Produkcja addytywna: nowe wyzwania dla walidacji

Produkcja addytywna jest popularna w wielu gałęziach przemysłu i pełni ważną rolę w prototypowaniu. Technologia ta uznawana jest za przełomową, a jej stosowanie przynosi wymierne korzyści dla przedsiębiorstw, m. in. w postaci skrócenia czasu wprowadzania gotowego produktu na rynek.

W ciągu ostatnich kilku dekad produkcja addytywna (additive manufacturing - AM)/druk 3D fundamentalnie zmieniły sposób, w jaki wytwórcy podchodzą do rozwoju produktów. Niemal powszechnie znane jest szybkie prototypowanie wykorzystujące technologię AM do przekształcania danych 3D CAD w modele fizyczne w ciągu kilku godzin. Dlatego też rola produkcji addytywnej w prototypowaniu stała się tak popularna w niemalże wszystkich sektorach przemysłu.

AM umożliwiło rozwój inżynierii współbieżnej (dziedzina równoległego, zintegrowanego i przewidującego skutki projektowania produkcji), gdzie wszystkie niezbędne działy mogą być zaangażowane na wczesnym etapie procesu rozwoju produktu. Inżynieria współbieżna zastępuje tradycyjny, "zaściankowy" rozwój produktu, w przypadku którego kolejne iteracje projektu bywały opóźnione nawet o tygodnie z powodu problemów związanych np. z oprzyrządowaniem i obróbką. Korzyści ze stosowania produkcji addytywnej to radykalne skrócenie czasu wprowadzenia wyrobu na rynek i obniżenie kosztów jego rozwoju.

Technologia AM jest wyjątkowo przełomowa. 25 - 30 lat temu zrewolucjonizowała ona paradygmat produkcji, zmieniając sposób, w jaki producenci wytwarzali prototypy. Obecnie technologia ta zmienia również sposób, w jaki producenci wytwarzają wyroby i komponenty przeznaczone do użytku końcowego, dlatego coraz częściej postrzegana jest jako "rzeczywista" technika produkcyjna.

Dzisiaj producenci dyskutują już, jak najrozsądniej wykorzystać AM do produkcji na skalę przemysłową. Z kolei decydenci, mając na uwadze niezaprzeczalne zalety AM, szukają najlepszego miejsca dla tej techniki w swoich firmach, analizując wielkość produkcji, kluczowe możliwości i bariery wejścia na rynek. Wśród tych ostatnich aspektów kluczową rolę odgrywa kwestia precyzyjnej kontroli jakości detali AM, która stanowi wyzwanie dla tradycyjnych metod metrologii powierzchni, które badają, analizują oraz określają strukturę geometryczną powierzchni (SGP). SGP jest zbiorem wszystkich nierówności powierzchni rzeczywistej. Składa się on z 3 komponentów: odchyłki kształtu, falistości oraz chropowatości powierzchni. Jest to istotny czynnik wpływający na występowanie oraz rodzaj zużycia.

Wystarczająco dobrze?

Obecnie, gdy coraz częściej mówi się o wykorzystaniu AM do produkcji, analiza dokładności i powtarzalności wyrobów wytworzonych tą techniką staje się krytycznym zagadnieniem. W przypadku stosowania produkcji addytywnej jako technologii prototypowania, absolutna zgodność z precyzyjnym zamysłem projektowym nie zawsze jest konieczna i często wystarczy ją określić parametrem „wystarczająco dobra”. Stąd rozpowszechnienie niedrogich, biurkowych maszyn do druku 3D, które zapewniają wystarczająco dokładne, szybkie prototypy, wykonując swoją pracę bez konieczności bycia perfekcyjnymi.

Jednakże dla zastosowań produkcyjnych parametr „wystarczająco dobry” nie jest ani miarodajny, ani nawet zadowalający. Jeśli część wytworzona za pomocą techniki AM jest integralną częścią krytycznej dla bezpieczeństwa aplikacji lotniczej lub medycznej, konieczne jest osiągnięcie docelowych tolerancji wymiarowych i materiałowych zgodnych z intencjami projektowymi. To właśnie tutaj rola metrologii w kontroli jakości gotowych części jest tak ważna. Jest to również obszar, w którym dostawcy takich rozwiązań metrologii optycznej 3D jak np. ZYGO, mogą odegrać poważną rolę.

Reakcje przemysłu

Dotychczasowe procesy produkcyjne wyrobów z metali i tworzyw sztucznych mają opracowane metody pomiaru i kontroli jakości detalu. Procesy wytwórcze są zrozumiałe, podobnie jak wymagania dotyczące wymiarów i wykończenia powierzchni. Jednakże technologia AM działa dokładnie tak, jak sugeruje jej nazwa – wytwarza detal warstwa po warstwie, „addytywnie”. Tworzy to szereg nowych problemów, takich jak wpływ na integralność gotowego produktu czy unikalną charakterystykę właściwości powierzchni, która sprawia, że wykonanie pomiarów i walidacji jest o wiele trudniejsze.

Zainteresowanie przemysłu zagadnieniami dotyczącymi pomiarów i kontroli wyrobów wykonanych techniką wytwarzania przyrostowego było bardzo widoczne podczas ostatnich targów Formnext we Frankfurcie. W trakcie różnych sympozjów i szkoleń organizowanych przy okazji tej wystawy kwestie metrologiczne zajmowały poczesne miejsce, potwierdzając fakt, że pomiary i walidacja części AM to obecnie całkiem ważny temat.

Technologie produkcji addytywnej i zaawansowane techniki pomiarowe przyciągają również uwagę profesjonalnych stowarzyszeń branżowych, które organizują konferencje i sympozja na całym świecie. Należą do nich Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierii Precyzyjnej (ASPE), Międzynarodowe Stowarzyszenie Optyki i Fotoniki (SPIE) oraz Międzynarodowa Akademia Inżynierii Produkcji (CIRP). ZYGO bierze czynny udział w tych wydarzeniach jako zwolennik przemysłu, wystawca i prezenter artykułów naukowych dotyczących najnowszych osiągnięć.

Badania w dziedzinie metrologii AM

W poszukiwaniu odpowiedniej metrologii, kluczowej dla kontroli procesu, przemysł wciąż stara się zrozumieć, czego należy szukać na i pod powierzchnią detalu wytwarzanego metodą AM i jak to się ma do jego funkcjonalności. Powierzchnie części wytworzonych za pomocą technik przyrostowych stanowią wyzwanie dla istniejących pomiarów topografii powierzchni i nie dają się scharakteryzować przy użyciu standardowych parametrów z powodu dużego nachylenia powierzchni, pustych przestrzeni, śladów spawów i podcięć.

Badania nad nową i ulepszoną metodologią pomiaru dla produkcji addytywnej rozwijają się poprzez szeroki zakres partnerstw przemysłowych i akademickich, a wiele z nich odbywa się w kooperacji z firmą ZYGO. Takim przykładem jest współpraca badawcza z brytyjskim Uniwersytetem w Nottingham, gdzie Zespół Metrologii Produkcyjnej (Manufacturing Metrology Team - MMT) kierowany przez prof. Richarda Leacha bada pełen zakres rozwiązań, począwszy od precyzyjnej mikroskopii interferencyjnej aż do tomografii rentgenowskiej wewnętrznej struktury gotowych detali.

Innym przykładem wiodącego ośrodka badawczego jest University of North Carolina w Charlotte, gdzie prof. Christopher Evans i współpracownicy używają interferometrii oraz mikroskopii elektronowej do badania materiałów AM we współpracy z Narodowym Instytutem Norm i Technologii USA (NIST) oraz firmą Carl Zeiss GmbH.

Naukowcy badali Inconel 625 - stop niklowo-chromowy z dodatkiem molibdenu i niobu, który wykazuje intrygującą różnorodność cech struktury powierzchni. Powierzchnie te mają obszary bogate w warstwy tlenków, które są widoczne na trójwymiarowych mapach topografii powierzchni uzyskanych za pomocą mikroskopów interferencyjnych ZYGO. Instrumenty te służą również jako doskonałe „woły robocze” do badania sporych obszarów z dużą ilością szczegółów, takich jak np. zniekształcone jeziorka spawalnicze, poprzez łączenie lub „zszywanie” wielu obrazów o wysokiej rozdzielczości, z których każdy zawiera miliony danych punktowych.

Podczas gdy wyzwania związane z kontrolą jakości detali AM są często źródłem zmartwienia dla producentów tych wyrobów, te same wyzwania stanowią atrakcyjną okazję do tworzenia nowych rozwiązań i przedsiębiorstw typu spin-off. Założona w 2018 r. w Wielkiej Brytanii firma Taraz Metrology jest przykładem spółki spin-off, która łączy badania uniwersyteckie, inżynierię praktyczną i doświadczenie komercyjne w unikalną zdolność rozwoju produktu dostosowaną do potrzeb technologii addytywnych. Taraz oferuje obecnie rozwiązania do kontroli końcowej dla wszystkich rodzajów części AM i wykorzystuje autorskie oprogramowanie do zaawansowanej techniki rzutowania prążków świetlnych i fotogrametrii.

Standaryzacja i identyfikowalność

Zdolność technologii addytywnej do wytwarzania geometrycznie złożonych części, jej rola jako czynnika umożliwiającego masowe dostosowanie wyrobów do potrzeb klienta oraz potencjalne oszczędności czasu i kosztów związane z jej wykorzystaniem są niezwykle istotne dla przyszłości przemysłu. Jednakże, w porównaniu do bardziej znanych i ugruntowanych metod produkcji, technologia AM jest dynamiczna i szybko ewoluuje, a wynalazcy i innowatorzy pracują nad pokonaniem barier w przyjęciu AM do zastosowań wytwórczych, w tym tych związanych ze standardami kontroli jakości.

Firma ZYGO aktywnie bada kalibrację, identyfikowalność i weryfikację pomiarów topografii powierzchni, publikując 16 prac na związane z tymi zagadnieniami tematy tylko w ciągu ostatnich 5 lat, a także kolejne 7 prac koncentrujących się na fizycznym modelowaniu optycznych pomiarów struktur powierzchni - w tym złożonych, stromo nachylonych powierzchni charakterystycznych dla detali AM - oraz 5 prac dotyczących pomiarów elementów AM per se.

Krajowe i międzynarodowe standardy mają kluczowe znaczenie zarówno dla ich implementacji do przemysłu, jak i dla zapewnienia kontroli jakości w wielu rozwijających się technologiach produkcyjnych. ZYGO jest aktywnym członkiem ISO TC213 WG16 w zakresie rozwoju standardów ISO 25178 dotyczących tekstur powierzchniowych, współpracując z międzynarodowymi ekspertami nad standardami ISO 25178-603 i 25178-604 związanymi z mikroskopią interferencyjną oraz 25178-700 dotyczącymi kalibracji i identyfikowalności przyrządów.

Kontrola poprocesowa

Pomiary elementów AM wykonywane po procesie wytwórczym służą do weryfikacji zgodności z założeniami projektowymi oraz dostarczają wskazówek na temat problemów produkcyjnych. Jednakże, unikalność procesów AM i otrzymywanych części prowadzi producentów do stosowania szeregu różnych technik weryfikacji mechanicznej i metrologicznej.

Przyjmują oni podejście empiryczne, ponieważ nie można ufać, że jedno rozwiązanie dostarczy wystarczająco dokładnych danych. W konsekwencji części AM są często "przesadnie testowane" w celu zwiększenia pewności, ale wiąże się to zarówno z dodatkowym czasem, jak i kosztami - są to kwestie, które muszą zostać rozwiązane tak, aby technologie przyrostowe stały się opłacalne w produkcji przemysłowej.

Otwartym pytaniem jest, jak poprawić tę sytuację, aby uzyskać większą wydajność przy jednoczesnym zachowaniu pewności. Odpowiedź brzmi: dostawcy rozwiązań metrologicznych muszą zaadaptować istniejące technologie metrologiczne, aby lepiej dostosować je do unikalnych cech procesu produkcji addytywnej i wykonanych tą techniką detali, charakteryzujących się nieregularną, stromo nachyloną topografią powierzchni, której wiele technologii pomiarowych nie jest w stanie uchwycić.

Dzięki szeroko zakrojonym badaniom i rozwojowi skaningowej interferometrii koherentnej (CSI) w profilometrach optycznych ZYGO 3D, wysoce precyzyjne narzędzia metrologii AM są już obecnie dostępne dla przemysłu. Instrumenty wykorzystują innowacje sprzętowe i programowe, zaś pakiet określany w ZYGO jako "More Data Technology" sprawia, że są znacznie lepiej dostosowane do elementów AM.

Technologia "More Data" znacząco poprawia czułość bazową CSI i umożliwia działanie w zakresie HDR (High-Dynamic Range), co czyni ją wartościową dla szerokiej gamy części, od stromo nachylonych, gładkich, aż do wyjątkowo chropowatych tekstur o słabym odbiciu. Dodatkowo HDR mierzy części o szerokim zakresie odbicia światła, co często stanowi problem dla innych urządzeń wykorzystujących interferometrię jako zasadę pomiaru. Firma ZYGO była pierwszą, która zademonstrowała pomiar topografii powierzchni w pełnym kolorze dla powierzchni wytwarzanych addytywnie z wykorzystaniem interferometrii, a inżynierowie ZYGO aktywnie wykorzystują AM wewnętrznie do prototypowania urządzeń i rozwoju aplikacji.

Technologia AM jest obecnie wykorzystywana w produkcji dla szeregu różnorakich zastosowań, ale wciąż istnieją bariery dla jej masowego przyjęcia. Są one systematycznie usuwane, jednak wyraźnie rysuje się w tym zakresie potrzeba technologii pomiarowych, które mogą potwierdzić jakość i dokładność produkowanych części. Elementy AM charakteryzują się unikalnym zestawem cech, które sprawiają, że tradycyjne technologie pomiarowe są w niektórych sytuacjach nieefektywne.

Aktualnie opracowywane są innowacyjne technologie metrologiczne, które mogą zapewnić istotne dane pomiarowe w sposób wydajny i ekonomiczny. Dopiero gdy te kwestie zostaną rozwiązane, AM stanie się popularną technologią produkcji w wielu sektorach przemysłu i zastosowaniach.

Peter de Groot

Dr Peter de Groot zajmuje stanowisko głównego naukowca w ZYGO Corporation, która jest własnością AMETEK Inc., wiodącego światowego producenta urządzeń i instrumentów elektronicznych. ZYGO projektuje i produkuje optyczne instrumenty metrologiczne, wysoce precyzyjne komponenty optyczne oraz złożone systemy elektrooptyczne.