Témata
Zdroj: Misan

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.

Eva Zajícová

Vystudovala Fakultu strojní na ČVUT v Praze, obor Výrobní inženýrství na Ústavu strojírenské technologie.
Od roku 2014 pracuje v MM Průmyslovém spektru nejprve na pozici editorky, poté odborné redaktorky a od roku 2019 na pozici vedoucí redakce. Technika je její prací i zálibou.

Kovových aditivních technologií (AM – Additive Manufacturing) je celá řada a možná už tento fakt napovídá, že každá z nich bude využívat jiné principy a bude vhodná pro jiný typ výroby. Společnost Misan nabízí čtyři různé technologie kovového 3D tisku. Každá si hledá místečko na trhu trochu jinde.

Dr. Jan Hudec: „Nebojte se kovových aditivních technologií. Může se ukázat, že je to netušená možnost, jak vyniknout, nebo že díky ní lze konkrétní díly vyrobit levněji.“

MM: Prvotní nadšení a snaha označovat kovové AM technologie za všespásné již odezněla. Rozvoj technologie poukázal na mnohá úskalí, která s sebou přináší, ať už jde o zcela nové technologické a konstrukční návyky a techniky, nebo celou vedlejší disciplínu práškového hospodářství či dokončovacích prací. Zřejmě jde o přirozený vývoj, kdy po vlně nadšení přichází vystřízlivění a mírné ochlazení. Přesto v sobě AM technologie skrývají obrovský potenciál a v mnohých oblastech si už našly své místo. Jaký je dnes zájem o kovové aditivní technologie? Cítíte zmiňovaný pokles zájmu? Kde zejména nacházejí AM technologie své uplatnění?

J. Hudec: Obecně se tyto technologie nejvíce využívají v letectví a v medicíně. Ve druhém jmenovaném oboru mají AM technologie výhodu zejména proto, že s nimi lze vyrábět např. náhrady pro pacienta na míru nebo typizované náhrady, které jsou vybaveny konkrétními makroporézními strukturami, jež imitují kostní tkáň. To umožňuje rychlejší zarůstání implantátů i hojení. V letectví jsou AM technologie využívány zejména pro možnost snižování hmotnosti dílů, ať už topologickou optimalizací, či návrhem sestav s menším počtem dílů. V České republice se od světového trendu lišíme tím, že u nás se AM technologie často používají při výrobě či opravách forem. Technologie umožňuje implementaci pokročilých systémů chlazení do forem, které efektivně, rychle a rovnoměrně vstřikovaný materiál ochlazují.

Zájem o AM technologie přichází spíše ve vlnách. Ročně jde o jednotky prodaných strojů.

MM: Už zmíněná složitost vedlejších prací zahrnující práškové hospodářství, tepelné zpracování, tryskání, následné obrábění atd. mohou naznačovat, že jde o velmi nákladnou technologii na pořízení v první řadě, ale i na provoz. Jakým způsobem si může potenciální uživatel spočítat, zda se mu pořízení si takové technologie a její zavedení do výroby vyplatí? Kde naopak náklady provozem AM technologie může ušetřit?

J. Hudec: Základem je neporovnávat čistě jen strojní náklady jedné technologie a strojní náklady druhé technologie. V takovémto porovnání opravdu vychází 3D tisk dražší. K AM technologiím je potřeba od základu přistupovat jinak. Pak teprve je možné prokázat případný potenciál technologie a smysl jejího pořízení. V první řadě jde o úpravu konstrukce jako takové, a ne jenom o změnu konstrukce jednoho konkrétního dílu. Ideální ovšem je zamyslet se nad celou sestavou, zda ji není možné tzv. zkonsolidovat. To je základní klíč ke správné implementaci 3D tisku. Jsou známé případy, kdy osm set dílů bylo nahrazeno pouze dvanácti. To pak ovlivňuje celou spoustu dalších procesů. Pokud dokážu nahradit sestavu deseti dílů jedním, odpadají náklady na spojovací rozhraní a na montáž, neřetězí se tolerance, zvýší se jeho spolehlivost, snižují se náklady na skladování, subdodávky, přejímky, fakturace, zjednoduší se certifikace atd. Teprve až ve chvíli, kdy se ukáže, co všechno 3D tisk ovlivní, lze začít počítat, zda se technologie vyplatí, či nikoliv. V době, kdy stroj pracuje, se může obsluha věnovat jiným činnostem, stroj nevyžaduje dohled v průběhu stavby. Navíc náběh výroby je velmi krátký, když už mám know-how. Lze také např. vyrábět díly, které se už dvacet let nevyrábějí apod. Zavedení AM technologií bude pravděpodobně vyžadovat i změnu výrobního řetězce.

Aditivní technologie se s výhodou využívají zejména v letectví. Na obrázku je motor GE9X, který obsahuje prozatím nejvyšší počet aditivně vyrobených dílů. (Zdroj: GE)

MM: Připadá zde v úvahu také automatizace alespoň některých částí procesů?

J. Hudec: Zejména u velkých strojů, které jsou nákladné na provoz a nejvíce bolí, když nevyrábějí, je s automatizací již počítáno. Např. stroj X-Line 2000R, největší z tiskáren Concept Laser, má dva výrobní moduly, které se přemisťují mezi manipulační a procesní komorou. Ve chvíli, kdy se dokončí stavba, protočí se na karuselu výrobní moduly a do pár minut už začíná druhá stavba. Operátor pak odstraní prášek, vyjme díly a založí vše potřebné pro další stavbu během toho, co stroj pracuje. Snahou je přesouvat vedlejší časy do překryvných. To se týká také dalších úkonů, jako je prosévání prášku a dalších.

MM: Společnost Misan na český trh dodává hned několik různých tipů kovových aditivních technologií. Technologii LPBF – Laser Powder Bed Fusion –, pracující na principu laserového spékání kovového prášku od firmy Concept Laser, technologii EBM – Electron Beam Melting – spékání kovového prášku elektronovým paprskem od firmy Arcam a technologii Binder Jet, která využívá ke spojování kovových částic pojivo s následným vytvrzením. Tyto firmy a jejich technologie zastřešuje nadnárodní společnost General Electric, jež je také sama jejich uživatelem. Poslední AM technologií, kterou společnost Misan také dodává, je tzv. přímé navařování v obráběcím stroji od společnosti Okuma. Pojďme se nyní u každé zastavit.
Účelem rozhovoru není dopodrobna jednotlivé technologie popisovat. Navíc leccos se o nich naši čtenáři mohou dozvědět prostřednictvím v minulosti zveřejněných článků. Již jsem však zmínila, že společnost GE je sama uživatelem, zejména v oblasti leteckého průmyslu, kde je více než jinde kladen vysoký důraz na kvalitu. Stroje Concept Laser disponují celou řadou systémů pro kontrolu kvality, ale i např. pro zabezpečení opakovatelnosti výroby apod. Můžete nám tyto systémy představit?

J. Hudec: Opakovatelnost a stabilita procesu jsou parametry, na kterých se velmi lpí. Souvisí to právě i s tím, že GE sama technologie využívá k výrobě dílů a ví, na čem záleží. Stroje v průběhu posledních let prošly velkými úpravami a vývojem – u stroje Concept Laser byl významně vylepšen prostor s optickými prvky, které jsou umístěny na monobloku z invaru, aby nedocházelo k pohybům vlivem změny teploty. Celý optický systém je ve zvláštní komoře, která má vlastní klimatizaci a klíčové prvky jsou navíc chlazené vodou. Zachování kvality výroby je zabezpečeno již samotnou konstrukcí stroje a dalšími podpůrnými aktivními systémy pro monitoring samotné stavby. Jedním z nich je systém pro sledování tavného bodu, který skrz optickou cestu sleduje zpětný tepelný odraz pomocí vysokofrekvenční termovizní kamery a fotodiody. Z nasbíraných dat systém hodnotí hustoty energií v jednotlivých částech dílů. Ty pak může např. porovnávat s OK díly apod. Využívá se to zejména pro certifikaci dílů. Lze proměřovat také výkony laseru a další parametry.

V České republice se od světového trendu lišíme tím, že u nás se AM technologie často používají při výrobě či opravách forem. (Zdroj: GE)

MM: V rámci vašeho online semináře Aditivní technologie bez příkras jste zmínil, že stroje Concept Laser využívají také více laserových paprsků především za účelem zvýšení produktivity. Výsledkem použití více paprsků mohou být také tzv. sešívané díly. Co si pod tím mohu představit?

J. Hudec: Stroje s několika lasery existují více než pět let. Do nedávna však byly lasery vždy využívány zvlášť, každý na stavbu jednoho dílu. Nyní je možné exponovat jeden díl několika lasery současně. Dojde tak k navázání sousedních expozičních vektorů bez vzniku přechodové oblasti, kde by díl vykazoval jiné vlastnosti než v ostatních svých částech. Těmto dílům se pak říká sešívané díly a dnes jsou již certifikovány také pro leteckou výrobu.

MM: K dosažení zaručeného výsledku je vhodné používat certifikované kovové prášky. Za dobu existence technologie na trhu přibylo velké množství nových prášků. Myslíte si, že by bylo možné s kovovými prášky experimentovat, různým způsobem je např. míchat a vytvářet tak zcela nové materiály? Děje se to ve výzkumných laboratořích? Máte představu, kam až sahá výzkum v oblasti kovových prášků pro AM technologie?

Společnost AP&C je předním výrobcem kovových prášků pro aditivní výrobu. Proces APA produkuje vysoce kvalitní sférické prášky reaktivních materiálů s vysokou teplotou tání, jako je titan, nikl, zirkon a další.

J. Hudec: Nikdy jsem o míchání prášků neslyšel. Vždy se atomizuje až finální slitina. Prášků je možné použít mnoho. Uživatel může používat i prášky vlastní, pokud je schopen správně si pro ně nastavit výrobu, ale míchat je není možné. Např. stroje s přímým navařováním v obráběcím stroji obsahují více zásobníků. Tam je možné na jeden díl navařovat různé materiály, ale postupně.

Technologie EBM je oproti laseru vhodnější spíše na typizované díly větších sérií a lze s ní vyrábět také únavově namáhané díly, jako jsou lopatky turbíny apod. (Zdroj: GE)

MM: Pojďme se nyní posunout k méně známé technologii – technologii EBM od společnosti Arcam, která ke spékání kovového prášku využívá elektronový paprsek. Tato technologie má opět svá pro i proti a také uplatnění nachází v jiných aplikacích. Mě na ní zaujaly zejména velmi vysoké výkony elektronového paprsku a jeho rychlost, která dosahuje hodnoty až 8 km za sekundu! Vysoké teploty navíc nezpůsobují v dílech pnutí, jako je tomu u laseru. Není nutný návrh a stavba podpěr, a tím klesá také spotřeba materiálu. Podle vašich slov je technologie vhodná zejména pro výrobu tlustostěnných dílů a dílů pro únavové namáhání.
Našla tato technologie již českého uživatele? V jaké oblasti by se mohla nejlépe uplatnit?

J. Hudec: V České republice za tu krátkou chvíli, kterou ji tady nabízíme, uživatele zatím nenašla. V současné době máme rozpracovaných několik projektů. Jeden z nich je zatím tajný, další jsou z oblasti vývoje. Typické aplikace jsou zejména v letectví a medicíně. Tato technologie je oproti laseru vhodnější spíše na typizované díly větších sérií a lze s ní vyrábět také únavově namáhané díly, jako jsou lopatky turbíny apod. Právě díky vysokým teplotám a vakuu v dílech nevzniká pnutí a není nutné je následně žíhat. S výhodou lze využít tzv. hipování neboli tepelné zpracování za vysokého tlaku, kterým lze zkompaktnit strukturu dílu. Takové díly mohou svou pevností překonat také výkovky. Technologií EMB lze vyrábět také tlustostěnné díly.

„Opakovatelnost a stabilita aditivních procesů jsou parametry, na kterých GE velmi lpí právě v souvislosti s tím, že sama tyto technologie vyžívá k výrobě leteckých dílů.“

MM: Další technologií z portfolia společnosti Misan a takovou největší novinkou je technologie Binder Jet, která namísto spojování kovového prášku teplem využívá pojivo. Takto „slepený“ díl se pak musí vytvrdit, přičemž dojde k redukci, tj. smrštění dílu až o 30 %. To s sebou zřejmě přinese velké nepřesnosti. Výhodou naopak je vysoká výrobní rychlost. Technologie by měla být na trhu již od letošního roku. Kde najde své místo?

J. Hudec: Oproti dvěma dříve jmenovaným technologiím je tato asi stokrát rychlejší a zároveň levnější. To ji předurčuje k použití tam, kde se s těmi předchozími zatím nepočítalo, a to je automobilový průmysl. Tato technologie vzhledem ke svým vlastnostem má velký potenciál nahradit v budoucnu tlakové lití. Bude však vyžadovat know-how. Umět díl navrhnout takovým způsobem, aby se po slinutí smrštil do požadovaného tvaru, bude vedle zkušeností zřejmě vyžadovat také využití výpočetních a simulačních programů.

MM: Nabízí společnost Misan tyto podpůrné softwarové programy k výše jmenovaným technologiím?

J. Hudec: Misan přímo softwary nenabízí, ale spolupracujeme s firmami, které je distribuují, a uživatelům dokážeme vhodný software doporučit.

MM: Nyní se již dostáváme k poslední zmiňované AM technologii, kterou je přímé navařování v obráběcím stroji. S těmito tzv. hybridními stroji přišla v posledních letech na trh většina výrobců obráběcích strojů. Nemohu si pomoci, a byť spatřuji v možnosti přímého navařování s následným obráběním při jednom upnutí velkou výhodu, pořád vidím ten jemný kovový prášek, se kterým by operátor vůbec neměl přijít do styku, spolu s obráběcí kapalinou v útrobách přesného pětiosého stroje. Jak je ošetřená rekuperace prášku, bezpečnost pracovníka, který musí ze stroje obrobek vyjmout, nebo těsnost nejdůležitějších součástí stroje proti zanesení či poškození kovovým práškem?

J. Hudec: Prášek je potřeba odchytit již tam, kde uniká. Ve strojích je proto důmyslně řešen odtah atmosféry. Prášek napadaný do řezné emulze je následně filtrován přes Hepa filtr. Tento prášek nelze recyklovat. Využití prášku u této technologie je 60–80 %. Stroj samotný je pak chráněn různým krytováním, zejména klíčových komponent, aby nedocházelo k přehřívání, k jejich znehodnocení apod.

Společnost Okuma vyrábí také hybridní obráběcí centra s navařováním kovového prášku přímo ve stroji. (Zdroj: Okuma)

MM: Kde se tato technologie nejčastěji uplatní? Když vezmu cenu hybridního stroje, nevyplatí se uživateli spíše dva separátní stroje? Mám na mysli obráběcí centrum a pro potřeby navařování menší zařízení bokem?

J. Hudec: To si musí každý uživatel pochopitelně nejdříve spočítat. U hybridních strojů lze obrábění i navařování požadované geometrie provádět na jedno upnutí. To je potřeba při tvorbě vyšších geometrií, jako jsou například lopatky, kde se navařování a obrábění často střídá v intervalech. Lze také nanášet souvislou vrstvu otěruvzdorného materiálu na houževnaté jádro nebo opravovat opotřebované části forem. Zájem o hybridní technologie je, ale většina zájemců by raději než stroj využívala službu.

MM: Co byste závěrem vzkázal našim čtenářům?

J. Hudec: Nebojte se kovových aditivních technologií. Je jen potřeba se nad tím zamyslet, informovat se a spočítat to. Může se ukázat, že AM technologie není ekonomicky vhodná pro zamýšlený účel, anebo naopak zjistíte, že to byla netušená možnost, jak vyniknout nebo něco vyrobit levněji. Společnost Misan pořádá několikrát do roka odborné semináře, kde zájemce seznamuje s technologií jako takovou i s jednotlivými kroky při zavádění, výrobě i výpočtu nákladů. Záznamy ze seminářů lze zhlédnout také zpětně. Bližší informace zájemci naleznou na našich internetových stránkách.

MM: Děkuji vám za rozhovor.

Redaktorka MM Průmyslového spektra Eva Zajícová hovoří s Janem Hudcem, aplikačním inženýrem pro kovové aditivní technologie ve společnosti Misan, o možnostech uplatnění 3D tisku.
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.

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?

Fórum děkanů strojních fakult

Dnešní otázka je v podobném duchu jako ta z minulého vydání, ale tentokráte míří do rezortu Ministerstva průmyslu. Pokud byste byl jmenován ministrem průmyslu a obchodu, jaký první krok byste ve své funkci realizoval směrem k podpoře aplikovaného výzkumu a vývoje?

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