Témata
Reklama

Aditivní technologie (nejen) v leteckém průmyslu

3D tisk, neboli aditivní výroba, v dnešních dnech zažívá opravdový boom. Většina firem technického zaměření, které jsou na špičce v oblasti inovací, tuto technologii vlastní, nebo alespoň externě využívá. Obdoba této technologie však není v přírodě nová, ani nijak výjimečná.

Vosy staví svá hnízda z vlastních slin, enzymů a rozkousaného dřeva již desítky tisíc let, včely budují voskové plástve patrně ještě déle, podobně jako termiti své hrady. Pavoučí vlákno je vlastně také 3D tisk. Měkkýši a korálnatci jsou v živočišné říši patrně nejstaršími doložitelnými „uživateli“ aditivní technologie. Dokonce i uvnitř našich těl dochází během růstu kostí z růstové chrupavky k aditivnímu procesu. Uvádět příklady flóry (stromy, květiny) nebo neživé přírody (krápníky) je už asi nadbytečné. Za zamyšlení určitě stojí otázka, co mají tyto tisíce let staré „výrobky“ společného? Je to „precizní dokonalost“, „optimální design z pohledu funkce, pro konkrétního uživatele“. Je třeba si s pokorou uvědomit, že tisíciletá evoluce je opravdu velmi silný optimalizační algoritmus. Tento „optimální design z pohledu funkce, pro konkrétního uživatele“ je v ideálním případě charakteristikou jakéhokoliv finálního produktu. Právě toto je filozofie firmy CARDAM, která se užitím aditivních technologií při vývoji nových produktů zabývá.

Reklama
Reklama

Technologie

V diskuzi o 3D tisku je nejrozšířenější povědomí o technologii SLT (Selective Laser Melting) zpracovávající kovy a o technologii FDM (Fused Deposition Modeling) v případě plastů. Vývoj v této oblasti je velmi dynamický. Klíčové je uvědomit si, že 3D tisk není jen jedna technologie. Pokud se při vývoji soustředíme na produkt, není důležité, která z aditivních technologií je nejpokročilejší či nejrychlejší atd. Podstatné je, která nejlépe vyhoví specifickým požadavkům na výrobek. Široká škála a rychlý rozvoj 3D tiskových technologií je tedy pro dobrý design výhodou. Pro lepší představivost, vlaštovky také nestaví svá hnízda z papíroviny vosích hnízd, i kdyby to uměly. Výsledný produkt by nebyl vyhovující z hlediska materiálu, ale ani použité metodiky výroby.

Pro snazší orientaci v technologiích může sloužit následující stručný přehled:

Vat Photopolymerization – skupina technologií spočívajících v polymerizaci tekutého, na světlo citlivého fotopolymeru umístěného v kádi (vat). Výhodou je vysoká přesnost a kvalita povrchu výrobku.

Fused Deposition Modeling (FDM) – aktuálně nejdostupnější a nejrozšířenější technologie vytlačování termoplastu nebo kompozitu.

Material Jetting – podstatou je vrstvené tryskání vosku, kovu nebo tekutého polymeru na podložku. Benefitem je vysoká přesnost a úroveň detailu vyrobeného produktu. Taktéž možnost využití více materiálů a barev během jednoho procesu výroby.

Binder Jetting – proces, při němž je do vrstvy prášku cílového materiálu tryskáno pojidlo, po natisknutí jedné vrstvy dojde k jejímu překrytí další vrstvou prášku a následně opět k jejímu „slepení“. Velkou výhodou je velmi rychlý proces výroby a možnost použití širokého spektra kovových, keramických a polymerních prášků. Konstrukční pevnost vyrobených dílů je výrazným způsobem závislá na použitém pojidlu.

Powder Bed Fusion – metody, kdy je práškový materiál po vrstvách spojován cíleným proudem energie, tedy laserem, elektronovým paprskem nebo opět dalším činidlem. Sem lze zařadit i právě výše zmíněnou Selective Laser Melting (SLM). Výhodou je relativně široká škála konstrukčních materiálů, jako je Nylon, nerezové oceli, titan, hliník, kobalt, chrom atd.

Directed Energy Deposition (DED) – technologie, kdy je nejčastěji kovový prášek nebo drát komplikovaným způsobem nanášen a laserem nebo elektronovým paprskem spojován v libovolné poloze na strojích se 4 a 5 osami. Nespornou výhodou metody je její užití při opravách již vyrobených celků přímo na ně samotné, a to bez jejich montáže.

Sheet Lamination – technologie spojování tenkých „plechů“ a vyřezávání výsledného tvaru vrstvu po vrstvě. Nejčastěji používáno pro papír, kompozity, nebo i kovové plechy. Relativně rychlý, nízkonákladový proces.

HP Jet Fusion – jedna z novinek. Spočívá v nanášení černé vrstvy barvy v požadovaném tvaru na speciální bílý plastový prášek, který je udržován na teplotě těsně pod bodem tavení. Osvitem povrchu prášku černá potištěná vrstva absorbuje větší množství tepla, roztaje a spojí se. Tato technologie je v současné době jediná, která dokáže konkurovat konvenčním technologiím z hlediska rychlosti výroby.

Základna s vytisknutými, ocelovými, testovacími vzorky

Od benefitů k handicapům

Nejčastějším omezením současných aditivních technologií je omezená škála výběru materiálů, nízká kvalita povrchu, nutnost dalšího zpracování (obrábění funkčních ploch, tryskání…), limit velikosti, pomalost výroby a ve výsledku vysoká cena výrobků.

Ano, patrně nikdy nebude možné pro výrobu libovolnou technologií použít libovolný existující materiál. To ale nelze ani při konvenční výrobě. Velké množství materiálů je obtížně obrobitelných, špatně tvářitelných, nesvařitelných atd. Těžištěm výhod aditivních technologií je možnost výroby dílů téměř libovolných, výpočetně optimalizovaných tvarů, čímž lze kompenzovat nedostatky jak materiálů, tak i další z výše uvedených.

Konstruování nových produktů pomocí konvenčních technologií vyžaduje jejich znalost a uvažování v intencích jejich možností (výrobek, který bude odléván, musí být konstruován jinak než svařenec). Plné využití možností 3D tisku vyžaduje změnu myšlení, a ta je v tomto případě opravdu zásadní.

Je třeba opustit představu skládání dílů z jednoduchých geometrických primitiv, jako je válec, koule, hranol a podobně. Možnosti 3D tisku jsou z hlediska morfologie tvaru výrobků takřka neomezené. V této souvislosti se často hovoří o organických tvarech (opět inspirace přírodou). Díky tomu je možné plně využít možností optimalizačních algoritmů, zejména pak tzv. topologické optimalizace (hledání optimálního tvaru). Obrovskou výhodou 3D tisku je možnost nahradit soustavy dílů jedním jediným, byť extrémně komplikovaným. Zatím poměrně málo využívanou možností aditivních technologií je realizovatelnost výrobku s plynule se měnícími materiálovými vlastnostmi v prostoru. Tedy na jednom konci může být díl tvrdý a křehký, na druhém naopak velmi pružný.


Porovnání únavových křivek vytisknutých a obráběných vzorků.
Pro zvětšení klikněte na graf.

Graf s vyznačenou plochou finančně výhodného užití 3D tisku

3D tisk v leteckém průmyslu

Aditivní technologie pronikají dnes do většiny průmyslových odvětví, nejčastěji se s nimi lze setkat při výrobě forem pro odlévání a vstřikování, ve zdravotnictví, v leteckém průmyslu.

Především je dnes 3D tisk využíván při vývoji nových produktů. Možnost vyrobit prakticky přímo z počítače konstruktéra funkční vzorek navrhovaného dílu během několika hodin je aktuálně patrně největším benefitem 3D tisku. Žádná z konvenčních technologií tomuto nemůže konkurovat.

Odlišná situace je v případě „sériové“ výroby. Zde sice nemůže aditivní technologie zatím konkurovat konvenčním postupům (odlévání, kování…), ale její potenciál spočívá například v možnosti snadné individuální úpravy pro konkrétní potřebu zákazníka.

Pevnostní analýza gyroidní struktury

Aditivní technologie se jeví pro letecký průmysl jako ideální. Cílem je optimalizace navrhovaných dílů, ve smyslu snížení hmotnosti a zvýšení únosnosti. Sériovost dílů v leteckém průmyslu není tak závratná jako například v automobilovém průmyslu či jiném spotřebním odvětví. Zájem předních leteckých společností o 3D tisk potvrzuje například vývoj experimentálního letadla Thor Airbus nebo titanové díly Boeingů či nově vyvíjený motor ATP firmy GE Aviation.

Použití aditivních technologií se zatím vyhýbá kritickým dílům letadel. Jsou tedy tisknuty rámy letadel, vybavení kabiny, podpůrné prvky, nenosné části motoru, hydraulické díly. Zde se uplatňuje zejména schopnost tisknout díly s vnitřní odlehčenou strukturou, slučování celých sestav do jediné komponenty (obrovská úspora logistiky výroby a kompletace velkého počtu dílů), využití pro díly z obtížně obrobitelných materiálů a tvarově jinak dosud nevyrobitelné díly. Proč zatím aditiv nepronikl do hlavních dílů leteckých motorů? Důvodem je zejména relativně nízká životnost tištěných součástí, jejíž příčinou je zejména nedostatečná kvalita povrchu takto vyrobených dílů. Životnosti nepřispívá ani drobná vnitřní porozita aditivních výrobků.

Je velmi pravděpodobné, že v blízké budoucnosti budou i tyto „neduhy“ vymýceny, ať už novými materiály, novými aditivními technologiemi, ale zejména změnou myšlení.

CARDAM

Ing. Jaroslav Vtípil, Ph.D.


Reklama
Vydání #4
Kód článku: 180449
Datum: 11. 04. 2018
Rubrika: Trendy / 3D technologie
Autor:
Firmy
Související články
Aditivní technologie pro Průmysl 4.0

Výrobní stroje pracující na principu aditivních technologií si generují samy vlastní výrobní strategii a dráhy. Nepotřebují zvláštní přípravu výroby. Ta spočívá pouze v umístění výrobku do výrobního prostoru stroje.

Desatero pro export - Marketingový průzkum poprvé

V dnešním díle našeho exportního seriálu se budeme věnovat marketingovému průzkumu. Ten je základním nástrojem pro posuzování jednotlivých vývozních teritorií a sestavování individuálních exportních plánů. Cílem je vytvořit profily potenciálních trhů, které zahrnou jejich charakteristiky, očekávání a preference. Na základě těchto profilů chceme sestavit klasifikaci atraktivity trhů podle předem určených kritérií. Dalšími cíli jsou analýza konkurence na vybraných trzích, identifikace hrozeb a příležitostí a určení právního rámce a systému autorského práva.

Úspěšný vývoj technologií pro zpracování termoplastových kompozitů

Konstruktéři tlačení požadavky na nižší hmotnost a lepší parametry svých konstrukcí stále více neváhají využít ve svých návrzích materiály, které byly dříve vyhrazeny pouze pro nejnáročnější high-tech aplikace. Díky tomu roste také poptávka po nenáročných výrobních technologií na výrobu konkrétního dílce z určitého materiálu.

Související články
3D technologie letem světem

Vývoj 3D technologií dnes již zasahuje téměř do všech oblastí výroby. Uplatnění nachází u kusové výroby, ale dokáže si najít své místo i v sériové a dokonce velkosériové výrobě, kde nemusí jít nutně o samotné výrobky, ale např. o výrobu nástrojů nebo přípravků.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Vývoj v oblasti 3D tisku z kovu pokračuje

Již téměř před rokem představila společnost Kovosvit MAS v rámci tradičních zákaznických dnů stroj WeldPrint5X. Na zářijovém strojírenském veletrhu v Brně byla novinka, která kombinuje plnohodnotnou generickou technologii (navařování kovu) a plnohodnotnou subtraktivní technologii pomocí frézování až v pěti osách, oceněna Zlatou medailí. „Ocenění ještě zvýšilo motivaci celého týmu, který na vývoji technologie pracuje,“ říká Petr Heinrich, technický ředitel Kovosvitu MAS. A prozradil, že firma chystá další novinky v oblasti 3D tisku z kovu.

Současný vývoj v oblasti řezných nástrojů

Vývojové trendy v segmentu obráběcích řezných nástrojů jsou navázány na progresi ve strojírenské výrobě a reagují na aktuální potřeby průmyslu. Výzkum a vývoj již dlouhodobě soustřeďuje svou pozornost na vývoj řezných materiálů, systémů povlakování, konstrukce moderních nástrojů využívajících princip minimálního mazání a chlazení MQL, koncepty inovativních upínacích soustav. V současnosti jsou rozvíjeny technologie pro inteligentní výrobu s aplikací předností Průmyslu 4.0, včetně automatizace výrobního procesu, sběru dat o zařízeních, procesech a vyráběných dílcích. Na veletrhu EMO Hannover 2019 byly společnostmi představeny chytré technologie a řešení inteligentního řízení procesu obrábění. Digitalizace a konektivita jsou nyní důležitější než kdykoliv předtím.

Princip laserového čištění a jeho možnosti

Laserové čištění patří mezi mladé technologie, jež nacházejí stále nové uplatnění nejen v průmyslu. Hlavním důvodem jsou nízké provozní náklady, ekologická šetrnost k životnímu prostředí a v neposlední řadě šetrnost k čištěnému materiálu oproti konvenčním metodám.

Nové technologie osvětlení vozidel

Získat zkušenosti s novými zdroji světla bylo cílem jednoletého projektu Ideag, do něhož se na konci roku 2017 pustila mladoboleslavská společnost EDAG Engineering CZ. Výsledný prototyp zadní lampy navržené pro model Škoda Superb ukazuje možnosti využití tří moderních technologií: elektroluminiscenční fólie, OLED panelu a COB LED destiček.

Využití výrobků z recyklovaných plastů

Plastové odpady a jejich využití je v současné době velmi diskutovaným tématem. Očista naší země je velice důležitá, protože spousta plastového odpadu končí na skládkách a ve vodách oceánů. Proč tento odpad nezpracovat v rámci recyklace na smysluplné výrobky?

Výuka a výzkum aditivních technologií

Inovativní výrobní technologie nacházejí své místo také v technickém vzdělávání. Do svých osnov je dříve či později zakomponovaly všechny technické vysoké školy. Avšak pořízení nákladných technologií se neobejde bez podpory ze strany průmyslového výzkumu. Na Fakultě strojní ČVUT v Praze nyní disponují úplně novým zařízením M2 cusing pro výrobu dílů metodou DMLS německého výrobce Concept Laser, dnes působící pod značkou GE Additive. Stroj dodala společnost Misan a technologie slouží primárně pro výzkum v leteckém průmyslu.

Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

Automatizace lidem práci nebere

Automatizaci se ve firmě Kovosvit MAS věnují od roku 2013. Z původního projektu vznikla samostatná divize MAS Automation a na letošní rok má plánované téměř dvojnásobné tržby oproti roku 2017. V porovnání s plánovaným obratem celého Kovosvitu jsou tržby divize zatím nevýznamné, ale průměrný růst divize o dvě třetiny ročně dokládá, že automatizace má v podniku ze Sezimova Ústí zelenou.

Výzkum progresivních laserových technologií

Technologie s využitím paprsku laseru jsou stále dynamicky se rozvíjejícími oblastmi. Aktuálně se rozšiřuje využití laseru v mnoha oborech: od aplikací v medicíně, mikroelektronice, optice a měřicí technice až po průmyslové realizace se základem v úběru a ovlivňování vlastností kovových i nekovových materiálů. Právě tyto aplikace umožňují využít laser pro rychlé a efektivní řezání, svařování, gravírování, kalení, texturování, značení nebo leštění.

Podnikové výzkumné centrum formuje budoucnost vývoje materiálů

Eureka je aplikační laboratoř společnosti JSP, výrobce materiálu Arpro, která nabízí vývoj a výrobu prototypů, jejich testování a ověřování prvních sériových výrobků. Umožňuje dokonce experimenty s technologiemi, jako je například laminace či zalisovávání vkládaných dílů s možností ověření 3D tolerancí.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit