Témata

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

Má-li firma udržet svoji pozici na trhu a zvyšovat na něm svůj podíl, musí pružně reagovat na nové požadavky zákazníků, či v ideálním případě přicházet s nápady ještě dříve, než o ně trh projeví zájem. S postupnou globalizací dochází k nárůstu konkurenceschopnosti.

Tento článek je součástí seriálu:
Inovace 2015
Díly
Prof. Ján Košturiak

Vystudoval strojírenství a průmyslové inženýrství, dlouhoudobě spolupracoval s největší evropskou společností pro aplikovaný výzkum Fraunhofer, spolupracoval na vývoji systému Simple++ (dnes PlantSimulation) a na desítkách inovací s nadnárodními i domácími firmami – např. VW, Mercedes, Siemens. Je spoluzakladatel společnosti IPA Slovakia, zemědelského družstva Agrokruh, spolupracuje na vývoji customizovatelného eBiku a jeho aditivní výrobě, buduje vlastní Podnikatelskú univerzitu (www.podnikatelskauniverzita.sk) ve které propojuje inovátory a podnikatele, pracuje v komunitě Dobrý pastier (ozdobrypastier.eu), ve které se nachází 350 lidí z okraje společnosti návrat do života s pomocí podnikatelských aktivit. Inicioval založení partnerské sítě Inovato, jejíž je prezidentem. Žije mezi Varínem na Slovensku a Měrůtkami na Moravě s manželkou Milenou a dětmi Jánem, Lucii a Zuzanou. Věnuje se jízdě na horském kole, turistice a psaní knih.

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.

Odborní garanti seriálu Inovace 2015

IPA Slovakia patří k vedoucím společnostem střední Evropy v oblasti poradenství, vzdělávání, projektování a výzkumu pro průmysl. Svoji pozornost zaměřuje na oblast průmyslového inženýrství, strategických inovací, restrukturalizací, zvyšování výkonnosti a rozvoje podnikové kultury.
3M je přední globální technologická společnost zabývající se vývojem inovativních výrobků a řešení pro průmysl, energetiku a telekomunikace, bezpečnost a zabezpečení, zdravotnictví, kancelář a domácnost. Investuje rozsáhlé finance do výzkumu a vývoje a tím podporuje neustálý proud inovací.
Designérské studio Martina Tvarůžka spolupracuje s firmami v rámci inovace portfolia výrobků s cílem ovlivnění celé řady parametrů obsažených v termínu nová estetická hodnota. Výsledkem jsou sériově vyráběné produkty dodávané na globální trh.
Lektorská a konzultační činností Tomáše Michálka je v oblasti 3D tisku a 3D skenování. Poskytují poradenství při výběru vhodné 3D technologie a strojů pro aditivní výrobu. Výrobním společnostem při zavedení této technologie umožní značně urychlit inovace a přitom šetřit náklady.

Nový seriál na stránkách MM Průmyslového spektra

Témata podle vydání (otištěná/připravovaná):

Téma 7: Role technologie 3D tisku v inovačním procesu

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.

Tomáš Michálek je spoluzakladatelem pražského MakersLabu, kde se zájemci mohou dozvědět o 3D tisku vše potřebné, ať už při školeních, modelování nebo při pravidelných setkáních české 3D tiskové komunity.

Stolní 3D tiskárny

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.

Tisk prototypu na stolní 3D tiskárně v MakersLabu (www.makerslab.cz), kam si můžete přijít tisknout, i když tiskárnu nevlastníte.
Aktuální využití 3D tisku ve firmách podle společnosti Deloitte. Do budoucna bude podíl finálních dílů růst na úkor prototypů.

Využití 3D tisku

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.

Prototypování

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.

Nástroje

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.

Produkce finálních dílů

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.

Firma SpaceX pomocí 3D tisku z kovového prášku vyrábí spalovací komoru raketového motoru SuperDraco s regenerativním chlazením.

Proč využívat 3D tisk v inovacích?

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.

Jak začít?

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.

Prototypování v inovačním procesu

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.

Související články
MM Podcast: Každé vítězství má svůj příběh

Olga Girstlová byla v 90. letech nepřehlédnutelnou součástí vznikajícího podnikatelského prostředí tehdejšího Československa. Společně se svým otcem a manželem založili v květnu 1990 společnost GiTy. Vsadili na komoditu s obrovským potenciálem technologického růstu. Po 15 letech manželé Girstlovi však dospěli k rozhodnutí společnost prodat a dále se věnovat jiným komoditám, jako například ekologickému stavitelství. 

CIMT 2021 plně prezenční

Zatímco je celý svět paralyzovaný restrikcemi proti šíření koronaviru covid-19, v Pekingu byl dnes zahájený veletrh obráběcích a tvářecích strojů China International Machine Tool Show CIMT 2021 v plné prezenční formě a téměř shodného rozsahu, jako ročníky předešlé. Ve stejný den a po celý týden, jako Hannover Messe Digital Edition – průmyslový veletrh v plně digitální platformě.

Hannover Messe 2021

Inovace, vytváření sítí a sdílení zkušeností ve věku průmyslové transformace – to jsou klíčová motta, která představují letošní ročník digitálního Hannover Messe, na kterém více než 1 800 vystavovatelů představí svá řešení pro výrobu a energetické systémy budoucnosti. Od umělé inteligence po robotiku, od ochrany klimatu po vodík. Nejdůležitější světový průmyslový veletrh plní svoji roli jako inovační a síťová platforma a vytváří uprostřed koronové pandemie globální platformu pro výměnu zkušeností v době průmyslové transformace.

Související články
MM Podcast: Glosa - God Save the Queen

V naivní představě ekonomického perpetuum mobile zaměstnáváme v poměru k reálné ekonomice nejvyšší počet lidí ve státní a veřejné správě v rámci nejrozvinutějších zemí OECD. Rakovinotvorný rozbujelý a nevýkonný úřednický aparát, vědomě bojkotující vznik e-státu, dokonale paralyzuje správu věcí veřejných. A jeho solidarita s aktuálně zdecimovaným privátním sektorem? Home office na 100 % mzdy, její valorizace, statisícové odměny na MF za ušetřené miliardy (…). 

Související články
V hlavní roli strojař

Fakulta strojní VŠB-TUO se pro letošní rok v rámci náborové kampaně vrací k úspěšné sérii V hlavní roli strojař. Kampaň komunikuje myšlenku, že strojaři jsou hvězdy hrající hlavní roli v moderním světě. Jejím cílem je zlepšit vnímání oboru strojírenství, posílit brand fakulty, a samozřejmě také nalákat uchazeče ke studiu strojařiny.

Chytrá kombinace systémů

Vývoj obráběcích technologií v minulém století nabral na obrátkách. Dnes jsme tuto technologii dotáhli téměř k dokonalosti – jsme schopni vyrobit předměty libovolných tvarů v přesnostech na tisíciny milimetru. Dalo by se říct, že pro zlepšení zde už příliš prostoru nezbývá, přesto nás přední výrobci obráběcích strojů a nástrojů pravidelně přesvědčují o opaku. Progresivní a inovativní přístup společnosti Ceratizit je toho jen dalším důkazem. Nedávno na trh uvedla přesnou vyvrtávací hlavu Komflex z produktové řady Komet, která umožňuje automatickou korekci průměru v případě vyvrtávání přesných otvorů. Jak to nástroj dokáže, upřesňuje v následujícím rozhovoru technický ředitel společnosti Ceratizit Česká republika Ing. Jan Gryč.

MSV ve znamení materiálů i technologií

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro Mekku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, mimo lidi z dalších oborů, setkají i výrobci plastů a též špičkových zařízení pro plastikářskou výrobu. Na naše otázky odpovídají Pavel Tuláček, jednatel společnosti Gorilla Machines, a David Svoboda, jednatel Sumitomo (SHI) Demag Plastics Machinery Česko.

Aditivně s nadzvukovou rychlostí

Společnost Hermle je známá především pro svá přesná pětiosá obráběcí centra a nadstandardní servis. Už málokdo ví, že vyvinula také stroj pro aditivní výrobu kovových dílů. Přestože je i tato technologie založena na postupném vrstvení kovového prášku na součást, nedochází zde ke spékání prášku laserovým paprskem, ale kovový prášek je tryskou doslova nastřelován na díl nadzvukovou rychlostí. Na detaily jsme se zeptali technického zástupce společnosti Hermle Pavla Němečka.

Názorové fórum odborníků

Respondenty jsme požádali o jejich názor na podobu budoucích technologií. Současná situace přinesla mnoho omezení, mezi jinými postihla také dodavatelské řetězce, znemožnila včasné dodávky do výrobních podniků a přinesla vyšší nároky na bezpečnost zaměstnanců. Jaké nové technologie podle vás mají v současné situaci největší potenciál se prosadit?

Svařování mědi pomocí vláknového laseru

Rychlý rozvoj v oblasti elektromobility vede ke zvýšení poptávky po svařování mědi. To, co ji činí pro danou aplikaci ideální (tj. vysoká elektrická a tepelná vodivost), ji zároveň činí obtížně svařitelnou konvenčními vláknovými lasery. Díky vyšší efektivitě, zhruba dvojnásobné, někteří výrobci zkoušejí používat zelené pevnolátkové lasery. Výsledkem je stabilnější a méně citlivý proces, než jaký byl možný u standardních vláknových laserů.

Procesně stabilní zpracování recyklátů

Do roku 2025 si Evropská unie klade za cíl ročně více než zdvojnásobit používání recyklátů při výrobě plastových výrobků [1, 2]. K dosažení tohoto cíle jsou kromě závazku firem působících na trhu a vyšší kapacity při zpracování plastového odpadu zapotřebí především nové technologie zpracování. Recykláty je nutné používat v daleko větší míře a v ještě vyšších poměrech. S novými procesy vstřikování na jedné straně a inteligentní podporou na straně druhé sleduje výrobce vstřikovacích strojů Engel různé a často velmi slibné přístupy. Výroba boxů a kontejnerů ukazuje na velký potenciál.

Uplatnění kovového 3D tisku

Společnost Misan z Lysé nad Labem se aditivními technologiemi kovových dílů zabývá a tato zařízení v České republice distribuuje už osm let. Dalo by se říct, že je jedním z průkopníků s těmito technologiemi na českém trhu. Z toho pochopitelně vyplývají také její bohaté zkušenosti s touto relativně mladou výrobní disciplínou. Na otázky, kde tyto technologie nacházejí uplatnění a v jakých oblastech mohou vyniknout, jsme se ptali aplikačního inženýra pro kovové aditivní technologie Jana Hudce.

Aditivní výroba velkých dílů

Porto patří k největší průmyslové oblasti Portugalska. Od roku 1956 zde sídlí přední světový výrobce strojů technologie tváření – společnost Adira.

Fórum výrobních průmyslníků

Jaké zásadní problémy vám současná doba přináší do chodu firmy, jak se je snažíte řešit a s jakým výsledkem?

Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členy 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