Ewolucja druku 3D – szanse i perspektywy

Jak ocenia Pan dojrzałość technologiczną polskiego rynku w zakresie świadomości i stosowania druku 3D?

Zauważalne są duże różnice. Z jednej strony mamy świadomych przedsiębiorców, którzy w bardzo przemyślany sposób inwestują w druk 3D, optymalizując procesy produkcyjne za pomocą tej technologii. Po drugiej stronie mamy firmy, które starają się zrozumieć wady i zalety technologii przyrostowych i dopiero poszukują możliwości ich zastosowań w swoich procesach.

Nie można powiedzieć, że polscy przedsiębiorcy szeroko korzystają z druku 3D, natomiast pozytywna jest rosnąca świadomość na temat korzyści, jakie może przynieść jego wdrożenie do działań firmy czy zakładu produkcyjnego. Jedną z reprezentatywnych korzyści, jakie dają technologie przyrostowe jest m.in. redukcja liczby komponentów w podzespołach, a tym samym i operacji montażu. Dzieje się tak dlatego, że w procesie druku 3D mamy mniej ograniczeń co do pracy urządzeń produkcyjnych, a tym samym zamiast produkować więcej części o mniej skomplikowanych kształtach, możemy wyprodukować mniej części o znacznie bardziej skomplikowanych kształtach.

Posłużę się przykładem wdrożenia technologii przyrostowych do zastosowań w utrzymaniu ruchu w firmach produkcyjnych. Linie produkcyjne w naturalny sposób zużywają się i niejednokrotnie problematyczne jest odnalezienie na rynku dokładnie takiej samej części, która uległa uszkodzeniu lub ich zakup w odpowiednich ilościach oraz dostawa w założonym czasie. Współpracowaliśmy z firmami, dla których drukowaliśmy części dopasowane do potrzeb konkretnych linii produkcyjnych, jednocześnie modyfikując np. liczbę komponentów wymaganych do montażu. Wchodzimy tu w obszar nie tylko związany z naprawą usterki, ale również predictive maintenance, ponieważ części zostały zmodyfikowane w taki sposób, aby zminimalizować ryzyko wystąpienia podobnej usterki w przyszłości.

Niedawno Łukasiewicz – PIAP zakończył realizację projektu Space Adaptors. Czy może Pan przybliżyć nam jego szczegóły i efekty?

Koncepcja tego projektu powstała na bazie rozmów ze spółką PIAP Space o tym, w jaki sposób można zredukować koszty misji kosmicznych przy zastosowaniu technologii przyrostowych. Druk 3D pozwala na realne obniżenie kosztów. Eliminuje konieczność wytwarzania geometrii części rakiet nośnych w sposób klasyczny, tj. czasochłonny – np. frezowaniem, wierceniem, spawaniem itp. – czyli jednocześnie umożliwia znaczną redukcję czasu wytwarzania kluczowych podzespołów, ponieważ zmniejsza się liczba wymaganych procesów. Nie bez znaczenia jest również istotna redukcja odpadów materiałowych. W technologiach przyrostowych materiał nakładany jest w takiej ilości, jaka jest wymagana do produkcji części, nie ma tu np. mowy o wiórach i odpadach, co ma miejsce w przypadku obróbki ubytkowej.

W tradycyjnym działaniu musielibyśmy najpierw wytworzyć potrzebne elementy za pomocą wytaczania, następnie frezować je, a finalnie łączyć za pomocą spawania czy napawania itp., by uzyskać finalny produkt. Dzięki drukowi 3D można wytworzyć gotowy komponent metodą przyrostową i już na wydrukowanym elemencie nanieść ewentualne poprawki, np. stosując jedną z metod klasycznych.

PIAP Space specjalizuje się w produkcji tzw. adapterów naziemnych. Wspomagają one procesy związane z przygotowaniem satelity, który jest wynoszony na orbitę okołoziemską. Naszym celem było opracowanie metodyki projektowania oraz wytworzenie adaptera z aluminium za pomocą technik przyrostowych.

Efektem naszych prac miało być znaczące skrócenie czasu wytworzenia takiego adaptera – z trzech miesięcy do dwóch tygodni. I to nam się udało, a było to możliwe dzięki redukcji liczby procesów. Wytworzony model adaptera pomyślnie przeszedł testy w zakresie wytrzymałości i struktury wewnętrznej, co było bardzo istotne, ponieważ nie mamy tutaj do czynienia z litym elementem, z którego coś wytwarzamy, tylko nakładamy materiał warstwa po warstwie. Dodatkowym zyskiem była redukcja masy części składowych adaptera. Przekłada się to na wymierne oszczędności przy realizacji misji kosmicznych, ponieważ wyniesienie kilograma materiału na orbitę okołoziemską to koszt rzędu kilku tysięcy dolarów.

W ramach projektu powstało specjalne stanowisko zrobotyzowane, które umożliwia produkcję przyrostową. Ze stali, aluminium czy ze stopów aluminium możemy wyprodukować wiele rożnego typu części i mamy pełną swobodę projektowania. Wynika ona z tego, że nie jesteśmy ograniczeni do komory i głowicy, która porusza się w płaszczyźnie, jak to się dzieje w przypadku drukarek 3D.

Ramię robotyczne może nakładać materiał w przestrzeni, co daje duże możliwości w zakresie manipulacji oraz tworzenia geometrii i zapewnia skalowalność. O to chodziło w projekcie, by opracować technologię przyrostowego wytwarzania, która zapewni skalowalność i przyniesie realne korzyści przedsiębiorcy, przede wszystkim w postaci redukcji czasu i procesów.

Dziś Łukasiewicz – PIAP może produkować przyrostowo detale wielkogabarytowe, nawet rzędu 2 m × 3 m × 5 m. Jest to możliwe dzięki temu, że mamy robota, który porusza się po torze jezdnym i ma duży zasięg. Opracowana przez nas skalowalna technologia może być adaptowana także do innych branż niż przemysł kosmiczny.

W jakich sektorach można znaleźć największy potencjał dla upowszechnienia wytwarzania przyrostowego?

Do branż, które mogłyby odnotować relatywnie szybki rozwój dzięki drukowi 3D z pewnością należy sektor budownictwa. Można powiedzieć, że już teraz „drukujemy” domy. Łukasiewicz – PIAP aktywnie będzie włączał się w ten rynek – planujemy realizować tego typu inwestycje wspólnie z naszym partnerem biznesowym. W branży budowlanej widać bardzo duży potencjał, ale potrzebne jest jeszcze większe otwarcie i jej gotowość na przyjęcie druku 3D. To jednak tylko kwestia czasu, ponieważ wytwarzanie przyrostowe w budownictwie daje o wiele większe możliwości niż technologie standardowe. Od trzech lat intensywnie pracujemy nad skalowalnością technologii druku 3D, z uwzględnieniem potrzeb różnych branż, przede wszystkim właśnie na rzecz budownictwa oraz produkcji części maszyn.

Przykładem bardzo ciekawego zastosowania wytwarzania przyrostowego w tym sektorze może być most w Amsterdamie. Metalowy most został w całości wykonany w technologii podobnej do tej, z której korzystaliśmy w projekcie Space Adaptors – wielkoskalowej i zrobotyzowanej. Ambicją producenta było to, by roboty wytwarzały części mostu, a następnie w trakcie budowy poruszały się po tych, którą same wyprodukowały, tworząc kolejne. Tak więc przy budowie mostu robot miał wykorzystywać infrastrukturę, którą sam stworzył – to jest przykład produkcji inteligentnej, ale i zrównoważonej, ponieważ nie musimy wytwarzać dodatkowej infrastruktury dla narzędzi robotycznych.

Coraz śmielej przygląda się drukowi 3D także branża lotnicza, w której – podobnie jak w sektorze kosmicznym – bardzo ważna jest redukcja kilogramów, a także branża maszyn przemysłowych i automotive. W tym ostatnim sektorze coraz bardziej liczy się łatwość adaptacji produkcji do zindywidualizowanych zamówień i prototypowania, ale i redukcja operacji montażu podzespołów. Tu po raz kolejny uwidaczniają się zalety druku 3D – nie musimy planować wielkich serii produkcyjnych, ponieważ mamy narzędzie, by tworzyć krótkie serie. Jednocześnie druk 3D daje duże pole do popisu, jeśli chodzi o możliwości tworzenia geometrii.

Co powoduje, że zastosowanie druku 3D w wielu branżach nie jest jeszcze tak powszechne, jak wskazywałby na to potencjał?

Według mnie w wielu przypadkach głównym hamulcem jest brak odpowiednich certyfikacji i norm. Odnosząc to np. do branży budowlanej – druk 3D jest w tej chwili stosowany przede wszystkim w indywidualnym budownictwie i jeszcze zbyt mało czasu upłynęło, by jednoznacznie określić różnego typu zależności dotyczące np. metodyki projektowania konstrukcji, by wdrożyć technologię druku 3D na wielką skalę.

Fakt, że nie mamy jeszcze sprawdzonych parametrów technicznych konstrukcji bazujących na technologiach przyrostowych sprawia, że niezbyt śmiało projektujemy i wdrażamy. Istnieją algorytmy do projektowania odpowiednich struktur czy skalowania, mówi się też o optymalizacji typologii, ale wciąż brak unormowań i certyfikacji, a jednocześnie koszty certyfikacji mogą w niektórych przypadkach stawiać pod znakiem zapytania opłacalność inwestycji. To się jednak z pewnością będzie zmieniało.

Obecnie trwają intensywne prace nad tym, by włączyć technologie addytywne w pulę technologii certyfikowanych. Można powiedzieć, że druk 3D przechodzi w tej chwili globalną kontrolę jakości. Prowadzone są liczne badania, w których porównuje się np. wytrzymałość struktur wytworzonych metodą przyrostową i tych wytwarzanych w sposób klasyczny.

Jednak obecny brak jasnego przełożenia na certyfikację wyrobów z druku 3D oznacza, że stosując drukarkę 3D przedsiębiorca robi to w pewnym sensie na własną odpowiedzialność. Co więcej, biorąc drukarkę „z półki”, która nie jest sprofilowana pod kątem określonych zastosowań i branż, przedsiębiorca musi samodzielnie dostosować proces i projektowanie, a struktura uzyskanego elementu często – bez odpowiednich testów – pozostaje niewiadomą.

Inaczej jest np. w przypadku branży dentystycznej, w której druk 3D także będzie zapewne szybko się upowszechniał i która już teraz coraz częściej korzysta z możliwości wyprodukowania metodą przyrostową implantów czy plomb. W tym przypadku jednak droga jest łatwiejsza, ponieważ mamy już odpowiednio przystosowane drukarki i certyfikowane materiały oraz zbadane metody implementacji endoprotez w organizmie człowieka.

Druk 3D wydaje się dziś coraz bardziej wszechobecny. Czy według Pana istnieją branże, w których nie znajdzie on zastosowania?

Wydaje mi się, że trochę na siłę próbuje się włączać druk 3D do branży spożywczej. Powstają już ciekawe projekty, jak wytwarzanie przyrostowe jadalnych potraw i produktów spożywczych. Jednak według mnie to, że można w ten sposób wyprodukować artykuły spożywcze, nie znaczy, że powinniśmy iść w tym kierunku. Warto skupić się na tych zastosowaniach, w których druk 3D może przynieść najwięcej realnych korzyści. Wielu przedstawicieli z sektora produkcji dużych i średnich przedsiębiorstw dostrzega problem elastyczności produkcji, czyli szybkiego reagowania na zmienne potrzeby klientów i to jest właśnie jeden z przykładów, gdzie druk 3D jest idealnym zastosowaniem.

Wspomniał Pan, że Łukasiewicz – PIAP planuje angażować się w projekty budowlane. Jakie są założenia?

Zamierzamy stworzyć laboratorium automatyzacji w budownictwie. Mamy silny zespół specjalistów, nawiązaliśmy współpracę projektową z partnerem biznesowym i opracowujemy wielkogabarytową konstrukcję, która będzie wspierała produkcję budynków. Dotyczy to np. sposobu nakładania mieszanek betonowych i odpowiedniej obróbki, czyli łączymy wytwarzanie przyrostowe z obróbką klasyczną. W ramach innego działania projektujemy specjalną głowicę nakładającą beton. Widzimy tu niszę, ponieważ budownictwo jest wciąż słabo zautomatyzowane, a jednocześnie prężnie się rozwija. Druk 3D jest jednym z elementów automatyzacji, dlatego skupiamy się teraz w dużej mierze na wielkogabarytowym wytwarzaniu przyrostowym zarówno z polimerów, jak i stali, stopów aluminium oraz z betonów.

Maciej Cader

Absolwent studiów executive MBA, doktor nauk technicznych, absolwent studiów podyplomowych w zakresie zarządzania w obszarze Badań Naukowych i Prac Rozwojowych, magister inżynier – specjalność robotyka. Ekspert do spraw technologii addytywnego wytwarzania na potrzeby wymagających aplikacji przemysłowych oraz robotyki mobilnej do zastosowań w trudnych warunkach środowiskowych, strefach zagrożenia zdrowia i życia ludzkiego, w tym w strefach zagrożonych wybuchem.

Autor i współautor kilkudziesięciu publikacji, jednej monografii, kilkunastu zgłoszeń patentowych oraz dwóch patentów o zasięgu polskim i międzynarodowym. Prelegent konferencji TED (2011), na której przedstawił innowacyjną w skali świata wizję oczyszczania oceanów po wyciekach ropy naftowej za pomocą zrobotyzowanych latających urządzeń.

Od 2008 r. związany z Łukasiewicz – PIAP. Pełnił w instytucie funkcje kierownika Laboratorium Szybkiego Prototypowania i Obliczeń Numerycznych, koordynatora ds. współpracy z przemysłem wydobywczym, energetycznym i petrochemicznym oraz sekretarza Rady Łukasiewicz – PIAP. Od 6 kwietnia 2020 r. jest zastępcą dyrektora ds. badawczych.

źródło: Automatyka 12/2023