Inovace 2015, Téma 7: Role technologie 3D tisku v inovačním procesu

Přísloví Kdo chvíli stál, již stojí opodál zde platí více než kde jinde. Proto je důležité věnovat inovacím neustálou pozornost. Jsme si vědomi, že čtenáři MM Průmyslového spektra jsou proinovativní, někteří inovace s úspěchem realizují, jiní jsou ke změně připraveni a  další o ni teprve uvažují. Celému tomuto spektru je věnován nový seriál, ve kterém provedeme fiktivní firmu celým procesem inovace až po úspěšné umístění jejího produktu na trh. Odbornými partnery seriálu jsou společnosti IPA Slovakia, 3M Česko, Martin Tvarůžek Design a DDD Printing.

MM 1,2: Proč inovovat?
MM 3: Inovační potenciál firmy
MM 4: Jak financovat inovace a měřit jejich přínosy?
MM 5: Aspekty zavedení inovačního procesu ve firmě
MM 6: Inovace v sítích, budování inovačního ekosystému
MM 7,8: Vliv průmyslového designu na inovaci
MM 9: Role technologie 3D tisku v inovačním procesu, prototypová část.
MM 10: Jak a kdy uvádět inovační návrhy na trh?
MM 11: Podmínky úspěšné inovace
MM 12: Jak neusnout na vavřínech, inovační kultura

Vážení čtenáři. Zapojte se s autory příspěvků do diskuse, těší na vás. Sdělte své zkušenosti se zaváděním inovací ve vašich firmách. Je vám k  dispozici e-mail inovace@mmspektrum.com.

V další, již sedmé části našeho seriálu věnovaného procesu inovací se zaměříme na v současné době velmi populární výrobní technologii, která nachází své místo díky cenové dostupnosti stolních tiskáren i u běžného koncového spotřebitele. Tomáš Michálek, odborník přes 3D tisk, vám přiblíží využití této technologie nejen v prototypové části inovačního procesu či v jiných fázích.

Často se setkávám s názorem, že stolní 3D tiskárna není spotřební produkt pro masy. Dovolím si paralelu s osobními počítači. Dnes jsme ve světě 3D tiskáren někde v období osmibitových počítačů. Vzpomínáte na počítače značky Commodore nebo Amiga? Lidé vlastně v době osmibitů nevěděli, k čemu osobní počítač pořádně využít. Začali s nimi experimentovat nadšenci. Postupem času jsme zjistili, že je výhodné na počítači psát dokumenty a vykonávat celou řadu aktivit. Nyní si práci bez počítače ani nedovedeme představit. Věřím, že s 3D tiskárnami to bude podobné. Rostoucí počet nadšených lidí, kteří se v poslední době o 3D tisk zajímají a chtějí se v něm vzdělávat, mne v tom jen utvrzuje.

Technologie 3D tisku, dříve označovaného jako Rapid Prototyping, nejsou nic nového. Používají se již třicet let. Prototypování pomocí 3D tisku využívají např. firmy z automobilového průmyslu. Prototypy si většinou nechávají vyrábět na zakázku u specializovaných firem, jež jsou vybaveny průmyslovými 3D tiskárnami a mají potřebné know-how, jak digitální modely zhmotnit a následně upravit jejich povrch (postprocessing). Nově se ovšem na trh dostávají cenově dostupné 3D tiskárny, které si můžete postavit na stůl v kanceláři – tzv. stolní 3D tiskárny. Díky nim roste povědomí o 3D tisku u široké veřejnosti.

V posledních několika letech, i díky vypršení patentů, přišly na trh stolní 3D tiskárny fungující na bázi vytlačování termoplastu – FDM/FFF. Další, zatím méně rozšířený typ stolních tiskáren funguje na principu vytvrzování tekutého fotopolymeru laserem nebo projektorem – SLA/DLP. Přichází čas, kdy každý konstruktér a designér bude mít 3D tiskárnu na stole a nebude pro něj žádný problém si svůj návrh modelu sám zhmotnit. Rychlost, s jakou můžeme s pomocí stolní 3D tiskárny inovovat produkty, je až neuvěřitelná. Model na počítači připravíme pro tisk a potom jej ihned posíláme na tiskárnu, která jej přes noc vytiskne. Ráno máme model k dispozici, provedeme testování, konzultujeme s ostatními členy týmu a můžeme začít s další iterací (úpravou) našeho produktu.

Běžný tisk modelů na stolní tiskárně trvá průměrně jednotky hodin. Dlouhé, např. patnáctihodinové tisky ovšem nejsou výjimkou. Délka a tedy cena tisku závisí primárně na tom, jak velký objekt (jeho objem) a s jakou přesností (počet vrstev) tiskneme. Dalšími parametry, které mají vliv na délku tisku, jsou geometrie objektu, nastavení tiskového profilu atd.

V dnešní době se 3D tisk využívá k výrobě prototypů, nástrojů a finálních dílů v různých odvětvích. Pojďme se podívat na každou z těchto oblastí blíže.

Nový typ výrobku je potřeba vyzkoušet dřív, než se rozhodne o jeho sériové výrobě. Proto se nejdříve vyrábí prototyp, jenž slouží např. k posouzení jeho tvaru, ergonomie, funkce nebo k prezentaci. 3D tisk je výhodný k výrobě prototypů, protože nám rychle a levně umožní jejich výrobu rovnou z digitálního modelu. Není třeba výroby dalších nástrojů.

Setkávám se s tím, že firma potřebuje vyrobit prototyp navrženého modelu a poptá jeho vytisknutí. Bohužel neznalost fungování technologií a způsobů, jak připravit modely pro tisk, často znamená, že digitální modely je třeba opravovat, aby je bylo možné vůbec na 3D tiskárně zhmotnit. Řešením je doplnit potřebné dovednosti v oblasti 3D tisku u všech zaměstnanců navrhujících prototypy.

Vytisknutý model slouží jako nástroj pro výrobu finálního dílu.

Příklady nástrojů vytisknutých na 3D tiskárně:

- vytavitelný model z vosku nebo fotopolymeru určeného pro přesné lití;
- spékaním kovového prášku se vyrábějí kovové vložky do vstřikolisových forem s kanálky umožňujícími rychlejší a rovnoměrnější chlazení (tzv. konformní chlazení);
- slévárenské formy a jádra z písku;
- modely pro tvorbu silikonových forem vakuovým litím.

Tisk finálních dílů na 3D tiskárnách má velkou budoucnost. Nástup 3D tiskových technologií umožňujících tisk z kovových materiálů (kovových prášků) je doslova raketový. Zejména v leteckém/kosmickém a biomedicínském průmyslu, zubařství a šperkařství. V letectví lze odlehčením dílů pomocí topologické optimalizace ušetřit na palivu. Firma SpaceX vyrábějící raketové nosiče a kosmické lodi využívá 3D tisku z kovů k výrobě raketového motoru. Plášť motoru jsou schopni vytisknout za neuvěřitelné dva dny z vhodných kovových slitin. Dříve při odlévání jim to trvalo měsíce.

Stále více společností nasazuje 3D tisk v již rané fázi inovačního procesu proto, aby zjistily potřeby zákazníka hned na počátku. Ve druhém díle našeho inovačního seriálu (viz www.mmspektrum.com/150336) jsme popisovali inovační proces Design Thinking navržený firmou IDEO, který je složen z pěti kroků: empatie, definice, ideální řešení, prototyp a zpětná vazba. Při výrobě prototypu je v případě fyzických produktů velmi vhodné využít prototypování právě pomocí 3D tisku. Takový prototyp je následně snadné ověřit přímo u zákazníka pro získání zpětné vazby.

Využití 3D tisku a prototypování ve výrobě vám umožní eliminovat spoustu chyb, které by při zavlečení do výroby stály další nemalé náklady. Důležitý je rovněž aspekt komunikační a rozhodovací. Je jednodušší fyzický prototyp ukázat netechnickým lidem k posouzení rozměrů, ergonomie nebo snadnosti použití produktu. Jakmile budoucí zákazník drží prototyp v ruce, je schopen si mnohem lépe představit, jak by s produktem pracoval, zda mu to vyhovuje. Takto lze identifikovat případné nedokonalosti a využít tuto zpětnou vazbu ke zdokonalení výrobku.

Technologie 3D tisku umožňuje výrobu dílů komplexních tvarů, jež nelze vyrobit tradičními metodami. Další výhodou 3D tisku je možnost výroby již smontovaných dílů. Využití alespoň jedné z těchto výhod inovativní produkty přímo zaručuje.

1. Začněte již dnes

Vyberte z týmu vhodné kandidáty, kteří se rádi učí novým věcem a jsou otevření učit se novým technologiím. Tyto zaměstnance pošlete na školení 3D tisku, kde se seznámí s dostupnými technologiemi a materiály, naučí se, jak stolní tiskárnu ovládat a jakým způsobem vytvářet modely tak, aby byly vhodné pro 3D tisk.

2. Pořiďte do týmu stolní 3D tiskárnu

Na trhu dnes existuje celá řada stolních tiskáren, ze kterých můžete vybírat. Převažují tiskárny FDM (fused deposition modeling) technologie též nazývané jako FFF (fused filament fabrication), kdy se z nahřáté trysky vytlačuje termoplastický materiál ve formě drátu (filament). K dispozici jsou komerční tiskárny, které se vyznačují jednoduchostí, ale omezeným nastavením. Zvolit můžete i open source tiskárny, které je třeba více "ladit", ale je možné si nastavit jakýkoliv parametr tisku dle libosti. Nezapomeňte také nakoupit vhodný materiál, ze kterého chcete tisknout.

3. Vyvíjejte a inovujte rychleji

Nečekejte, že do týdne od nákupu tiskárny budou zaměstnanci chrlit prototypy jeden za druhým. Chce to nějaký čas, než se s tiskárnou sžijí, naučí se ji ovládat. Zjistí, jak vše nastavit tak, aby výtisk vždy dopadl podle představ. Další fází je potom modelování pro 3D tisk a optimalizace modelů tak, aby byly vhodné pro tisk. Tím zajistíte mnohem rychlejší výtisky.
Rychlost, s jakou budete schopni vyvíjet a inovovat nové produkty, půjde rychle vzhůru, jakmile si zaměstnanci práci se stolní 3D tiskárnou osvojí. Pomohou jim vhodná školení.

4. Myslete do budoucna

3D tisk má potenciál přesáhnout pouze inovace nových produktů ve smyslu prototypování. Firmy budou muset do budoucna předjímat možné nové obchodní modely, jelikož 3D tisk bude mít vliv na celý hodnotový řetězec. Některé zahraniční společnosti již zkoumají technologie 3D tisku pro masovou customizaci, kdy každý uživatel dostane výrobek „šitý“ na míru, vyrobený na požádání.

Při vývoji produktu je vhodné využít i další prototypovací nástroje – např. u produktů, které nějakým způsobem interagují se svým prostředím. Velmi populární je prototypovací elektronika arduino. Existuje v různých variantách (klonech), možnostech a velikostech. Je to velmi levný a dostupný modulární vývojový set, pomocí kterého lze prototypovat chování vašeho produktu. Lze k němu připojit celou řadu senzorů (teploty, světla, pohybu, dotyku atd.) a aktuátorů (motory, světla atd.) a v jednoduchém prostředí naprogramovat funkčnost. Ve spojení s 3D tiskem se jedná o výborný nástroj. 3D tisk umožní vytisknout obálku a dát prototypu vzhled a s pomocí arduina se senzory potom můžete prototypu přidat schopnosti nebo jej dokonce připojit k internetu.

MakersLab pořádá volně přístupné 3D meetupy, kde se schází česká 3D tisková komunita a probírají se různá témata týkající se 3D tisku a témat s ním spojeným. Tato setkání jsou volně přístupná všem.

Výroba pomocí 3D tisku je ekonomická pro kusovou nebo malosériovou výrobu. To je jeden z důvodů, proč se 3D tisk využívá při prototypování.

3D tiskárny mají před sebou ještě dlouhou cestu. Podaří-li se zrychlit tisk, rozšířit materiály, ze kterých lze tisknout, a zjednodušit modelovací software, potom věřím, že 3D tiskárnu na stole v kanceláři budeme brát jako běžný pracovní nástroj.

Prof. Ján Košturiak, Ing. Jan Mašek, MgA. Martin Tvarůžek, Ing. Tomáš Michálek, MSc.

kostur@ipaslovakia.sk

Zde si můžete stáhnout inovační slovníček.