High-tech laboratoř 3D tisku v Ostravě

Fakulta strojní zajišťuje na úrovni bakalářského studia výuku studijního programu Strojírenství. V tomto programu je devět specializací. S ohledem na rozvoj 3D tisku a jeho využití v praxi bude v blízké době pro studenty dostupná nová specializace Aditivní technologie. Studenti získají širší povědomí a znalosti o 3D modelování, 3D skenování a reverzním inženýrství. Vzhledem k trendům snižování váhy dílů se naučí základy topologické optimalizace a osvojí si navrhování bionických konstrukcí a moderní design. K výuce jsou používany softwary SolidWorks, Inventor, 3DExperience, MSC Software Simufact Additive, Materialise Magics, Autodesk Netfabb, Renishaw QuantAM, MSC Digimat a Geomagic DesignX.

Z praktického hlediska absolvují studenti jeden semestr v laboratořích, kde se učí základy obsluhování profesionálních 3D tiskáren pro výrobu modelů z kovů, polymerů a kompozitních materiálů. Z dostupných 3D tiskáren lze jmenovat Renishaw AM400 a Renishaw AM500E, EOS P396 a EOS P110, Trumpf TruPrint1000, Markforged Mark X7, Ultimaker S5, Trilab DeltiQ, Formlabs Form3 a Original Prusa I3 MK3S. Pro 3D skenování je k dispozici skener HandyScan Black od společnosti Creaform.

Nová specializace bude obsahovat předmět zaměřený na praktické studie jako inspiraci pro další kreativní myšlení. Na bakalářské studium bude navazovat magisterské studium, kde budou znalosti o 3D tisku prohloubeny o teoretické poznatky z hlediska volby materiálů a materiálových vlastností a technologické procesy, které následují po 3D tisku: obrábění, svařování, povrchové úpravy, destruktivní a nedestruktivní zkoušení, technická kontrola a měření a další problematiky, které mají přímou aplikační návaznost. Samozřejmostí je výuka v anglickém jazyce pro zahraniční studenty.

Provázanost vědy, výzkumu a výuky jde ruku v ruce s praxí. Napříč celou univerzitou probíhá spolupráce s desítkami firem, pro které univerzita realizuje hospodářskou činnost. Tato spolupráce se řeší přímo nebo prostřednictvím projektů (například Inovační voucher). Jedná se zejména o prototypovou výrobu 3D součástí do automobilového průmyslu, strojírenství a potravinářství a 3D skenování. Součástí služeb jsou také školení a odborné konzultace.

Část výzkumu se navíc věnuje rozvoji spolupráce na nových práškových materiálech s unikátním chemickým složením pro 3D tisk. Cílem je ze sintrovaného kovového prášku vyrábět součásti do leteckých motorů – i navzdory tomu, že současná epidemiologická situace postihla letectví v nemalé míře. Hlavním směrem je vývoj nových materiálů odolávajících vysokým teplotám s dlouhodobou korozní odolností.

Na výsledcích vědy a výzkumu se podílí rozsáhlý realizační tým sestávající z členů z celé univerzity ve spolupráci se zahraničními institucemi – Polytechnikou Slaskou v Gliwicích, Žilinskou univerzitou v Žilině a německou výzkumnou organizací Fraunhofer-Gesellschaft. Tato mezinárodní spolupráce řeší nová technologická řešení 3D tisku kovů a kompozitních materiálů v rámci projektu Inovativní a aditivní technologie výroby (R. č.: CZ.02.1.01/0.0/0.0/17_049/0008407), který je spolufinancován z prostředků Evropských strukturálních a investičních fondů, státního rozpočtu České republiky a VŠB-TU Ostrava. Dosavadní výsledky jsou z větší části publikovány formou open access a přehled výsledků je dostupný na webu Inovativní a aditivní technologie výroby. Stránka obsahuje i přehled bakalářských, diplomových a dizertačních prací.

Ze zajímavých studií, které mají přesah do praxe, lze zmínit například studii A Review of Vat Photopolymerization Technology: Materials, Applications, Challenges and Future Trends of 3D Printing, publikovanou v časopise Polymers. Jedná se o přehled tiskových technologií pomocí fotopolymerizace. V příspěvku jsou popsány technologie SLA, DLP a CDLP/CLIP, jejich výhody, nevýhody a dostupné materiály včetně materiálových vlastností. Trendy ve fotopolymerizaci lze sledovat ve výrobě superhydrofobních modelů, soft robotů, aktuátorů, chytrých kompozitů, 3D tisku s pomocí počítačové tomografie, 3D biotisku (živé tkáně), 4D tisku (schopnost měnit tvar vlivem prostředí, například tepla) a 3D nanotisku.

V technické zprávě Prediction of Model Distortion by FEM in 3D Printing via the Selective Laser Melting of Stainless Steel AISI 316L (publikováno v časopise Applied Sciences) se zabýváme predikcemi napětí a FEM analýzou topologicky optimalizovaného dílu s bionickou konstrukcí z korozivzdorné oceli 316L. Zpráva obsahuje podrobný popis postupu simulace, analýzy a predikcí napětí v softwarech MSC Software Simufact Additive a ANSYS Addictive Suite a srovnání s realitou. Tato studie má praktické opodstatnění, jelikož lze předem určit, jak se bude součást deformovat během 3D tisku a po odřezání součásti ze stavební desky. S počítačovou podporou je možné digitální model předdeformovat tak, aby měl po výrobě požadovaný tvar.

Některé výzkumné záměry jsou řešeny v návaznosti na studentskou formuli. Proto se na realizaci experimentů podílejí také sami studenti. Zmínit lze třeba studii On Aluminum Honeycomb Impact Attenuator Designs for Formula Student Competitions, která se zabývá problematikou tlumičů nárazů z hliníkové slitiny s voštinovou úpravou.

Výsledkem výzkumu 3D tisku korozivzdorné oceli 316L je několik publikací zaměřujících se na korozní vlastnosti s aplikací pro výrobu implantátů (Complex Corrosion Properties of AISI 316L Steel Prepared by 3D Printing Technology for Possible Implant Applications). Studie Analysis of Welded Joint Properties on an AISI316L Stainless Steel Tube Manufactured by SLM Technology se zabývá svařitelností tištěné oceli. Výzkum snižování pórovitosti vlivem tepelného izostatického lisování byl shrnut v článku Effect of Hot Isostatic Pressing on Porosity and Mechanical Properties of 316 L Stainless Steel Prepared by the Selective Laser Melting Method. Všechny výsledky byly publikovány online v časopise Materials.

Mezi další zajímavé projekty lze zařadit vývoj adaptabilní polomasky s virucidními a baktericidními nanofiltry. Výzkum a vývoj na adaptabilní polomasce spočívá v nanotextilii s unikátním povlakem, který bude permanentně regenerovatelný působením denního světla. Realizaci projektu podporuje TAČR.

Projekt Customizovaná vložka pro lyžařskou helmu s využitím generativní konstrukce a aditivní výroby se zabývá automatizovaným výpočtem speciální mikroprutové struktury, která vyplňuje lyžařskou helmu. Výhodou helmy je věrná kopie hlavy konkrétního uživatele pořízená 3D skenerem.

V rámci Národního centra kompetence mechatroniky a chytrých strojírenských technologií pro strojírenství se univerzita podílí na vývoji řezných nástrojů vyráběných 3D tiskem a robotickým 3D skenováním. Zajímavý je i záměr 3D tisku navařováním metodou WAAM (Wire and Arc Additive Manufacturing). Projekt podporuje TAČR.

Výzkum nízkocyklové únavy a deformačního zpevnění je realizován v rámci projektu Vliv komplexních a cyklických módů zatěžování na životnost strojních součástí vyrobených metodou 3D tisku. Na projektu se spolu s VŠB-TU Ostrava podílí Fakulta strojní ČVUT v Praze, Ústav termomechaniky AV ČR a společnost Comtes FHT.

Podněty k výzkumu v oblasti 3D tisku neposkytují pouze firmy a partneři v projektech. Ozývají se i další univerzity s ohledem na profesionální infrastrukturu ostravské laboratoře Protolab. Momentálně je rozvíjena spolupráce s Univerzitou v Pardubicích, Fakultou chemicko-technologickou, a to konkrétně v oblasti 3D tisku polymerů technologií Selective Laser Sintering. Cílem spolupráce je výzkum povrchových úprav, povlakování, pokovování, hodnocení smáčivostí, parametrů drsností povrchu a mechanických vlastností.