„Rychlost, spolehlivost, efektivnost úspora materiálu a výroba v malých sériích,“ vypočítává výhody 3D tisku Jiří Šafka z Laboratoře prototypových technologií a procesů (LPP) Technické univerzity v Liberci. Tato laboratoř disponuje jedním s nejpokročilejších výrobních systémů z oblasti 3D tisku – tiskárnou HP Jet Fusion 4 200 – která nabízí širokou škálu možností aditivní výroby plastových dílů. Princip technologie Multi Jet Fusion, kterou uvedla na trh firma Hewlett Packard v roce 2016, spočívá v nanesení vrstvy stavebního prášku a v aplikaci spojovacího činidla a jeho aktivaci pomocí tepelného zdroje. Tato technologie přináší podle Šafky výraznou změnu téměř ve všech aspektech aditivní výroby. Takovou tiskárnu nemá zatím žádná jiná česká univerzita. Tec hnologie opředená tajemstv ím Vzhledem k vysoké pevnosti a úrovni detailu lze výsledné výrobky z tiskárny HP Jet Fusion 4 200 použít hned po skončení výrobního procesu jako funkční koncové díly. Výrobní proces spočívá v tom, že ze stavěcí jednotky naplněné výrobním materiálem v podobě prášku vynesou Archimedovy šrouby potřebné množství prášku, které se s využitím rotačního válce rozprostře na stavební desku. Potom (podobně jako v inkoustové tiskárně) podle dat v počítači nanesou tiskové hlavy speciální černé činidlo na požadovaný tvar. „Složení činidla je chráněno patentem a nikdo – kromě vybraných pracovníků firmy – nezná přesné složení. Můžeme snad jen prozradit, že se jedná o speciální pryskyřice, které se aktivují teplem. Když následně plochu pokrytou práškem ozáří infrazářiče, tak černá místa s naneseným činidlem – na rozdíl od bílé nepotřené plochy – pohltí tepelnou energii, spečou se a tím se vytvoří první vrstva. Stavební deska se pak posune níže a zase přes Archimedovy šrouby se na ni rozprostře další vrstva prášku. Tento postup se opakuje podle datového zadání až do konečné podoby výrobku. Bílý prášek zůstává nedotčený a používá se opakovaně. Nový se doplňuje 20 %,“ poodhaluje tajemství Jiří Šafka. Dodává, že laboratoř vyřizuje zakázky pro různá odvětví průmyslu. Dostává zakázky z automobilového, leteckého, sklářského i zbrojního průmyslu, ale i z oblasti medicíny. Většinou se týkají vývojové činnosti a informací, které si firmy důsledně chrání, a proto podléhají přísnému utajení. Hlavn í benefity tec hnologie Multi Jet Fusion jsou ryc hlost a dalš í… Každá vrstva se ve stavěcí jednotce tiskne podle Šafky zhruba deset vteřin a je jedno, kolik je v té vrstvě tištěných dílců. Po dokončení tisku se stavěcí jednotka vyndá z tiskárny. Pro pokračování v dalším tisku se provede základní očištění tiskárny, vloží se další jednotka a může se začít nový tisk. Celý box se tiskne přibližně 15 hodin. Při výměně boxu se vstupním materiálem přitom není potřeba čekat na zchlazení, ale už zhruba po dvaceti minutách po dokončení tisku je možné box vytáhnout a tisknout dál. „Vysoká rychlost stavby umožňuje malosériovou výrobu, což je v těchto případech bezesporu velká výhoda oproti klasickému vstřikování plastů. Vyřizovali jsme zakázky pro firmy v počtu desítek a stovek kusů, ale také jsme dokázali vytisknout třítisícovou objednávku pro sklářský průmysl,“ konstatuje Šafka. Připomíná i další benefity této moderní metody: kromě nižší cenové náročnosti jsou to především výsledné mechanické vlastnosti srovnatelné s výrobky vyrobenými standardním vstřikováním. Otevřená materi álov á platforma Na tiskárně HP Jet Fusion 4 200 se zpracovávají termoplastické a semikrystalické materiály. V současné době to jsou polyamid 12, polyamid 12 plněný sklem a polyamid 11. Do budoucna se připravují nové materiály, jako je polypropylen či termoplastický polyuretan (TPU). Podstatné je, že jakýkoliv dodavatel těchto materiálů může dodat vlastní spotřební materiál pro tuto tiskárnu za předpokladu, že splní určité parametry a že bude tento materiál certifikován firmou HP. Takto otevřená materiálová platforma nabízí další možnosti pro využití technologie Multi Jet Fusion. „V této chvíli tiskneme z polyamidu 12, ale plánujeme nasazení dalších materiálů,“ konstatuje Šafka. Současnost žádá odlehčené str uktury Současným trendem je snaha ušetřit co nejvíce materiálu a snížit co nejvíce hmotnost při zachování potřebných mechanických vlastností. Tyto snahy jsou markantní v automobilovém průmyslu, který se začíná orientovat na elektromobily s poměrně těžkou baterií. Celkovou hmotnost elektromobilů vyrovnávají proto odlehčené konstrukční díly karoserie. Pro maximální možné odlehčení se provádí tzv. topologická optimalizace. Jejím cílem je stanovení optimálního rozložení materiálu v návrhovém prostoru při zachování mechanických vlastností, jako je například pevnost a tuhost a provozní efektivnost i při různých klimatických podmínkách. „My známe zatížení určitého dílu a měníme jeho design tak, aby potřebné zatížení vydržel i při změně hmotnosti. Pokud určitou část vyřízneme nebo ji nahradíme mřížkou či pruty, můžeme snížit původní objem výrobku až na 30 %, aniž bychom snížili odolnost výrobku proti danému zatížení. Pomocí 3D tisku lze výrobek zhotovit tak, aby byla hmotnost co nejnižší. Dají se vyrobit tvary, které se konvenčně vyrábět nevyplatí či vzhledem k povaze dílů je není možné zhotovit,“ říká Šafka. Úspory konstrukčního materiálu jsou podle něj hmatatelné především při velkých sériích. 3D tisk jde cesto u automatizace a individualizace v duchu Průmyslu 4.0 Tiskárna je k dispozici pro základní i aplikační výzkum na univerzitě, pro zakázky z průmyslu, ale i pro výuku a mají ji k dispozici i studenti pro samostatnou vědeckou práci a v současné době několik studentů zaměstnává tiskárnu svými závěrečnými pracemi. Studenti jsou také členy vědeckého týmu a podílejí se na výzkumné činnosti. Tisk 3D představuje podle Šafky potřebnou automatizaci i individualizaci přesně v duchu Průmyslu 4.0. „Automatizace znamená, že tato technologie dokáže sdružovat výrobní procesy dohromady. Není potřeba forma, vstřikovna, sklad materiálů ani hotových výrobků. Díky 3D tisku umíme všechno načasovat tak, aby se výrobní proces optimalizoval. Další výhodou je, že můžeme výrobek inovovat či měnit jeho design i v průběhu jeho životního cyklu podle individuálního přání. V tomto duchu vychováme i naše studenty. A je evidentní, že problematika 3D tisku je i pro ně velmi zajímá. To vítají i firmy, které na absolventy technických oborů netrpělivě čekají,“ říká Jiří Šafka, který s problematikou 3D tisku seznamuje studenty na liberecké univerzitě. Jaroslava Kočárková
