Zcela jiné možnosti s aditivními technologiemi

Dceřiná společnost GE Additive je dodavatel aditivních technologií, zařízení i poradenství. Pod jednou značkou slučuje německého výrobce zařízení pro aditivní výrobu Concept Laser, švédského výrobce strojů Arcam EBM a kanadského výrobce kovových prášků AP&C.

Arcam EBM je švédská společnost vyrábějící zařízení pro aditivní výrobou pomocí elektronového paprsku (electron beam melting). Technologie je založena na podobném principu jako DMLM. Tvorba dílu probíhá postupným spékáním vrstev kovového prášku v práškovém loži, avšak namísto fotonů jsou využívány elektrony. Elektronový paprsek je oproti laserovému o mnoho rychlejší, pohybuje se rychlostí až 8 000 m.s-1 a dosahuje také vyšších teplot. Proto je využíván pro výrobu dílů z titanu, kobaltchromu, tzv. superslitin, např. na bázi niklu, ocelí s vysokou tvrdostí a obecně dílů z materiálů náchylných na tvorbu trhlin. Principy stavby dílů se v mnohém od DMLM liší. Technologie je vhodná také pro objemnější díly, které mohou svými mechanickými vlastnostmi překonat i výkovky.

Výrobce kovových prášků AP&C má více než deset let zkušeností s významnými biomedicínskými a leteckými výrobci OEM. Posláním společnosti je umožnit výrobu vysoce kvalitních dílů z titanu a dalších slitin s vysokou teplotou tání v procesech aditivní výroby a práškové metalurgie. Nepřetržité investice do výzkumu a vývoje cílí na optimalizaci patentovaného procesu pokročilé atomizace plazmatem.

Společnost GE si u zavádění vlastní výrobní infrastruktury pro aditivní technologie (nejvíce v leteckém průmyslu) na vlastní kůži vyzkoušela zdlouhavý proces integrace, ověřování, testování, odladění výrobních postupů atd. – celý proces může trvat až šest let. Dnes nabízí vlastní zkušenosti jako službu pro ty, kteří zavedení AM (additive manufacturing) zvažují. Zákaznické centrum v Garchingu (15 km severně od Mnichova) otevřela společnost GE Additive v roce 2017. K dnešnímu dni zařízením prošlo více než 300 firem připravujících nové obchodní plány, které zahrnují aditivní výrobu. Denně do zákaznického centra přijede minimálně jedna firma, ovšem ne každá je na aditivní technologie připravena. Podrobnou analýzu, zda se vůbec v případě konkrétního produktu vyplatí o AM uvažovat, dokážou vypracovat zaměstnanci zákaznického centra. Rozhodnutí, zda se AM pro daný typ produktu hodí, je pouze prvním krokem. Dalším je propočet vstupních investic. K 3D tiskárně, jak se zařízením v praxi již zažilo říkat, je totiž potřeba dokoupit celé zázemí doplňkových technologií. Na druhou stranu se aditivní technologie vyznačují heslem komplexity for free. To znamená, že s rostoucí komplexností produktu náklady na výrobu dále nestoupají, tak jako je tomu u konvenčních výrobních metod. Dokazuje to např. nový motor Catalyst od GE Aviation, u něhož bylo nahrazeno 855 konvenčně vyrobených dílů 12 aditivně vyrobenými. V tomto případě došlo k neuvěřitelnému snížení nákladů nejen výrobních, ale i administrativních, montážních, logistických a dalších. Zkracuje se také dodavatelský řetězec a s tím vším i výsledná rychlost výroby.

Po příjezdu do zákaznického centra nás uvítal náš průvodce Shaun Wootton, který nám představil samotné zákaznické centrum CEC GE Additive a obeznámil nás se záměrem, s jakým bylo otevřeno. Poté si vzal slovo Christian Rensch, jenž osvětlil různé metody aditivní technologie, kterými GE Additive disponuje, a způsob, jakým pracuje zákaznické centrum, jaké jsou služby a co může zákazník očekávat. V případě, že se rozhodne jít cestou aditivní výroby, nabízí CEC partnerství na této cestě formou podpory po celý proces osvojování si nové technologie se snahou toto období zkrátit na minimum.

Po malé exkurzi po zákaznickém centru, kde jsme měli možnost vidět některá zařízení v chodu, ale také ukázky již úspěšně zavedených produktů, se slova ujal programový ředitel GE Aviation pro Českou republiku Milan Šlapák, který popsal přínos aditivní technologie při vývoji nového motoru Catalyst. Podle jeho slov díky AM bylo možné vyvinout nový turbovrtulový motor v rekordním čase. Už při vývoji totiž byl využíván plastový 3D tisk k výrobě jednotlivých prototypových součástí, které se v průběhu vývoje podle potřeb upravovaly, ověřovaly a optimalizovaly. Milan Šlapák také prozradil, že v leteckém průmyslu je velmi důležitý faktor buy to fly – tedy poměr množství potřebného materiálu a množství materiálu, které nakonec opravdu létá ve vzduchu. Vzhledem k samotné podstatě aditivní technologie, kdy je materiál přidáván, a ne ubírán, a kdy zbylý materiál je možné recyklovat/znovu používat, vychází tento aspekt u AM velmi příznivě. Motor Catalyst byl vyroben pro nový luxusní business model Cessna Denali společnosti Textron Aviation. Podmínky výběrového řízení zahrnovaly také velmi krátkou dobu vývojového cyklu, kterou umožnila splnit pouze technologie AM. Motor byl vyvinut za pouhého 1,5 roku. Při jeho návrhu bylo čerpáno z know-how společnosti o proudových motorech, proto disponuje například variabilně nastavitelnými, vzduchem chlazenými lopatkami nebo systémem FADEPC (Full Authority Digital Engine And Propeller Control). Řídicí systém FADEPC byl dodnes běžný u proudových letadel, ale dosud nikdy nebyl použit u turbovrtulových dopravních letadel. V podstatě se jedná o digitální mozek motoru, který pilotům umožňuje ovládat letadlo pouze jednou pákou namísto tří. Trend v letectví se podle slov Milana Šlapáka nyní ubírá směrem simplifikace pro pilota. Už dnes jsou některá letadla certifikována pro řízení pouze jedním pilotem. Do budoucna lze očekávat vývoj směrem ke zcela autonomnímu řízení letounů. Motor Catalyst se bude po úspěšném testování (nyní má motor za sebou např. zkoušku v nadmořské výšce 41 tisíc stop, na únor 2020 je plánován první let na letadle) sériově vyrábět včetně všech AM dílů v GE centru excelence na jihu Itálie. Poznatky a know-how z vývoje motoru Catalyst plánuje GE využít i v budoucnu u dalších typů motorů.

Své aktivity v oblasti aditivních technologií představili také zástupci společnosti Misan, která je distributorem zařízení Concept Laser a Arcam EBM v ČR a SR. Jednatel společnosti Misan Ondřej Svoboda úvodem své přednášky prozradil, že se začali AM technologiím věnovat poprvé v roce 2010, kdy japonský výrobce Okuma, jehož stroje společnost Misan již sedm let dodává českým a slovenským kovovýrobcům, představil koncept hybridního výrobního stroje, který vedle klasické technologie obrábění obsahoval také laser. Jelikož jsou Japonci velmi konzervativní, jejich krok směrem k aditivním technologiím byl jasným impulzem. Německé stroje Concept Laser byly pro Misan od začátku favority, podle slov pana Svobody jim byl sympatický důvod vývoje strojů pro AM, který byl hnán vlastní potřebou efektivního způsobu výroby konformního chlazení forem, jež společnost Hofmann vyrábí. Od letošního roku Misan nabízí také technologii Arcam EBM. Principy stavby, výhody a nevýhody obou technologií objasnil Jan Hudec. Elektronový paprsek má dvakrát větší účinnost než laserový – až 70 %. Vyznačuje se také vyšší rychlostí a výkonem 3–4 kW (laser 400 W). Na druhou stranu vzniklý díl má větší drsnost než díly vyrobené laserovým spékáním (přesnost EBM je 1 mm ±0,5, u laseru 0,1 mm ±0,05). Na trhu je v současné době dostupných méně materiálů vhodných pro technologii Arcam EBM (laserem lze spékat 15 běžně dostupných kovových prášků). Vzhledem k rozdílné metodice stavby dílů, kdy se nepoužívají podpůrné struktury proti zborcení, ale pro chlazení vyráběného dílu, jsou také rozdílné geometrické tvary, které lze elektronovým paprskem vytvořit. Při výrobě elektronový paprsek zároveň předehřívá práškové lože, dochází tak ke spékání také okolního prášku do podoby jakéhosi slepence (angl. cake), který částečně slouží jako podpora a který lze lehce rozbít zpět na použitelný prášek. Nedoporučuje se proto navrhovat díly se složitými vnitřními dutinami, neboť není možné slepenec z těchto dutin poté odstranit. Vhodné jsou pro tuto technologii tlustostěnné díly. Díky předehřevu a vysokým teplotám není nutné díly vzniklé pomocí elektronového paprsku dále tepelně upravovat, u laseru ano. Zkrátka, každá technologie je vhodná na odlišné díly.

Programový ředitel GE Aviation pro Českou republiku Milan Šlapák popsal přínos aditivní technologie při vývoji nového motoru Catalyst. Díky AM bylo možné vyvinout nový turbovrtulový motor v rekordním čase.

Z aditivních technologií, které společnost Misan nabízí, bylo již výše jmenováno hybridní obráběcí centrum Okuma s technologií LMD (Laser Metal Deposition). Do pětiosého obráběcího centra společnost Okuma nainstalovala laserovou hlavu, kterou je přiváděn kovový prášek, jenž je zároveň spékán (navařován) pomocí laseru na obráběném díle. Výhodou je možnost navařenou část při jednom upnutí rovnou obrobit. S použitím druhé laserové hlavy je možné využít také technologii kalení v témže stroji. Ne nadarmo se mu říká supermultifunkční centrum.

Poslední a zároveň nejnovější aditivní technologií, již bude společnost Misan v blízké době také nabízet, je technologie Binder Jet. Využívá kovového prášku, který je po vrstvách slepován pojivem nejčastěji v podobě tekutého lepidla, a následného tepelného zpracování. Díl se v průběhu tepelného zpracování výrazně smrští, proto je potřeba jej navrhovat s dostatečným přídavkem. I zde bude velkou roli hrát zkušenost, aby výsledný výrobek dosahoval požadovaných rozměrů a vlastností. Výhodou této metody je rychlost. Výroba pomocí Binder Jet je asi stokrát rychlejší než DMLM.

Je až neuvěřitelné, jaké možnosti aditivní technologie nabízejí. Bezpochyby jde o velmi revoluční technologii, svým principem ekologickou i velmi ekonomickou. Nic však není tak jednoduché, jak by se na první pohled mohlo zdát. Jde o zcela jiný technologický postup, než byl doposud praktikován u konvenčně vyráběných dílů a s tím je potřeba počítat. Více než vhodné je v případě začátečníků obrátit se na specialisty, kteří nejenže danou technologií dodají, ale pomůžou s nelehkými začátky.

Eva Buzková

Eva.buzkova@mmspektrum.com