3D tisk kovů proniká do výroby pomalu

Losangeleský start‑up Divergent 3D má plán, jak rozvrátit (tradiční) výrobu automobilů, hlásal před nedávnem titulek článku v magazínu Forbes. Firma podnikatele Kevina Czingera vyvinula prototypy sportovního motocyklu a automobilu, jejichž součástky jsou z velké části vytištěné na 3D tiskárnách. Czinger díky tomu získal desítky milionů dolarů od investorů a jeho firma na vývoji technologií pro levnější produkci automobilů spolupracuje dokonce s francouzským koncernem PSA. On sám a řada dalších vizionářů prohlašují, že Průmysl 4.0 převrátí výrobu naruby, stávající dodavatelské řetězce se zhroutí, a dokonce i tak sofistikované produkty, jakými jsou automobily, bude možné vyrábět lokálně pomocí 3D tisku. Už nebude nutné převážet hotové výrobky přes půl světa, cestovat budou pouze data a ta to zvládnou mnohem rychleji. Ano, třeba to tak jednou opravdu bude, ale jak daleko jsme od této mety? Dosáhneme jí za pět, nebo spíš za 20 let? V propletenci obchodních zájmů dnešních věrozvěstů revolučního nástupu průmyslové digitalizace či 3D tisku není jednoduché se vyznat a mnohdy se v něm ztrácí i zdravý rozum. Ten pomůže zachovat jedině znalost technologických možností, ale i omezení, která nové výrobní postupy v současném stupni vývoje přináší, a dobrý odhad, kam se v dohledné době mohou posunout.

Jiný přístup ke konstruování

I kovové součásti je už řadu let možné takzvaně tisknout, tedy vyrábět aditivně, postupným přidáváním jednotlivých vrstev. Cena je ale vzhledem k ceně zařízení a času potřebnému k tisku ve většině případů výrazně vyšší než cena součásti vyrobené konvenčními technologiemi. Z toho je jasné, k čemu se 3D tisk kovů nehodí – k hromadné výrobě součástí, které je možné vyrobit obráběním, odléváním nebo třeba svařováním. „Zásadní výhodou aditivní výroby kovových součástí je fakt, že se složitostí výrobku neroste jeho cena. U jiných technologií to neplatí – výrobky složitějších tvarů jsou vždy dražší,“ upozorňuje Libor Beránek, vedoucí Ústavu technologie obrábění, projektování a metrologie na Fakultě strojní pražského ČVUT. „Aditivní výroba úplně mění přístup ke konstruování. Lze provádět topologické optimalizace dílů nebo ušetřit vnitřní materiál – plné stěny součásti může nahradit nějaká složitá prostorová struktura, která přenáší zatížení podobně, ale je mnohem lehčí,“ dodává.

Takzvanou topologickou optimalizací je možné pomocí speciálních algoritmů nalézt optimální tvar součásti (například z hlediska její hmotnosti) při znalosti prostředí (připojovacích rozměrů, podpor a podobně) a zatížení, které na součást působí. Výsledkem jsou často z pohledu klasických výrobních technologií velmi netradiční tvary připomínající struktury, které se vyskytují v přírodě – takzvané bionické konstrukce. Jinými než aditivními postupy by jejich výroba byla nemožná nebo velmi drahá. Jsou tu ale i některé nevýhody. „Rozměrová přesnost a kvalita povrchu aditivně vyrobených součástí je horší než třeba u přesných odlitků. Zatímco u obráběných dílů dosahujeme přesnosti řádově v setinách či tisícinách milimetru, u 3D tisku je realistické očekávat desetiny milimetru. Podobné je to s kvalitou povrchu,“ vysvětluje Libor Beránek. To znamená, že většinu funkčních ploch součástí bude třeba po vytištění ještě obrobit. Tady se ale podle Beránka skrývá další zádrhel: „Topologicky optimalizované díly se složitě upínají do obráběcích strojů, náročnější je i samotné programování obrábění.“ Pro součásti ve všech směrech zakřivené a rozměrově nepřesné je obtížné i vyvinout speciální upínací nářadí, takzvané přípravky. To vše součástky vyrobené aditivní technologií dále prodražuje. V technické praxi navíc podle Beránka dnes chybí znalost, jak díly od začátku konstruovat pro 3D tisk. Pro konstruktéry není snadné se na nový způsob práce rychle přeorientovat.

Jak se dá tisknou z kovu?

Pro aditivní výrobu kovových součástí se využívá různých výrobních postupů, které se liší typem vstupního materiálu (kovový prášek, drát či dokonce roztavený kov) nebo zdrojem tepla, kterým se materiál svařuje či spéká. Asi nejrozšířenější skupinou jsou metody, jejichž vstupním materiálem je kovový prášek. Jeho spečením v požadovaném tvaru vznikne výsledná součást. Ke spékání se nejčastěji využívá laserový paprsek. V pracovním prostoru stroje se nejprve nasype tenká, rovnoměrná vrstva kovového prášku a laserový paprsek postupně projíždí celou plochu daného řezu součásti a jednotlivá zrna v ochranné atmosféře spéká a navařuje k základní desce. Následně stroj nanese další vrstvu prášku a celý proces se opakuje – laser znovu postupně spéká novou vrstvu prášku a spojuje ji s tou předcházející. Součást tak vzniká po vrstvách, skrytá v „hromadě“ kovového prášku – práškovém loži. Tloušťka jednotlivých spékaných vrstev se pohybuje řádově v setinách milimetru. Na tiskárně s krychlovým objemem pracovního prostoru o hraně zhruba 250 mm tisk trvá řádově desítky hodin – v závislosti na využití prostoru. Po dokončení poslední vrstvy se zbylý prášek odstraní a lze jej teoreticky použít k výrobě další součásti. „V praxi se ale ukazuje, že prášek vystavený působení tepla od laseru mění své vlastnosti, což může ovlivnit vlastnosti dalších vytištěných součástí. Tato oblast je v současnosti předmětem intenzivního výzkumu,“ dodává Libor Beránek. Ze všech aditivních postupů umožňuje tato technologie dosažení nejmenších detailů a nejlepší rozměrové přesnosti výrobku. Prášek je totiž velmi jemný a laser se dá přesně zaostřit. Má ale i některé nevýhody. „Prášky na bázi hliníku či třeba titanu jsou na vzduchu značně reaktivní, tedy pokud dojde k jejich zapálení například statickým výbojem, velmi dobře hoří. Navíc jsou karcinogenní a mutagenní. Manipulovat s nimi při plnění zásobníku a čištění modelu je možné jen v uzemněném ochranném obleku a v ochranné atmosféře,“ vysvětluje Libor Beránek. Po očištění zbylého prášku je nutné vytištěné součásti vyžíhat v peci, aby se odstranila značná vnitřní pnutí, která vznikají v průběhu tisku. Je také nutné odstranit takzvané technologické podpory, které umožňují tisknout stěny svírající se svislicí úhel větší než 45 stupňů a odvádějí teplo z nejvíce tepelně namáhaných částí, kde při tisku hrozí velké deformace výrobku. Povrch součástí se rovněž musí otryskat a zbavit tak napečených zbytků prášku. Podobně funguje i spékání pomocí elektronového paprsku, jehož energie je větší než u laseru, takže metoda je produktivnější. Nevýhodou je nutnost provádět celý proces ve vakuu, namísto ochranné atmosféry, která postačí laseru. To tisk ještě více prodražuje. Další možností je využít ke spojení kovového prášku polymerové plnidlo, s jehož pomocí se prášek opět po vrstvách vytiskne do požadovaného tvaru součásti. Ta se poté umístí do pece a zahřeje na vysokou teplotu. Tím se plnidlo vytaví a prášek speče. Při tom ale dochází vzhledem k objemu plnidla k velkým změnám rozměrů součásti. Ta se po spečení zmenší zhruba o deset procent. To je nutné kompenzovat už při návrhu modelu. Kromě uvedených metod tisku existují i další aditivní postupy využívající například kovový prášek přiváděný tryskou do plazmového hořáku či laserem taveného svaru, nebo materiál ve formě drátu navařovaný elektrickým obloukem. To je velmi produktivní metoda, která ale dosahuje nízké rozměrové přesnosti a kvality povrchu. Tyto metody mohou být také integrované do obráběcích strojů, jde pak o takzvanou hybridní výrobu, kdy v jednom stroji je možné výrobek „tisknout“ i obrábět. Vhodnou aplikací těchto hybridních technologií mohou být opravy poškozených či opotřebených dílů. Ve vývoji jsou dokonce metody, které by měly přímo tisknout rozžhavený tekutý kov, ale v praxi se zatím neuplatňují.

Zatím hlavně prototypy a nástroje

K čemu se tedy 3D tisk kovů hodí? Pokud jde o sériovou výrobu, pak především pro velmi složité díly nebo součásti, které konvenčními technologiemi vyrobit nelze, nebojen velmi draze. To je případ třeba leteckého průmyslu, kde topologická optimalizace dílů může ušetřit hmotnost, což se pozitivně projeví v provozních nákladech letadel a ospravedlní vysokou cenu součástí. Například společnost GE Aviation vyrábí aditivní technologií palivové trysky nebo kryt jednoho z nových typů leteckých motorů. Díky tomu se podařilo původních několik stovek dílů redukovat zhruba na desítku. Tím se ušetří hmotnost, ale i zjednoduší montáž nebo logistika. „Obecně jde zatím spíš o takzvané nekritické díly, které nerotují a nejsou vystaveny velkému teplotnímu namáhání,“ dodává Libor Beránek.

Automobilka BMW má s 3D tiskem kovů už dlouholeté zkušenosti a kromě výroby dílů pro závodní či historické vozy jej nedávno začala využívat v sériové výrobě svého hybridního sportovního modelu i8 Roadster. Úchyt krytu stahovací střechy má bionický design optimalizovaný pro 3D tisk a oproti dílu vyrobenému konvenčně je mnohem lehčí a pevnější. Zřejmě není náhoda, že první sériově tištěná součást v historii mnichovské automobilky se objevila právě v supersportovním autě s pořizovací cenou přes čtyři miliony korun. BMW v současné době soustřeďuje své know‑how o 3D tisku plastů i kovů do specializované pobočky v Oberschleissheimu u Mnichova. Additive Manufacturing Campus za deset milionů eur by měl začít fungovat v první polovině letošního roku a jeho úkolem bude hledat další možnosti využití 3D tisku ve výrobě bavorských vozů. Co se zatím ukazuje jako problém v sériové výrobě, neplatí tak docela v jiné oblasti životního cyklu produktu – při výrobě prototypu, na kterém se ověřují požadované vlastnosti výrobku. „Cena jde trochu stranou, pokud technologie umožní získat prototyp rychle. A 3D tisk může v některých případech zkrátit výrobu o týdny nebo i měsíce. Díky tomu stihnou konstruktéři udělat další dva tři optimalizační kroky, které by při konvenční výrobě prototypu nestihli,“ vysvětluje Libor Beránek. Například skříně turbodmychadel či převodovek tvoří složité odlitky z hliníkové slitiny a pro výrobu jejich prototypů bylo dříve nutné nejprve vyrobit drahé formy. 3D tisk výrobu výrazně usnadňuje. Důležitou oblastí, kde se 3D tisk kovů prosazuje již delší dobu, je výroba nástrojů a zejména forem pro slévání kovových a vstřikování plastových součástí. Aditivní technologií lze vyrobit formy a jádra forem, které mají velmi složitou strukturu chladicích kanálů v minimální vzdálenosti od povrchu formy. Díky takovým formám s optimalizovaným chlazením je pak možné vyrobit buď složitější odlitky či plastové výlisky, nebo výrazně zkrátit dobu jejich chladnutí, což zvyšuje produktivitu výroby. Technologie 3D tisku kovů je stále relativně mladá a producenti „tiskáren“ výrobní proces neustále vylepšují. Produktivita výroby poroste, například díky výkonnějším laserům či využití několika laserů současně. „Možná se dostaneme na lepší kvalitu povrchu, ale bez ohledu na metodu aditivní výroby při ní dochází k výraznému teplotnímu ovlivnění součásti. A teplota a rozměrová přesnost nejdou příliš dohromady. Přesnost se bude zlepšovat, ale že by ji v blízké budoucnosti bylo možné zvýšit třeba o řád, to si nemyslím,“ uzavírá Libor Beránek.
 
Martin Knížek, Hospodářské noviny, 17. 4. 2019