Jubilejní 10. ročník Fóra aditivní výroby, které bylo již tradičně součástí Mezinárodního strojírenského veletrhu, věnovali organizátoři zejména budoucnosti průmyslového 3D tisku kovů. Na konferenci ale zazněla také řada zajímavých zkušeností z oblasti tisku plastů i kompozitních materiálů a možností, kam se může svět profesionálního 3D tisku dále posouvat.
V dopoledním bloku Fóra aditivní výroby, který je už 10. rokem neodmyslitelnou součástí MSV v Brně, vystoupil, mimo jiné, s velmi zajímavým příspěvkem Petr Vávra ze společnosti Evektor. Posluchačům přednesl, jak mohou FDM [fused deposition modeling — nejběžnější typ 3D tisku založený na principu natavování zdrojového materiálu dodávaného v podobě filamentu, tedy struny — pozn. red.] tiskárny pomoci při výrobě lehkých sportovních letounů. Tyto stroje mají nýtovanou konstrukci tvořenou z mnoha lisovaných tenkostěnných duralových dílů, jejichž konstrukce i výroba je velmi složitou záležitostí. A Evektor se před časem rozhodl, že výrobu zefektivní i za použití aditivních technologií. Doposud se ve firmě takovéto celky vyráběly tak, že se každý jednotlivý díl předřezal s přídavkem, následně vylisoval, pak vylisované díly prošly ořezem do koncových tvarů, aby byly následně za pomoci sestavovacího přípravku vůči sobě ustaveny do správné polohy. Dalším krokem bylo rýsování otvorů pro nýty za pomoci šablon. Následně byly díly svrtány a připraveny pro nýtování. V této fázi však bylo nutné celou sestavu znovu rozebrat, na jednotlivých dílech vyvrtané otvory odjehlit, vyčistit celou sestavu od špon a třísek a následně opět vše smontovat a přistoupit k nýtování. „Tato cesta je ale časově i finančně dost náročná, takže se v dnešní době postupně snažíme zavádět technologii sestavování ‚hole to hole‘ a pro vytváření otvorů v lisovaných dílech jsme se rozhodli začít používat vrtací přípravky a šablony vyráběné za pomoci 3D tisku,“ vysvětlil Petr Vávra s tím, že při tvorbě přípravků tak nejsou limitováni konvenčními způsoby výroby, a navíc jejich výroba vychází finančně i časově daleko lépe. 3D tisknuté šablony jsou v podstatě tvarová lůžka, do nichž se vkládají taktéž 3D tištěné vzorové díly. Lůžka jsou osazena vrtacími pouzdry a přes ně lze efektivně vrtat otvory pro nýty, přičemž takovým způsobem nyní v Evektoru vyrábějí většinu šablon pro vrtání těchto dílů.
„Samozřejmě by bylo možné tyto vrtací přípravky zhotovit i konvenčně frézováním, ale zabralo by nám to zhruba 14 dnů. Za pomoci 3D tisku celá operace zabere maximálně dva dny.“
Používání tiskáren z Číny může být nebezpečné
S přednáškou, která návštěvníky konference uvedla do stavu kovového 3D tisku na evropském trhu, přispěl Bart Leferink zastupující firmu Nikon SLM Solutions. Hned na úvod zmínil, že v současné době je v rámci průmyslových aplikací nejvíce používanou technologií LPBF [laser powder bed fusion spadá do kategorie technologií využívajících tavení prášku — pozn. red.], a to zejména proto, že lze s jejím využitím vyrábět funkční díly, které mohou svou kvalitou bez problému konkurovat dílům frézovaným, a zároveň proto, že tato technologie není už tak nákladná. Typickým segmentem, v němž má LPBF tisk momentálně budoucnost, je letectví, které je zatíženo na provedení náročnými CO2 cíli do roku 2050. „Proto bude třeba změna designu motorů i mnoha dalších součástek, které je třeba odlehčovat.“ Druhou oblastí, kde se LPBF dobře uplatní, je obranný průmysl. „I přesto, že se nyní Evropa chová v mnoha ohledech poněkud schizofrenně, je jasné, že nechce být závislá na dlouhých a často nespolehlivých dodavatelských řetězcích. Měli bychom mít výrobu vlastní munice a materiálu pro obranný průmysl,“ pokračoval a doplnil, že technologii momentálně využije i energetický průmysl. Bart Leferink se dotkl také čínské konkurence, která se do Evropy snaží prodrat silou nízkých cen. Čína podle něj udělala opravdu velký pokrok, co se týče technologií, ovšem otázkou je, co od případného nákupu tiskárny z čínské produkce firmy očekávají a čeho se takovým krokem snaží dosáhnout. „Pokud chcete mít spolehlivě, stabilně a bezpečně k dispozici certifikované součástky a mít jistotu, že jejich technické detaily neopustí vaši zemi, musíte se zamyslet nad tím, co si kupujete, když si kupujete čínský produkt. A pokud se domníváte, že budete s takovým strojem moci přenést výsledky z konstrukce do výrobního prostředí, musím vás zklamat. Nedostanete stejný výsledek, protože nic není zadarmo,“ řekl [a narážel tak i na rizika, že by doprovodný software mohl posloužit i k nekalému přenosu konstrukčních detailů ke konku-renci — pozn. red.]. Dodal, že v budování byznysu se skrývá více než jen nákup podobně vypadajícího a levnějšího stroje, o němž není jistota, že bude dobře sloužit. Kromě těchto dvou řečníků v odpoledním bloku přednesli své příspěvky také Robert Keil z Národního centra Průmyslu 4.0 (ten hovořil zejména o potřebách průmyslu jako celku a o nutnosti transformace české ekonomiky), dále Ramon Pastor ze společnosti HP, jenž na případových studiích představil zajímavé aplikace z různých segmentů průmyslu, nebo například Petr Furch, syn zakladatele společnosti Furch Guitars, jenž hovořil o využití 3D tisku při vylepšování konstrukce kytar.
3D tisk dovoluje vyrábět dříve nemožné
Odpolední blok po obědové přestávce zahájil Daniel Princ ze společnosti Stratasys, který představil několik současných trendů v (kovovém) 3D tisku. Také on se hned v úvodu dotkl Číny, když na grafu ukázal výrazné zastoupení asijských výrobců ve všech kategoriích od nejlevnějších hobby tiskáren až po segment průmyslových strojů. „V počtu prodaných 3D tiskáren dochází k zásadnímu posunu v cenových kategoriích. Pokud tiskárna dříve stála mezi 3—10 tisíci eur, dnes byla nahrazena tiskárnou pod 1 000 eur. A za cenu luxusnější večeře pro dva si dnes můžete koupit 3D tiskárnu z Číny,“ uvedl s tím, že jeden čínský výrobce, který je na trhu pouze dva roky, prodal celosvětově jen za jeden kvartál 300 tisíc tiskáren. „To je 10× víc, než v ČR prodá největší hráč na poli hobby tiskáren.“ Daniel Princ se však dotkl ještě jednoho zajímavého fenoménu a tím je 3D tisk jako příležitost pro investory. Podle něj byla tato technologie v letech těsně před pandemií covidu vyloženě miláčkem rizikového kapitálu, kdy investoři dokázali nalévat do 3D tiskových startupů miliardy dolarů ročně. Stačilo mít barevnou prezentaci, dobrého řečníka a alfa verzi produktu. V době 2019—2022 působilo na trhu 3D tisku zhruba 700 firem. Střet s realitou ale investice do tohoto typu firem téměř zastavil. V současnosti je počet firem, které v této oblasti nově vznikají, téměř nulový. To ale neznamená, že by skončily inovace. Jen se trochu změnily. S čímž souvisí i další trend zavádění 3D tisku do výroby a jeho postupné usazení se vedle konvenčních technologií. „Společnost Protolabs každým rokem dělá výzkum mezi svými zákazníky, co očekávají v roce příštím. Více než 70 % z nich chce zvýšit podíl aditivní výroby na své produkci a více než polovina z nich spoléhá na to, že tento zvýšený podíl nebude směřovaný jen na prototypování, ale na rozběhnutí sériové výroby 50 a více kusů,“ pokračoval s vysvětlením, že firmy k takovému kroku chtějí přistoupit proto, aby zlepšily dodavatelské cykly, snížily závislost na dalších dodavatelích a stvrdily tak připravenost technologie doplnit ty tradiční, zejména při produkci výrobků a celků, které není snadné nebo ani možné těmito dosavadními postupy vytvořit.
Extrémně rychlé laserové aplikace
Fórum aditivní výroby přivítalo také saskou delegaci zástupců firem Arnio a G-S-D Maschinenbau a zároveň také Fraunhoferova institutu. Nejzajímavější příspěvek přednesl Andreas Friedrich z G-S-D Maschinenbau. Věnoval se využití technologie EHLA (extreme high speed laser application) za využití robotického ramene ABB, díky němuž lze pracovat s díly velkými až 4 × 1 × 1 m. Ještě předtím, než se rozhovořil, vznesl dotaz do sálu a zjistil, že tuto technologii využívají pouze jednotky přítomných posluchačů. I proto se rozhodl, že princip ELHA více vysvětlí. „Při klasickém laserovém vrstvení pracujeme s laserovým paprskem, který nahřívá v předchozím kroku nanesenou vrstvičku prášku. Ač je metoda celkem rychlá, je také extrémně horká. Naproti tomu EHLA používá speciálně navrženou trysku umožňující dávkování prášku za chodu v podstatě přímo pod laserový paprsek, a to těsně před jeho dopadem na povrchu dílu. Kapičky roztaveného kovu tak dopadají na díl ve velmi tenké vrstvě natavené šedé litiny. Všechen tento kov pak rychle ztuhne a vytvoří tenký povlak, jenž je metalurgicky spojen s dílem,“ řekl a doplnil, že obrovskou výhodou této technologie je právě kvalita povrchů s lepšími materiálovými vlastnostmi. „Lze tak například nahradit šestimocný chrom a zkoušet nové kombinace materiálů, protože tryska umožňuje využívání více než jednoho materiálu ve stejný okamžik. Metoda je navíc energeticky efektivní a hlavně nesmírně rychlá.“ Laserová depozice materiálu dosahuje rychlosti posuvu 0,5—2 m/min, EHLA dosahuje rychlosti mezi 50 a 500 m/ /min, je tedy 100—250× rychlejší než při využití klasického principu vrstvení.
3D tiskem k efektivnímu lisování plastů, obrábění, chlazení i létání
V odpoledním bloku návštěvníky Fóra aditivní výroby zaujal také Luboš Rozkošný ze společnosti 3R Systems, který se věnoval čtyřem aplikacím kovového 3D tisku. Jednou z možností využití je modelování a výroba forem pro vstřikování plastů. 3D tisk v této oblasti může přispět tím, že konstruktéři dokážou usměrnit trajektorii kanálů podél povrchu formy, což vede k homogenizaci teplotního pole a tím i redukci smrštění a dalších deformací při vstřikování. „Na 3D tisku je ale dokonalé to, že díky němu můžeme řídit nejen trajektorii, ale i průřez kanálů tak, abychom v úzkých místech nepřiškrtili tok chladicího média,“ uvedl Luboš Rozkošný. Jako příklad z praxe následně ukázal vložku formy, která byla původně vyrobena ze slitiny mědi a byla chlazena vodou o teplotě 16 °C vrtaným kanálem. Vznikala však velká nehomogenita teplotního pole, což vedlo k deformacím výlisku. „My jsme přistoupili k náhradě tohoto dílu za 3D tištěný z nástrojové oceli 2709 a zavedli jsme dva kanály o menším průměru. Homogenita teplotního pole se výrazně zlepšila, zvýšila se též teplota chladicí vody z 16 °C na 60 °C, a přesto jsme byli schopni zkrátit dobu cyklu o 10 sekund,“ vysvětlil s tím, že v tomto konkrétním případě došlo ke snížení zmetkovitosti a nákladů na údržbu i ke zrychlení výroby. Jako druhou oblast, kde lze využít 3D tisk, zmínil Luboš Rozkošný segment výroby nástrojů pro obrábění kovů. Jako případovou studii si vybral frézovací hlavu Kraken, vyvinutou a patentovanou vývojáři z plzeňské ZČU. Tím, že bylo možné hlavu tisknout, mohlo v celém designu dojít k odlehčení, což vedlo k úsporám snížení namáhání například vřetena strojů, a zároveň bylo možné optimalizovat přívod chladicího média. To znamená, že tímto způsobem lze u rotačního nástroje chladit nejen hřbet nástroje, ale i čelo břitu, čímž se zvyšuje životnost a výkon takového nástroje. Třetí oblastí byla aplikace výroby výměníků tepla, z níž si pro posluchače připravil ukázku inovativního výměníku klimatizace, který chladí vzduch vzduchem. „Tento princip je umožněn jedině tím, že lze dovést 3D tisk kovů až za samotnou hranu. V součástech výměníku je segment, v němž se ve spirále nachází 300 tisíc drobných kanálků o průměru 0,5 mm při tloušťce stěny 0,15 mm. Efektivita je více než pětinásobná v porovnání s konvenční technologií a 3D tisk kovů je jedinou možností, jak takový díl vyrobit,“ pokračoval dále a doplnil, že až 3D tisk umožňuje posouvání mnoha technologií do sfér, které dříve nebyly vůbec myslitelné, a umožňuje uvedení konceptů do skutečné praxe. „Tento výměník by se měl už příští rok dostat do sériové výroby.“ Poslední oblast, které se tento řečník věnoval, byl letecký průmysl, v němž má podle něj 3D tisk obrovskou budoucnost. „Díky 3D tisku lze vyrábět díly složené dříve z mnoha jednotlivých komponent v jednomu kuse, čímž samozřejmě odpadá problém s kompletací i životností těchto dílů.“ Odpoledne na konferenci zazněly rovněž příspěvky na téma využívání umělé inteligence v rámci 3D tisku, předtiskových simulací a využívání inovativních CAD/CAM řešení pro renovace a opravy dílů za pomoci 3D tisku. Poslední odpolední blok se věnoval případovým studiím, workshopu a přednášce Josefa Průši, jenž posluchače zavedl do oblasti hobby 3D tisku.
/ Kristina Kadlas Blümelová /