3D tisk z filamentů je dnes již běžnou metodou výroby například prototypů budoucích výrobků. Přesto ale v této oblasti v zahraničí i v Česku probíhá neustálý vývoj s cílem nacházet nové materiály vhodné pro složitější aplikace zejména v průmyslu. Jedním z nich je i NonOilen. „Jeho hlavní předností je recyklovatelnost i biodegrabilita,“ říká o něm v rozhovoru pro Technický týdeník Barbora Jurčová, která pracuje na vývoji nových filamentů ve společnosti Fillamentum Manufacturing Czech.
Fillamentum byla původně firma zaměřená na výrobu trubek pro automotive a obalových materiálů. Jak jste se dostali od obalů k 3D tisku?
I když jsme se zabývali výrobou trubek pro automotive a další průmyslové sektory, samozřejmě jsme sledovali, co se děje kolem nás. Už v roce 2013 přišel náš CEO & zakladatel Fillamentum Josef Doleček s revoluční vizí přejít i na trh s 3D tiskovým materiálem, který se zejména v Česku tou dobou hojně rozvíjel.
Viděli jsme v něm příležitost, a tak jsme zkusili vstoupit na trh nejprve s běžnými materiály pro hobby sektor. V roce 2016 jsme pak začali uvažovat nad tím, že bychom se rádi dopracovali také ke složitějším materiálům pro industriální trh, který má výrazně náročnější požadavky. Původně jsme začali s výkonnějšími (dnes už běžnými) materiály, jako jsou například Nylon FX256, Vinyl 303 či materiály flexibilní. Později jsme industriální řady posílili o kompozitní materiály, například nylon s aramidovými a uhlíkovými částicemi. Nyní pracujeme na vývoji materiálů s dalšími užitnými vlastnostmi, jako jsou antistatické vlastnosti, samozhášivost a podobně. Často je naše práce také o tom, že převádíme materiály, které jsou primárně určeny pro jiné využití, do podoby, v níž se dají využívat v rámci 3D tisku.
A jedním z nich je právě NonOilen.
Přesně tak. NonOilen vznikl původně v rámci spin-offové firmy Slovenské technické univerzity v Bratislavě pod vedením profesora Pavla Alexyho. Jde o modifikované PLA [bioplast vyráběný z kyseliny mléčné (polylactid acid) — pozn. red.], které obsahuje v menšině právě PLA a ve většině PHB [polyhydroxybutyrát — vyrábí se např. z odpadních tuků — pozn. red.], díky němuž se dá materiál kompostovat v průmyslovém či elektrickém kompostéru při teplotě nad 50 ˚C.
Naší úlohou bylo tento materiál ještě trochu upravit tak, aby se dal převést do světa 3D tisku. To se nám podařilo a nyní NonOilen filamenty vyrábíme.
Vzhledem k tomu, že jde stále o materiál na bázi PLA, tak se z něj relativně dobře tiskne, nicméně oproti PLA má pokročilejší vlastnosti, jako je třeba vyšší teplotní odolnost. Oficiálně jde o materiál teplotněodolný do 110 °C bez nutnosti následného žíhání, nicméně zpětnou vazbou od zákazníků jsme se dozvěděli, že je jeho teplotní odolnost ještě o kousek vyšší.
Jeho velkou výhodou je také to, že se dá recyklovat až ve 12 cyklech, bez ztráty funkčních vlastností, a to při 100% využití recyklátu pro výrobu nového materiálu. A zlikvidovat se dá vlastně ekologicky.
V současné době již na univerzitě pracují na materiálu 2. generace, který bude obsahovat ještě další příměsi, přičemž PLA bude zastoupen jen v malém procentu. Tato generace by už měla být kompostovatelná v běžném domácím kompostéru a v půdě i bez nutnosti zvýšené teploty.
Jaké další nové materiály si podle vás zaslouží zvýšenou pozornost?
Například pro aplikace v průmyslovém designu i průmyslu samotném je v současné době novinkou filament, který obsahuje keramickou složku. To znamená, že si uživatel výrobek nejprve vytiskne a poté jej ještě vypálí v peci. Polymerní složka se v této následné fázi odstraní a zůstane pouze složka keramická, která se při teplotě okolo 1 000 °C sintruje (spéká). Touto metodou se dají vytvořit struktury, které by se klasickými postupy z keramiky nikdy nedaly vytvarovat, přičemž polymer funguje prakticky jen jako dočasné pojivo keramických částic.
V průmyslu lze výrobky z keramických filamentů používat například při oplazmovávání povrchů. Zejména pokud se upravuje pouze část povrchu výrobku, může tento keramický výtisk fungovat jako ochranné pouzdro či kryt.
I vy se ale zabýváte přímým vývojem nových materiálů. Kolik času vlastně taková práce zabere?
Když jde vše podle plánu, tak nad vývojem strávíme zhruba rok. Je to velmi rozmanitá práce. Některé dny trávíme, klidně i polovinu času, u extrudéru, kde testujeme nové materiály, jindy vymýšlíme a hledáme inspiraci v akademických studiích a výzkumech. Vycházíme vždy z granulátu, který má veškeré potřebné certifikáty a má vhodné vlastnosti pro výslednou aplikaci.
Pokud pracujeme na kompozitním materiálu, zkoušíme vždy více různých směsí a nakonec vybereme tu s nejlepšími vlastnostmi.
Experimentujeme také s barvami. To se vytvoří klidně 10—15 barevných variant, z nichž se nakonec vybírá ta správná.
Dalším krokem už je pak vytvoření struny a testování vlastního 3D tisku. Sledujeme, zda například materiál neucpává trysky, jestli jednotlivé vrstvy dobře drží u sebe. Zjišťujeme, jakou pro tisk vybrat podložku, zda je třeba na ni před tiskem nanést adhezní vrstvu a podobně.
K materiálům pak dodáváme i technické listy, kde jsou popsány mechanické či tepelné vlastnosti filamentu a doporučení, jak s materiálem tisknout. Pro tyto technické listy a popis vlastností používáme výsledky zkoušek z externích laboratoří.
Spolupracujete při vývoji s vysokými školami nebo se soukromým sektorem?
Spolupracujeme se Slovenskou technickou univerzitou v Bratislavě, dále s UTB ve Zlíně i s brněnskou VUT.
Také máme navázané spolupráce se společnostmi v chemickém průmyslu, protože vlastně sdílíme společnou vizi. Oni třeba inovují materiál, který má své primární určení pro vstřikování či jiné aplikace, a my jej poté chceme převést do 3D tisku.
Konkrétně bych mohla uvést příklad spolupráce se společností DOW Chemical Company, která inovovala materiál OBC, což je olefinový blokový kopolymer s velice podobnými vlastnostmi, jako má polyethylen. My jsme jejich směs otestovali a dali jsme jim zpětnou vazbu, co je třeba ještě upravit, aby se z něj dalo tisknout.
Pro 3D tisk musejí mít materiály například vyšší viskozitu než pro technologii vstřikování nebo musejí mít lepší tepelnou stabilizaci, protože při zpracovávání procházejí vícero teplotními zatíženími. Struna se podle materiálu vyrábí při teplotách v rozmezí 170—270 ˚C a další teplotní zatížení materiál čeká při samotném tisku. Proto musí být odolnější než materiál určený pro vstřikování a podobně.
Hovořila jste o tom, že upravujete také fyzikální vlastnosti materiálů. Jak se vlastně filament dělá antistatickým či nehořlavým?
Antistatický materiál musí mít oproti klasickým polymerům zvýšenou vodivost. Úplně nejjednodušší metodou je, že se do něj přidají jednotky procent speciálních vodivých sazí. Daly by se použít i saze obyčejné, ale těch by musel být ve směsi daleko větší poměr. Případně se dá antistatického efektu dosáhnout i sofistikovaněji, a to tak, že se do materiálu přidává například grafen. Nehořlavý materiál vyrábíme tak, že do něj přidáváme halogenové sloučeniny. Nyní je však trendem vyrábět materiály bez halogenových sloučenin (HFFR — halogen free flame retardant), čehož lze dosáhnout přidáním minerálních plniv.
Když na chvilku odejdeme od technologie, jaké jsou nyní další trendy v oblasti tisku z filamentů?
Je to určitě udržitelnost a „green prototyping“.
Když 3D tisk vznikal, dával průmyslu i širší veřejnosti příslib výroby bez odpadu, protože třeba u vstřikování většinou zbývá odpad z vtokových kanálů. 3D tisk proto sliboval, že spotřebuje pouze tolik materiálu, kolik je potřeba k samotné výrobě dílu. Jenomže i když se materiálu spotřebovává méně, pořád za sebou i 3D tisk zanechává ekologickou stopu. Proto nyní vznikají materiály, jako je například NonOilen, či různé filamenty vyrobené z recyklátů.
K tomu se vztahuje například produkt Fishy Filaments by Fillamentum, jehož vývoj v současné době finalizujeme a v brzké budoucnosti ho budeme uvádět na trh. Jedná se o filament vyrobený recyklací rybářských sítí. Ty totiž představují pro životní prostředí velký problém, zejména proto, že až 80 % z nich se likviduje spalováním nebo se skládkuje. Je to velké množství zbytečně vyprodukovaného CO2 a navíc i plýtvání materiálem, který má dobré vlastnosti.
Dalším velkým trendem je tisk za pomoci robotických ramen umožňující vyrábět daleko objemnější předměty. Sice je také omezený velikostí ramena, ale posouvá hranici desktopového tisknutí.
A dalším směrem, kterým se nyní 3D tisk ubírá, je zrychlování samotného tisku a možnost práce s více materiály najednou.
V oblasti průmyslu je pak velkým trendem servis zařízení a 3D tisk náhradních součástek podléhajících rychlému opotřebení. To dokáže srazit náklady na údržbu na minimum a zároveň se tím zkracují výrobní odstávky.
Je třeba na rychlost tisku materiál také nějak speciálně upravovat?
Většinou se tiskne z PLA a to je naštěstí hodně tekuté, takže aby se mohlo tisknout rychleji, stačí trochu zvýšit teplotu.
Problém nastává u flexibilních materiálů, které by se musely upravit aditivy, aby je bylo možné tisknout s vyššími rychlostmi. V současné době ale máme zkušenost spíše s tím, že uživatelé teprve testují, které materiály je možné pro tisk při vyšších rychlostech použít.
I my sami neustále něco zkoušíme a snažíme se dávat zákazníkům podkladové materiály o tom, jak tisknout co nejlépe na konkrétní tiskárně, aby nemuseli optimální nastavení hledat sami.
