Druk 3D w aspekcie zalet i opłacalności

Druk 3D to doskonała technologia do prototypowania projektowanych urządzeń, ponieważ pozwala na sprawdzanie technologii bez ponoszenia dużych kosztów. Nie musimy ograniczać się do małych makiet – możemy uzyskać nawet ruchome prototypy o dużych gabarytach

Skąd szybko rosnąca popularność technologii druku 3D? Z pewnością wynika ona m.in. z coraz szerszej gamy możliwych zastosowań, łącznie z wykorzystywaniem jej w naszych domach. Odkąd mała drukarka desktopowa zawitała do mojego mieszkania przestałem gromadzić drobne elementy, które mogłyby przydać mi się w przyszłości. Dzięki drukarce w każdej chwili mogę zaprojektować i wydrukować potrzebny detal. W ten sposób udało mi się zawiesić projektor i lampę, naprawić zamknięcie do piekarnika, a nawet przygotować specjalny otwieracz do drzwi na czasy pandemii. Druk 3D to jednak przede wszystkim szerokie spektrum zastosowań w przemyśle. W artykule przybliżamy temat wykorzystywania tej technologii, z uwzględnieniem opłacalności lub nieopłacalności jej sto-
sowania.

Ocena opłacalności różnych metod

Często otrzymuję zapytania ofertowe związane z produkcją małoseryjną elementów z tworzyw sztucznych w technologii FDM, czyli przez wytłaczanie przetopionych materiałów termoplastycznych. Podobnie jak przy prototypowaniu, także w tym przypadku mówi się zazwyczaj o maksymalnie kilku sztukach, jednocześnie często różniących się od siebie drobnymi detalami. Jeżeli chcielibyśmy uzyskać podobne części wykonane w technologii wtryskowej, musielibyśmy liczyć się z dużymi kosztami przygotowania projektu formy oraz jej wytworzenia – nawet kilkusetkrotnie wyższymi niż wtedy, gdy drukowane są pojedyncze elementy. Jeśli nie zależy nam na perfekcyjnie gładkich powierzchniach, wystarczy sięgnąć po najprostsze techniki. Można też poprawić jakość wykonania przez dodatkową obróbkę po wydruku lub rozważyć inne technologie wydruku, takie jak SLA – świetlne utwardzanie żywic czy SLS – spiekanie proszków. Możliwości druku 3D są tak duże, że uzyskanie pożądanych elementów z tworzyw sztucznych niemal zawsze jest możliwe, a dla niewielkich serii przeważnie tańsze niż wykorzystanie technologii konwencjonalnych.

Nieco inaczej przedstawia się sytuacja w przypadku elementów z metali – tu opłacalność wydruków, nawet w produkcji małoseryjnej, zależy przede wszystkim od stopnia skomplikowania geometrii detali. Proste części, które mogą być łatwo wyfrezowane z półfabrykatów, będą często tańsze w wykonaniu technikami ubytkowymi. Metody konwencjonalne będą prawdopodobnie bardziej opłacalne również przy wytwarzaniu większych elementów, które można uzyskać przez usunięcie niewielkiej ilości materiału z metalowych bloków. Ocena zasadności wykorzystywania druku 3D polega przede wszystkim na analizie pracochłonności związanej z produkcją ubytkową. Jeżeli nie mamy w tej kwestii doświadczenia, największy sens ma porównanie wycen dwóch metod.

Znacznie prostsza jest ocena zasadności zastosowania druku 3D do wytwarzania elementów o skomplikowanej geometrii. Wszystkie techniki ubytkowe mają swoje ograniczenia – narzędzia mają nominalne wymiary, jak określona długość oraz średnice frezów, co powoduje, że nie każdą geometrię można uzyskać z ich użyciem. Stopień skomplikowania konstrukcji jest bardzo różny – od występowania trudnych do uzyskania kątów prostych, aż po struktury typu lattice. Pewne jest jednak, że w przypadku druku 3D wprowadzanie takiej geometrii nie wpłynie znacząco na cenę, zależną głównie od czasu pracy drukarki i ilości zużytego materiału. Podniesie ją natomiast znacząco przy wytwarzaniu konwencjonalnym, ze względu na wydłużenie czasu obróbki oraz konieczność zakupienia lub wyprodukowania dodatkowych narzędzi obróbczych. Wadą wydruków może być z kolei niższa dokładność wymiarowa, zwłaszcza gdy mowa o technologii FDM. W przypadku profesjonalnych przemysłowych drukarek 3D, wyposażanych w komorę grzewczą, ten problem może być jednak znacząco zredukowany.

Składowe kosztów

Po procesie prototypowania klienci często proszą o wycenę większych serii produkcyjnych i niejednokrotnie bywają zdziwieni, że cena za jedną sztukę nie ulega znaczącej obniżce. Aby to wyjaśnić, warto rozłożyć na czynniki pierwsze części składowe ceny elementów wykonywanych w procesie druku 3D oraz technologiami konwencjonalnymi. W przypadku pierwszego z nich są to koszty materiałów, pracy drukarki i pracy operatora. Zwiększenie liczby wytwarzanych elementów może mieć jedynie wpływ na niewielkie obniżenie wymaganej pracochłonności operatora. Ilość zużytego materiału i czas pracy drukarki są proporcjonalne do wielkości zamówienia. Wszelkie zniżki dla klienta wymagają więc redukcji zysku. Z kolei w sytuacji wytwarzania konwencjonalnego cena zależy od kosztów materiałów, dodatkowych narzędzi i form, pracy maszyny oraz pracy operatora, a także zysku. W porównaniu do druku 3D dochodzi koszt narzędzi i form, który jest zazwyczaj znaczący i niezależny od liczby wykonywanych detali. W związku z tym wraz ze zwiększaniem partii produkcyjnej cena za sztukę może maleć, bez konieczności obniżania zysku. Czy warto produkować większe partie z użyciem druku 3D? Wydaje się, że ma to sens tylko w przypadku występowania dodatkowych wymagań, możliwych do spełnienia wyłącznie przy zastosowaniu tej technologii (np. opisywanych wcześniej skomplikowanych geometrii).

Unikalne elementy

Klienci często proszą o wydruki elementów unikalnych. Są to zarówno ich projekty własne, jak i części zamienne, których ze świecą szukać na rynku. W przypadku jednostkowej produkcji prototypów z tworzywa sztucznego praktycznie nie ma alternatywy dla druku 3D. Jeżeli chodzi o części zamienne, ważną rolę odgrywa motywacja. Przykładem może być dodrukowywanie elementów do wiekowego samochodu, które nie są już dostępne w obiegu. Można je zeskanować niezależnie od stopnia zużycia, a nawet nieco „podrasować” i następnie wytworzyć addytywnie. Trzeba jednak liczyć się z kosztami takiego procesu. Jeżeli jest to widoczny element zabytkowego pojazdu, będzie to bardzo dobra inwestycja. Jeśli jednak mowa o dodrukowaniu niewidocznej części auta o niskiej wartości, warto przemyśleć zastąpienie jej innym komponentem, który co prawda nie będzie idealnie pasował, ale może być nawet kilkudziesięciokrotnie tańszy.

Różne technologie – różne materiały

Różne technologie addytywne to też różne materiały – od bardzo plastycznych, przez utwardzane żywice, aż po kompozyty przemysłowe, a nawet metale. Trzeba pamiętać, że ze względu na sposób wytwarzania i strukturę nie mają one tych samych parametrów mechanicznych, co części z materiałów litych. To jednocześnie dobrze i źle. Z jednej strony bowiem trzeba liczyć się z ryzykiem łatwiejszych uszkodzeń mechanicznych i odkształceń, co jest bardzo kłopotliwe zwłaszcza przy pracy pod wysokim obciążeniem. Z drugiej – elementy mogą być lżejsze i mieć powierzchnię o zwiększonej chropowatości. Wybór materiału to temat na osobny artykuł. Tak jak wybór technologii, ma on znaczący wpływ na koszty, a co za tym idzie opłacalność produkcji. Często zapominamy o tym, że druk 3D to znacznie więcej niż uruchamianie maszyny i zabieranie z niej gotowych części. To także szereg testów, prób, nieudanych wydruków i godzin poświęcanych na wyprowadzanie odpowiednich parametrów procesu. Zmiana materiału na bardzo nietypowy może wiązać się z dodatkowymi bardzo wysokimi kosztami prac technologicznych, a w przypadku drukarek proszkowych – również bardzo kosztowną wymianą zasypanego materiału. Warto brać to pod uwagę w razie chęci wytworzenia elementów z niestandardowych tworzyw.

Opłacalność zależy nie tylko od kosztów

Decyzja dotycząca technologii wytwarzania jest niezwykle skomplikowana. Zależy od bardzo wielu czynników, a na opłacalność wpływają nie tylko koszty. Niekiedy zdarza się, że mimo niższych kosztów efekty uzyskiwane w inny sposób niż przez druk 3D są niezadowalające. Bywa też, że technologie ubytkowe radzą sobie lepiej i pozwalają na wytworzenie bardziej wytrzymałych, aczkolwiek cięższych detali. W niektórych sytuacjach możliwe jest łączenie obydwu i zatapianie elementów uzyskiwanych konwencjonalnie w wydrukach. Nie ma uniwersalnego sposobu oceny, czy w danym przypadku warto pokusić się o wytwarzanie przyrostowe, ale warto wiedzieć, co może wpłynąć na koszty i parametry mechaniczne produkowanych tą metodą elementów. Dobrze również mieć na uwadze, że instytucje i firmy zajmujące się drukiem 3D często chętnie przyłączają się do prac badawczych i są skłonne do testowania nowych materiałów oraz technik służących innowacyjnym zastosowaniom. Bezsprzecznie druk 3D to technologia przyszłości. 

SIEĆ BADAWCZA ŁUKASIEWICZ – PRZEMYSŁOWY INSTYTUT AUTOMATYKI I POMIARÓW PIAP
Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa
tel. 22 87 40 384
fax 22 87 40 221
e-mail: piotr.falkowski@piap.lukasiewicz.gov.pl 
www.design.piap.pl 

źródło: Automatyka 4/2021