Druk 3D bez tajemnic
Rozmowa z Michałem Brydą-Przybyszewskim, specjalistą ds. marketingu w CadXpert.
Obecnie istnieje wiele dostępnych metod wytwarzania addytywnego, które możemy określić mianem druku 3D. Ale proszę powiedzieć, jak to wszystko się zaczęło?
W Polsce o druku 3D po raz pierwszy usłyszano całkiem niedawno, stąd mylne przeświadczenie, że technologia addytywna popularnie nazywana drukiem 3D to odkrycie z ostatnich lat. Tymczasem pierwsze rozwiązania technologiczne wykorzystujące budowanie obiektu warstwa po warstwie powstawały już w latach 70. XX w., a nawet wcześniej. Umownie za datę narodzin branży druku 3D uważa się rok 1984 i zgłoszenie patentu na stereolitografię przez Charlesa Hulla. Stereolitografia (SLA) to drukowanie 3D z żywic fotopolimerowych, które są utwardzane warstwa po warstwie wiązką lasera.
Kolejnym kamieniem milowym było wprowadzenie na rynek technologii FDM, której wynalazcą jest Scott Crump, założyciel firmy Stratasys. Crump opracował metodę, która obecnie jest jedną z najpopularniejszych technologii druku 3D. Polega ona na warstwowym napawaniu materiału termoplastycznego dostarczanego do urządzenia w postaci żyłki nawiniętej na szpulę, czyli tzw. filamentu. Często na określenie tej technologii przyrostowej używa się nazwy FFF, co jest związane z tym, że przez długi czas metoda FDM była chroniona wnioskami patentowymi Stratasysa.
W latach 90. technologie przyrostowe były dość mocno rozwijane, również przez jednostki badawcze i naukowe. To w tym czasie powstawały lub stabilizowały się kolejne przedsiębiorstwa, wprowadzające własne urządzenia do druku 3D, takie jak Z Corporation, EOS czy Objet. Prawdziwy boom na druk 3D przyszedł w połowie pierwszej dekady XXI w., gdy na rynku zaczęły pojawiać się pierwsze niskobudżetowe drukarki 3D do amatorskich zastosowań. Na tej fali powstało wielu producentów, którzy funkcjonują do dziś, a także mnóstwo firm, które nie przetrwały starcia z wymaganiami rynkowymi.
Najczęściej „przerabianą” technologią był właśnie FDM; kolejni producenci upraszczali tę metodę i zmniejszali konstrukcję drukarek, co przełożyło się na zdecydowanie niższy koszt urządzenia. Łatwość obsługi, niska cena materiału i samego urządzenia sprawiły, że drukarki FFF zyskały dużą popularność, co możemy obserwować do dziś. Do Polski ta fala zachwytu nad drukiem 3D przybyła z opóźnieniem, ponieważ o takim intensywnym rozwoju polskiej branży druku 3D możemy mówić dopiero od około 2014 r.
Warto zdać sobie sprawę, że pierwsze drukarki 3D miały przeznaczenie typowo przemysłowe i służyły jako metoda prototypowania alternatywna do konwencjonalnej produkcji. Do dziś właśnie szybkie prototypowanie należy do głównych zastosowań druku 3D. Chociaż z powodzeniem możemy drukować także części zamienne lub narzędzia.
Wspomniał pan o technologii FDM i SLA. Jakie są jeszcze inne metody druku 3D i czym one się różnią?
Śmiało można powiedzieć, że obecnie znamy nawet 30 lub więcej różnych metod przyrostowego wytwarzania. Nie wszystkie jednak zostały skomercjalizowane lub nie miały na tyle potencjału wytwórczego, by znaleźć swoje miejsce na rynku. Często są to niszowe technologie, wykorzystywane do konkretnych procesów. Przykładem takiej technologii jest metoda LOM, w której drukarka wycina geometrie z nakładanych kolejno arkuszy laminatu lub papieru.
W przemyśle stosuje się kilkanaście technologii druku 3D o największym potencjale produkcyjnym. Do najpopularniejszych możemy zaliczyć właśnie technologie FDM/FFF, ze względu na łatwość obsługi, dostępność materiałów i bogatą ofertę urządzeń. Na drugim miejscu pod względem powszechności można umieścić stereolitografię oraz podobną do SLA technologię DLP, która różni się tym, że do fotopolimeryzacji używa światła emitowanego przez projektor. Czołówkę zamyka technologia druku 3D z proszków poliamidowych (SLS). Technologia selektywnego spiekania laserowego, której ojcem jest Carl Deckard, była rozwijana mniej więcej w tym samym czasie co dwie pozostałe metody druku 3D. Wszystkie technologie łączy sposób budowania modelu, czyli spajanie kolejnych warstw materiału, stąd nazwa additive manufacturing lub technologia przyrostowa, ponieważ obiekt jest tworzony poprzez dodawanie materiału, a nie usuwanie z bloku, jak w przypadku obróbki skrawaniem.
Najczęściej technologie druku 3D grupuje się według materiałów, z których dana drukarka 3D buduje obiekt. Stąd podział na technologie, w których przetwarzamy tworzywa termoplastyczne (FDM, FFF), druk 3D z żywic polimerowych (SLA, DLP, MJP, PolyJet), spajanie proszków poliamidowych (SLS, MJF, SAF) oraz druk 3D z proszków metalicznych (np. SLM).
Ciekawym przykładem jest technologia PolyJet rozwijana przez Stratasys. Jest to wielomateriałowa technologia druku 3D, w której możemy produkować modele składające się z różnych żywic i kolorów na jednym stole roboczym. Oprócz tego jest to bardzo precyzyjna metoda wytwórcza. Wysokość pojedynczej warstwy, z której powstaje model na drukarce PolyJet może wynosić już od 14 mikrometrów (0,014 milimetra). Dla porównania grubość ludzkiego włosa to ok. 60–80 mikrometrów, czyli nawet 5 razy więcej niż „grubość” warstwy, z jakiej powstaje model w tej technologii. Dzięki temu możemy osiągać bardzo precyzyjne detale, cienkie ścianki i gładkie powierzchnie wydruków.
Jeszcze kilka lat temu drukarki 3D budziły ekscytację na targach produkując „coś z niczego”. Obecnie technologie addytywne wyrosły już z wieku niemowlęcego i znajdują coraz więcej zastosowań w najróżniejszych gałęziach przemysłu.
Można powiedzieć, że branża druku 3D rozwija się w dwóch obszarach: drukarek amatorskich i przemysłowych. Oba te segmenty mają do zaoferowania wiele ciekawych produktów. Jeśli mówimy o tych profesjonalnych zastosowaniach, to praktycznie nie ma gałęzi przemysłu, w której druk 3D nie wniósłby korzyści w postaci oszczędności czasu i kosztów prototypowania. W naszej działalności współpracujemy z takimi branżami jak automotive i mobility, zajmującymi się nie tylko produkcją samochodów, ale też autobusów, rowerów; kolejne sektory to lotnictwo, kosmonautyka, branża pojazdów szynowych, szeroko pojęta produkcja dóbr konsumenckich i elektroniki, odlewnictwo, branża opakowań, edukacja, a także film czy rozrywka. Działamy również w przemyśle spożywczym i chociaż nie drukujemy jedzenia, to jak najbardziej możemy wytwarzać części do maszyn używanych do produkcji lub pakowania żywności.
Druk 3D sprawdza się na każdym etapie dostarczania produktu na rynek, od wstępnych wersji koncepcyjnych i prototypów, poprzez dostarczanie narzędzi, osprzętu produkcyjnego, aż do drukowania części zamiennych lub produktów od użytku końcowego. Drukarki 3D mogą być używane nie tylko jako alternatywa dla tradycyjnych metod wytwórczych, ale mogą też wspomagać linie produkcyjne czy wspierać pracę, np. obrabiarek CNC. Jak określił to jeden z naszych klientów: drukarka 3D za kilkadziesiąt tysięcy złotych utrzymuje w ruchu maszynę za kilka milionów. Za pomocą technologii druku 3D możemy również wykonać wkładki do formowania wtryskowego. Formy z drukarki 3D są w stanie wytrzymać od kilku do kilkuset wtryśnięć, w zależności od ciśnienia, temperatury wtrysku, zastosowanego materiału.
Wydaje się, że równie szerokim polem do popisu dla tak innowacyjnych technik wytwarzania jest nowoczesna medycyna?
Zdecydowanie tak, i takie przypadki stają się powszechne nie tylko za granicą, ale również w naszym kraju. Technologie addytywne w medycynie i stomatologii rozwijają się bardzo intensywnie, to szeroki temat do dyskusji. Drukarki 3D są wykorzystywane do wytwarzania modeli przedoperacyjnych, modeli anatomicznych do edukacji, a także do druku biokompatybilnych szablonów chirurgicznych i personalizowanych instrumentów medycznych. Na drukarkach 3D powstają też implanty, które mogą być wszczepiane w organizm pacjenta. Jeszcze innym zagadnieniem jest biodrukowanie i produkcja spersonalizowanych leków, ale w tej dziedzinie druk 3D jest dopiero w fazie rozwoju.
Przykładem z naszego podwórka, jeśli chodzi o wykorzystanie drukarek 3D w medycynie, jest historia dr. Pawła Rynio z Kliniki Chirurgii Naczyniowej, Ogólnej i Angiologii w Szczecinie, który użył drukarki 3D SLA Formlabs do wykonania spersonalizowanej protezy aorty dla pacjentów z tętniakiem. Na podstawie wydrukowanego szablonu chirurg dopasowuje stent-graft indywidualnie do każdego przypadku. Dzięki drukarce 3D lekarze mogą w szybki sposób otrzymać wyroby, które nie są dostępne lub których produkcja na zamówienie byłaby bardzo kosztowna.
Do produkcji wyrobów potrzeba surowca, nawet za pomocą technologii druku 3D. Jaki zakres materiałów termoplastycznych jest stosowany w tej branży?
Tworzywa wykorzystywane w druku 3D w dużym stopniu odpowiadają tym stosowanym w konwencjonalnej produkcji. Mamy zatem uniwersalne tworzywa takie jak ABS, ASA, poliwęglan, poliamidy PA11, PA12, żywice o właściwościach polipropylenu, a także cały szereg materiałów elastycznych o różnej twardości w skali Shore’a. W ostatnich latach dużą popularnością cieszą się kompozyty, czyli popularne tworzywa wzmacniane włóknem węglowym, szklanym, aramidowym (np. Nylon Carbon Fiber, ABS CF10, ABS Kevlar). Wśród najbardziej wytrzymałych materiałów warto zwrócić uwagę na tworzywa typu PEKK, np. Stratasys Antero 800NA lub bardzo wytrzymałe, odporne na wysoką temperaturę, ciśnienie, chemikalia tworzywa PEI o nazwie handlowej Ultem.
Materiał Stratasys Ultem 9085 jest tworzywem o klasie palności UL 94 V-0, a dodatkowo spełnia kryteria normy EN-45545-2, przez co może być stosowany np. w przemyśle kolejowym do produkcji elementów montowanych w wagonach i lokomotywach. Mamy do dyspozycji również stopy metali, m.in. aluminium (AlSi10Mg), tytan (Ti6Al4V) lub stal nierdzewną (SS316L).
Jak będzie kształtować się przyszłość druku 3D? Czym jeszcze zaskoczą nas producenci?
Wiodący producenci drukarek 3D stale usprawniają swoje maszyny, by były one szybsze, bardziej precyzyjne i pozwalały na jeszcze więcej nowych zastosowań. Na rynku widać trend w zakresie dostarczania systemów do wydajnej i opłacalnej produkcji seryjnej. Jest to możliwe, dzięki wprowadzaniu na rynek nowych technologii druku 3D, np. technologii SAF od Stratasys, lub usprawnianiu istniejących rozwiązań. Przykładem jest tu Formlabs, który ostatnio wprowadził metodę Low Force Stereolithography, czyli udoskonaloną wersję metody SLA i drukarkę 3D do wielkoformatowego druku z żywic – Form 3L.
Myślę, że duży rozwój czeka nas w obszarze materiałów do drukowania 3D. Producenci tworzyw i żywic systematycznie wprowadzają na rynek nowe materiały o jeszcze lepszych parametrach. Do czego będziemy używać technologii druku 3D w przyszłości, w dużej mierze zależy właśnie od materiałów dostępnych do druku. Ciekawostką z ostatnich dni jest informacja na temat opracowania przez Grupę Azoty bioplastiku ze skrobi ziemniaczanej, z którego ma powstawać także filament do drukarek 3D będący alternatywą dla PLA. Próby stworzenia ekologicznego tworzywa do druku 3D to nie nowość, ale dobrze że i w tym kierunku prowadzone są badania.
Jak obecnie wygląda rynek drukarek 3D i jak ocenia pan miejsce firmy CadXpert?
Na rynku drukarek 3D działamy od 2013 r., dzięki czemu mogliśmy zaobserwować jak polska branża AM przechodzi przez kolejne etapy rozwoju. W Polsce druk 3D stał się niezwykle popularny za sprawą niskobudżetowych urządzeń, które nie zawsze sprawdzają się w warunkach przemysłowych. Dlatego też staramy się prezentować właśnie te profesjonalne aplikacje i pokazywać, jak druk 3D może przynieść realne oszczędności czasu i kosztów produkcji. Widać wyraźnie, że zakłady przemysłowe w dużej mierze zdają sobie już sprawę z możliwości technologii przyrostowego wytwarzania. Systematycznie przybywa przedsiębiorstw planujących wdrożenie drukowania 3D i świadomie poszukujących rozwiązań dla produkcji.
Bardzo dobrym prognostykiem na przyszłość jest fakt, że coraz więcej szkół oraz uczelni wyższych wprowadza druk 3D do programów edukacyjnych, a nawet zakłada pracownie wyposażone w drukarki 3D. Na początku tego roku na Wydziale Zarządzania Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie zainstalowaliśmy MakerBot Engineering Innovation Lab, czyli laboratorium druku 3D wyposażone w 16 drukarek 3D marki MakerBot w technologii FDM. W tym roku uruchomiliśmy również pracownię w Zespole Szkół nr 5 w Stargardzie, do której trafiło 12 edukacyjnych drukarek 3D MakerBot Sketch, a także kilka inżynieryjnych drukarek 3D oraz skanerów 3D. Jesteśmy przekonani, że za kilka lat taka edukacja zaprocentuje kadrą inżynierską wykształconą w kierunku obsługi drukarek 3D i świadomą korzyści, jakie niesie wdrożenie technologii przyrostowych w procesy produkcyjne.
Państwa firma szybko zaadaptowała się do warunków związanych z pandemią i wprowadzanymi obostrzeniami. Jakie są najbliższe plany firmy?
Niestety przez długi czas bezpośrednie spotkania z klientami były niemożliwe lub bardzo utrudnione. Jeszcze przed pandemią uruchomiliśmy Akademię Druku 3D, czyli serie warsztatów z obsługi drukarek 3D, ale także webinarów i szkoleń online. Aktualnie zaplanowane webinaria oraz nagrania z poprzednich spotkań są dostępne na naszej stronie internetowej.
W czasie pandemii i lockdownu przygotowaliśmy się na prezentację online naszej oferty, z czego skorzystało bardzo wielu naszych klientów. Aby umówić się na indywidualny pokaz drukarek 3D za pośrednictwem platformy online wystarczy do nas napisać lub zadzwonić. Oczywiście wszystkich zainteresowanych prezentacją urządzeń lub chcących skonsultować swój projekt zapraszamy także do siedziby firmy w Krakowie. Warto również skorzystać z pierwszej platformy e-learningowej poświęconej technologiom druku 3D. Kilka tygodni temu uruchomiliśmy stronę SzkoleniaDruk3D.pl, na której znajduje się 12 odcinków kursu wprowadzającego w świat technologii przyrostowych. Kurs „Technologie druku 3D od podstaw” to certyfikowany program szkoleniowy przeznaczony dla osób zarówno początkujących, jak i zaznajomionych z technologiami addytywnymi. Treść kursu zaprojektowali eksperci-praktycy z branży druku 3D specjalizujący się w różnych technologiach przyrostowych. Dzięki temu szkolenie zawiera unikalną wiedzę przekazaną w przejrzystej formie e-lekcji. Kurs pozwala usystematyzować wiedzę na temat druku 3D i daje podstawy do dalszej nauki pracy z drukarkami 3D.
Jak wszyscy wiemy, branża targowa wznowiła działalność, więc mamy nadzieję, że już po wakacjach spotkamy się na targach 3D Solutions/ITM w Poznaniu oraz Dni Druku 3D/STOM w Kielcach, w których będziemy uczestniczyć jako wystawcy. Zapraszamy na nasze stoiska. Mamy nadzieję, że już wkrótce zobaczymy się na żywo, a tymczasem zachęcamy do skorzystania z naszych webinarów, kursu online SzkoleniaDruk3D.pl oraz indywidualnych prezentacji.
Rozmawiał: Jacek Leszczyński