonalizowane akcesoria.

A przemysł „mniej ciężki”?

R.S: Firmy, które oferują przemysłowy druk przestrzenny z tworzyw sztucznych, zaczynają konkurować z firmami oferującymi tradycyjne metody wtrysku: technologie nastawione na szybkość i masowość produkcji. Coraz więcej mówi się także o drukowaniu elektroniki.

Co jest dzisiaj problemem tej technologii?

R.S.: W naszym przypadku największą barierą jest chyba wciąż koszt materiału. Byłbym w stanie zaakceptować, że proces będzie trwał trzy dni, jeśli materiał będzie kosztował kilka, a nie kilkadziesiąt czy nawet kilkaset euro za kilogram.

Ł.M.: Mimo wszystko obecne problemy nie są barierą, która zatrzyma rozwój tej technologii. Zbyt wiele firm o ogromnym potencjale zaangażowało się w ten rynek. Ceny materiałów i urządzeń już spadają, a to jeszcze bardziej przyczyni się do rozwoju druku 3D. Następnym razem spotkamy się na kawie w wydrukowanych przez nas filiżankach…

Rozmawiał: Sławomir Dolecki

Artykuł pochodzi z magazynu Dzisiaj 1/2018


  • dr hab. inż. Tomasz  Nowak,  pracownik  naukowo-badawczy Centrum  Badawczego  ABB w Krakowie,  specjalista z zakresu  mechaniki  i wytwarzania.
  • dr hab. inż. Robert  Sekuła,  pracownik  naukowo-badawczy Centrum  Badawczego  ABB w Krakowie,  specjalista z zakresu  przetwórstwa  materiałów  polimerowych.
  • dr inż. Łukasz  Matysiak,  pracownik  naukowo-badawczy  Centrum Badawczego  ABB w Krakowie,  specjalista z zakresu technik przyrostowych  i symulacji procesów  cieplno- przepływowych.
O autorze

Sławomir Dolecki

Jestem niezależnym dziennikarzem, reporterem i redaktorem. Specjalizuję się w tematyce związanej z energetyką, infrastrukturą krytyczną i ochroną środowiska. Z firmą ABB jestem związany od roku 1998, niemal od samego początku współtworzę kwartalnik dla klientów „Dzisiaj” i magazyn dla pracowników „Flesz”.
Related stories
Skomentuj ten artykuł
Wskazówki dla społeczności