Výzkumný a zkušební letecký ústav se v oblasti 3D tisku věnuje zejména různým typům termoplastů. Druhou a neméně důležitou součástí výzkumu je však práce na úpravě samotných tiskáren, která vede ke zlepšování mechanických i fyzikálních vlastností výtisků.
„V současné době se hodně zaměřujeme na aplikace v oblasti space, proto se zabýváme například 3D tiskem z materiálu PEEK metodou FDM, což je pokročilý termoplast, vhodný právě pro aplikace v extrémních podmínkách,“ říká Michal Král, vedoucí oddělení Vývoj, konstrukce a technologie v divizi Space ve VZLÚ.
3D tisk je v průmyslu stabilně využívanou a etablovanou technologií. Do jaké míry už pronikl do segmentu kosmického výzkumu? V kosmické technice už 3D tisk není úplným nováčkem, avšak je třeba hned na úvod zmínit, že pokud se při konstrukci nosičů, satelitů, sond či dalších zařízení, která mají opustit zemský povrch, využívá technologie 3D tisku, jde téměř vždy o kovový tisk slitin titanu či hliníku. Například vozítko Perseverance, které nyní jezdí po povrchu Marsu, používá jedenáct dílů, jež byly vyrobeny pomocí 3D tisku kovů. Oproti tomu plastové materiály se pro konstrukci zatím příliš nevyužívají, protože prostředí ve vesmíru je pro ně velmi nepříznivé. Plastový tisk ovšem může hrát jinou roli, aktuálně se například hojně hovoří o možnosti tisku přímo ve vesmíru. Astronauti by mohli mít na palubě ISS modifikovanou 3D tiskárnu, aby si mohli jen za pomoci notebooku sami tisknout součásti, které budou potřebovat například pro opravu vnitřních zařízení.
To je velmi zajímavé. Napadá mě, zda mohou mít ve vesmíru vytištěné součásti jiné vlastnosti než ty, které jsou vytištěny na zemi? Přesně tuto otázku jsem si položil, když jsem o tom poprvé četl. Klasická FDM 3D tiskárna funguje vrstvením materiálu a na Zemi technologii velmi pomáhá gravitace, která však na ISS chybí. Nemám k dispozici žádná relevantní data, abych mohl věc fundovaně zhodnotit, ale domnívám se, že prostředí v tomto případě kvalitu určitým způsobem ovlivňovat bude.
Samotného by mě zajímaly bližší technické detaily i to, jakým způsobem se problematika absence gravitace řeší.
A když se zaměříme na oblast letectví, jak si stojí využívání 3D tisku tam? V letectví se v primární konstrukci 3D tisk uplatňuje zatím v omezené míře, a to zejména z bezpečnostních důvodů. V této oblasti panuje opravdu velký konzervatismus. U sekundárních konstrukcí, na něž nejsou kladeny tak obrovské bezpečnostní nároky, se už ale tisk využívá čím dál více. Nutno však dodat, že konzervatismem je v letectví ovlivněno prakticky vše, takže třeba i zavádění nových materiálů vůbec není jednoduché. Jejich kvalifikace totiž je nesmírně finančně i časově náročná, protože certifikační limity na mechanické i fyzikální vlastnosti jsou velmi přísné a proces zkoušek zdlouhavý. Takže třeba v oblasti kompozitních materiálů se užívají více méně jen ty, které jsou roky ověřené, a náhrada za zcela nové typy materiálů není příliš častá.
Pojďme se podívat přímo k vám do VZLÚ, na čem zde momentálně pracujete? Všeobecně se snažíme o kombinování kompozitních materiálů a 3D tisku za využití speciálních a výkonnějších termoplastů. Zároveň také pracujeme s tiskárnami jako takovými a upravujeme jejich parametry tak, aby se zlepšily mechanické vlastnosti výtisků. Je to komplexní práce. Každopádně je pro nás nesmírně důležité to, že technologie 3D tisku vnáší do konstrukční, technologické a obecně technické praxe nové možnosti, zejména co se tvarové variability týče. 3D tiskem jsme proto schopni zhotovit součásti, které jsou jinými technologiemi nevyrobitelné, případně by byla jejich výroba velmi nákladná. Naše práce tedy vypadá tak, že si vytipujeme určitý konstrukční celek, pomocí FDM 3D tisku jej vyrobíme a následně výtisk porovnáváme s komerčně dostupnou alternativou, a to nejen z hlediska únosnosti, ale třeba i hlediska zlevnění následných kroků. 3D tisk totiž umožňuje do konstrukce implementovat přípravu pro následné technologické operace, které by se běžným způsobem zhotovovaly ex post, což ovlivňuje cenu produktu. Snažíme se tedy hledat potenciál 3D tisku a vnést do určitých konstrukčních uzlů určité novum, které by mělo jít přenést i do průmyslového sektoru.
O jaké konstrukční uzly konkrétně jde? Zejména o různé součásti, které se běžně používají v kompozitní výrobě. Zabývali jsme se třeba tiskem jader pro kompozitní sendviče s nepravidelnou morfologií, dále konstrukcí a 3D tiskem různých vložek pro zavádění sil do sendvičových panelů, kde není možné používat šrouby obdobně jako u klasických kovových konstrukcí. Do sendviče, který se skládá ze dvou tenkých potahů, oddělených voštinou, nelze zhotovit závit. V tu chvíli se tedy musí do panelu zhotovit otvor a zalepit vložka a my jsme hledali její optimální tvar. Vložka se do otvoru upevňuje injektáží lepicí hmoty pomocí kanálků, takže jsme řešili i správný tvar těchto kanálků tak, abychom dokázali dobře distribuovat zalévací hmotu po vnějším povrchu vložky a ona se v sendvičovém panelu dobře zalepila. A to je přesně ten moment, kdy se nabízí přímá využitelnost 3D tisku. 3D tiskem jsme schopni zhotovovat součásti s členitou vnitřní strukturou a různými typy kanálků. Pokud bychom na tom pracovali pomocí konvenčních výrobních technologií, nikdy bychom kanálky nedokázali takto optimalizovat. Použitím 3D tisku můžeme kanálek v rozumné míře zaoblit a vymyslet k němu mnohá vylepšení.
Klade práce s technologií 3D tisku na konstruktéry nějaké speciální nároky? Určitě ano, konstruktéři se při modelování v CADu musí oprostit od zažité strojařské praxe, jak ji znají, a popustit uzdu fantazii. Mohou si dovolit používat komplexnější a složitější tvary, mohou se oprostit od toho, že ne vše, co navrhnou, bude vyráběno konvenčně. Tohle podle mě dokáže jen konstruktér, který je takovým experimentům povahově nakloněný nebo už měl to štěstí, že se již od studií s technologiemi 3D tisku pravidelně setkával. Já jsem univerzitu studoval před 13 lety a 3D tisk se zmiňoval jen v rámci rapid prototypingu, tedy situace, kdy bylo třeba pouze zhmotnit výkres a podívat se na dílo na stole. Nyní už je ale 3D tisk rovnocenným partnerem konvenčních strojařských technologií, a mladším kolegům už je tedy od vysoké školy vštěpováno, aby na tyto technologie mysleli.
Za těch 15 let zaznamenal 3D tisk ohromný posun. Dokážete si představit, že by se v budoucnu tiskly celé karoserie aut, nebo třeba i letadla? Ono se o tom už hovoří a vím, že Airbus vytvořil demonstrátor letadla, který byl vyjma motoru opravdu téměř celý tištěný. Cílem tohoto pokusu bylo prokázat, že i takto vyrobený stroj je letuschopný. Dokážu si to představit a vím, že i ostatní firmy se snaží pomocí 3D tisku v oblasti letectví snižovat kusovou nákladovost. Celek si rovnou vytisknou, než aby ho šroubovali z deseti kusů, což může být v konečném důsledku levnější variantou. V souvislosti s tiskem větších celků pro tyto účely se také začíná experimentovat s možností 3D tisku z ramena robotu, ale přiznám se, že jsem to ještě nikde neviděl v praxi a domnívám se, že oproti portálovému uspořádání tiskárny bude mít zatím tento způsob určité limity. Vývoj jde ale neustále dopředu a za dalších deset let budeme zase o pořádný kus dále.
Hovořil jste o tom, že konstrukce, které navrhnete a vyrobíte pomocí 3D tisku, si také testujete. Jak testování probíhá? Testujeme na několika úrovních a máme k dispozici certifikované laboratoře. Jedna věc jsou samotné materiálové zkoušky, kdy vytiskneme z požadovaného materiálu zkušební tělesa. K tomu vyrobíme identická tělesa jinou tiskovou technologií a zároveň i konvenční technologií, například vstřikováním, a pak je podrobujeme zkouškám. Měří se zejména pevnost a tuhost, tedy mechanické vlastnosti. Prakticky to vypadá tak, že zkušební tělesa upneme do čelistí a měříme sílu při přetržení a prodloužení. Na základě toho vyhodnocujeme vlastnosti námi tisknutého tělesa a srovnáváme jej s vlastnostmi ostatních zkušebních těles, která samozřejmě prošla stejnými zkouškami. Pokud se dělají zkoušky konstrukčních uzlů, tak ty už se provádějí na míru. Sami si konstruujeme vhodné zkušební těleso, dále si navrhujeme i zkoušku, která je navržena s ohledem na to, co chceme změřit. Např. u vytištěného a zakřiveného jádra sendviče jsme zkoušeli různé typy lepidel na připevnění potahu. Řešili jsme třeba pevnost spoje. Nabízí se i ohybová zkouška sendviče, můžeme do něj třeba i zatavit závitovou vložku a měřit sílu při vytržení šroubu apod.
Je možné plastové součásti, které se tisknou metodou FDM, dále zpracovávat například obráběním? Možné to je, ale když člověk obrábí takto vytisknutou součást, musí mít na paměti určitá omezení vyplývající z povahy výtisku. Totéž platí i pro již zmíněné kompozity. Tyto materiály jsou totiž už kvůli principu výroby a kladení materiálu ortotropní, což znamená, že nemají ve všech směrech stejné vlastnosti. Je tedy třeba počítat s tím, že při špatném směru řezu v určitém místě může dojít k přerušení vláken orientovaných do hlavního směru vyztužení, který je dán návrhem kladení materiálu, a může dojít až k prasknutí. Obrábění může mít u kompozitu vliv i na to, že se po určité době používání jednotlivé vrstvy od sebe začnou odlepovat. Součásti vyrobené těmito technologiemi upravovat lze, ale musí se u toho přemýšlet a pracovat s těmito materiály odpovídajícím způsobem.
Ve svých zkouškách se zabýváte i měřením pevnosti výtisku. Jsou při použití stejného materiálu pevnější objekty vytištěné pomocí strunových, nebo práškových technologií? Pokud bychom u všech použili stejný materiál, tak u plastového tisku mají výtisky zhotovené technologiemi typu FDM větší pevnost než práškové technologie a je jedno, zda ke spojování dochází slinováním, či tavením. Samozřejmě mohou existovat výjimky, ale v obecné rovině to platí. Na druhou stranu se u strunového tisku hůře řeší detaily. Takže když jsme potřebovali z plastu vytisknout maketu (rapid prototyping bez nároku na mechanické vlastnosti), nechali jsme ji zhotovit technologií spékání prášku.
3D tisk stále ani zdaleka nenarazil na své limity. Kam se podle vás nyní bude technologicky vyvíjet? Tisk plastů ze strunových tiskáren půjde určitě dopředu a myslím si, že budoucnost z hlediska průmyslových aplikací patří pokročilým termoplastům. Jsou to teplotně a mechanicky odolné plasty, které s sebou samozřejmě poženou i zlepšování vlastností tiskáren. U plastového tisku je určitě otázkou i možnost vyztužení a v současnosti se to již zkouší. Zatím se výztuž dělá tak, že se do toho samotného termoplastu dávají určité částice, například krátká vlákna jako plnivo, čímž se zlepší mechanické vlastnosti materiálu. Zaznamenal jsem i experimenty tisku s kontinuální výztuží, což znamená, že se s plastovou strunou zároveň klade i vlákno a tiskne se už hotový kompozit. Tahle technologie je zatím v plenkách a bude ještě nějakou dobu trvat, než se etabluje. Je ale faktem, že tisk s kontinuální výztuží nebude nikdy tvarově natolik variabilní, a jeho užití tak bude možné jen v konkrétních aplikacích. Kovový tisk bude ještě nějaký čas doménou speciálních konstrukcí, kde je kladen důraz na úsporu hmotnosti a malosériové výroby. Časem se ale i on dostane do robotických pracovišť pro sériovou výrobu.
/Kristina Kadlas Blümelová/