Wykorzystanie druku 3D w budowie maszyn

Na początku artykułu chciałbym krótko przedstawić definicję oraz podstawowe metody druku 3D wykorzystywane w budowie maszyn. Zakładam, że większość konstruktorów miała już styczność z drukiem 3D, a na pewno wszyscy o nim słyszeli. Nie każdy jednak miał okazję wykorzystać tę technologię w praktyce.

Dlatego mam nadzieję, że lektura tego artykułu zachęci czytelników do głębszego zgłębienia tematu, a kto wie – może nawet do zastosowania druku 3D w swojej pracy.

Druk 3D – rodzaje

Druk 3D (technologie przyrostowe, ang. Additive Manufacturing) to metoda wytwarzania elementów poprzez nakładanie materiału warstwa po warstwie, bez konieczności stosowania form, narzędzi skrawających czy obróbki ubytkowej.

Wszystkie metody druku 3D możemy podzielić na 3 główne grupy:

• przy użyciu termoplastów w żyłce,
• przy zastosowaniu żywic światłoutwardzalnych,
• przy użyciu wszelakich technologii proszkowych.

Poniżej znajdziecie pełne zestawienie tychże grup z podziałem na poszczególne metody.

Termoplasty w żyłce (FDM/FFF)

Grupa technologii oparta na uplastycznianiu stałego termoplastycznego filamentu i jego warstwowym deponowaniu przez podgrzewaną głowicę roboczą. Proces polega na ciągłym podawaniu materiału przez układ napędowy (direct drive lub Bowden), topieniu polimeru w strefie grzewczej hotendu oraz jego ekstruzji przez dyszę o określonej średnicy (najczęściej 0,2–0,6 mm), z jednoczesnym kontrolowanym ruchem osi maszyny w przestrzeni XYZ.

Materiał po ekstruzji ulega szybkiemu chłodzeniu i częściowej dyfuzji łańcuchów polimerowych między kolejnymi ścieżkami i warstwami, co bezpośrednio wpływa na wytrzymałość międzywarstwową. Typowe wysokości warstw zawierają się w zakresie od 0,1 do 0,3 mm, a szerokość ścieżki zależna jest od średnicy dyszy oraz parametrów przepływu. Proces prowadzony jest w kontrolowanych warunkach temperaturowych stołu roboczego oraz – w przypadku bardziej wymagających materiałów – w komorze grzewczej.

Do głównych ograniczeń technologii należą:

• anizotropia właściwości mechanicznych (osłabienie w osi Z),
• widoczna struktura warstw i ścieżek materiału,
• skurcz przetwórczy i ryzyko deformacji (ang. warping),
• relatywnie niska powtarzalność wymiarowa przy braku stabilnej kontroli procesu.

Termoplasty w żyłce (FDM/FFF) w praktyce

Zakres stosowanych materiałów obejmuje m.in.: PLA, PETG, ABS, ASA, PA (nylony), PC, a także kompozyty wzmacniane włóknem węglowym, szklanym lub aramidowym.

W zastosowaniach przemysłowych (w tym budowie maszyn) technologia wykorzystywana jest do wytwarzania:

• obudów technicznych,
• uchwytów montażowych,
• dystansów,
• prowadników kablowych,
• oprzyrządowania (jigi & fixtures),
• prototypów funkcjonalnych poddawanych wstępnym testom mechanicznym i montażowym.

Dzięki możliwości szybkiej iteracji projektu oraz niskim kosztom jednostkowym technologia FDM/FFF jest często wykorzystywana jako narzędzie inżynierskie w procesie rozwoju produktu, a nie wyłącznie jako metoda wizualnego prototypowania.

Żywice światłoutwardzalne (SLA, DLP, MJP, PolyJet, CLIP)

Technologie bazujące na utwardzaniu ciekłych fotopolimerów przy użyciu światła UV (laser, projektor, lampa). Metody te charakteryzują się bardzo wysoką rozdzielczością wymiarową (rzędu 10–50 µm w osi Z oraz nawet poniżej 50 µm w osiach XY), minimalną widocznością warstw oraz bardzo dobrą jakością powierzchni (niska chropowatość Ra).

Dzięki precyzyjnej kontroli energii naświetlania możliwe jest uzyskiwanie wąskich tolerancji geometrycznych oraz bardzo drobnych detali, niedostępnych dla technologii proszkowych i ekstruzyjnych.

W zależności od technologii:

• SLA wykorzystuje skanujący laser UV do selektywnego utwardzania punkt po punkcie,
• DLP utwardza całe warstwy jednocześnie za pomocą projektora,
• MJP/PolyJet polega na selektywnym natryskiwaniu kropli żywicy i ich natychmiastowym utwardzaniu światłem UV,
• CLIP (ang. Continuous Liquid Interface Production) realizuje niemal ciągły proces druku dzięki kontrolowanej strefie inhibicji tlenowej.

Technologie te znajdują zastosowanie przede wszystkim w produkcji:

• elementów precyzyjnych,
• modeli funkcjonalnych,
• form silikonowych,
• narzędzi koncepcyjnych,
• części wymagających wysokiej jakości odwzorowania geometrii.

Technologie proszkowe (CJP, Binder Jetting, SLS, MJF, SLM/DMLS, EBM)

Najszersza i najbardziej przemysłowa grupa technologii addytywnych, w której materiałem wsadowym jest proszek polimerowy lub metalowy o ściśle kontrolowanej granulacji i rozkładzie ziaren. Łączenie materiału odbywa się poprzez dostarczenie energii cieplnej (laser CO₂, fiber laser, wiązka elektronów) lub poprzez selektywne nanoszenie lepiszcza chemicznego, w zależności od zastosowanej technologii.

W procesach SLS i MJF proszek polimerowy ulega spiekaniu poniżej temperatury topnienia, tworząc jednorodną, porowato-zamkniętą strukturę. W technologiach SLM/DMLS oraz EBM proszek metalowy jest lokalnie stapiany, co prowadzi do powstania niemal w pełni gęstej struktury o wysokich własnościach mechanicznych (gęstość względna >99%). Binder Jetting oraz CJP bazują na selektywnym łączeniu cząstek proszku za pomocą lepiszcza, a pełne właściwości użytkowe uzyskuje się dopiero po procesach infiltracji lub spiekania w piecach.

Kluczową zaletą tych technologii jest możliwość wytwarzania bardzo złożonych geometrii bez konieczności stosowania podpór, ponieważ niespieczony proszek pełni funkcję naturalnego podparcia w trakcie procesu. Wydruki charakteryzują się wysoką wytrzymałością mechaniczną i dobrą odpornością cieplną, dlatego znajdują zastosowanie w przemyśle:

• lotniczym,
• motoryzacyjnym,
• medycznym,
• energetycznym.

Należy jednak uwzględnić wysoki koszt inwestycyjny urządzeń, znaczące koszty eksploatacyjne (materiały, filtry, gaz ochronny, serwis), konieczność rozbudowanego post-processingu (usuwanie proszku, obróbka cieplna, HIP, obróbka skrawaniem, obróbka powierzchni) oraz wymagania dotyczące infrastruktury, bezpieczeństwa i kontroli atmosfery procesu.

Korzyści techniczne i ekonomiczne

Do korzyści wykorzystania druku 3D należy możliwość produkcji skomplikowanych geometrii, takich których wykonanie tradycyjnymi metodami (jak frezowanie czy odlewanie) byłoby bardzo drogie lub niemożliwe do wykonania.

Wsporniki z wewnętrzną strukturą kratową

Przykładem mogą być wsporniki z wewnętrzną strukturą kratową. Obniżona została przy tym masa wspornika przy zachowaniu odpowiedniej sztywności.

Gniazdo formujące stosowane do gięcia prętów

Dzięki zastosowania optymalizacji jesteśmy w stanie stworzyć równie funkcjonalny element jak w przypadku obróbki konwencjonalnej. Bardzo ważnym aspektem w tym przypadku jest czas, obniżony z kilku tygodni do paru dni.

Przykładem może być gniazdo formujące stosowane do gięcia prętów. Wcześniej producent wykorzystywał formy wytwarzane tradycyjnymi formami obróbki, jednak ze względu na czas między przezbrojeniami oraz częste zmiany geometrii, zmuszony był do wykorzystania druku 3D, co w rezultacie dało mu w zasadzie nieograniczoną w żaden sposób geometrię przy zachowaniu odpowiednich parametrów wytrzymałościowych i przy zmniejszonej masie.

Pozwoliło to na kilkukrotne skrócenie czasu potrzebnego na przygotowanie nowej formy oraz zredukowanie masy detalu o 25%, co ostatecznie przełożyło się na 20% oszczędności.

Uchwyt dla korbowodu

Trzeba mieć jednak na uwadze, zgodnie z tym co napisałem wcześniej, że przy zastosowaniu technologii proszkowych, aby detal posiadał zbliżone parametry wytrzymałościowe, należy zastosować post-processing. W tym przypadku zastosowano wybraną obróbkę cieplną.

W odróżnieniu od technik ubytkowych (skrawanie, frezowanie), gdzie zdecydowana część materiału trafia na wióry i odpady, druk 3D dodaje materiał warstwa po warstwie tylko tam, gdzie jest to potrzebne. Zwiększa to wydajność wykorzystania materiału, zmniejsza koszt surowca i wpływa na mniejszą potrzebę logistyki i magazynowania odpadów.

Wykorzystanie druku 3D pozwala zminimalizować ilość elementów, co przekłada się także na czas montażu maszyny. Jesteśmy w stanie wydrukować jeden element, który idealnie będzie wpasowywał się w system, zamiast kilku elementów wytworzonych w tradycyjny sposób.

Poniższy uchwyt dla korbowodu, został wytworzony w całości jako monolityczna część. Jeśli chcielibyśmy wykorzystać do tego obróbkę ubytkową, musielibyśmy wyprodukować KILKA elementów i następnie je potem zmontować. Oczywistym jest, że w przypadku tego elementu można by pokusić się także o stworzenie jednego frezowanego elementu, jednak cena takiego rozwiązania, ilość odpadów oraz czas realizacji zdecydowanie przemawia na korzyść druku 3D.

Prototypy w budowie maszyn

W procesie projektowania maszyn techniki addytywne stanowią obecnie kluczowe narzędzie umożliwiające szybkie i niskokosztowe wytwarzanie prototypów elementów funkcjonalnych.

Jednym z najczęściej spotykanych zastosowań jest druk przestrzenny palców chwytaka, które wymagają bardzo precyzyjnej geometrii dopasowanej do elementu chwytanego oraz ograniczonej przestrzeni montażowej. Dzięki wykorzystaniu technologii np. FDM, SLS lub MJF możliwe jest odtworzenie finalnej geometrii chwytaka z dokładnością wystarczającą do przeprowadzenia testów kolizyjnych oraz symulacji rzeczywistych warunków pracy.

Dodrukowane prototypy pozwalają na natychmiastową weryfikację założeń konstrukcyjnych, takich jak rozkład sił w strefie kontaktu lub możliwość integracji z istniejącymi komponentami mechanicznymi (np. prowadnicami, czujnikami czy elementami pneumatycznymi). Istotnym aspektem jest także możliwość przeprowadzenia prób montażowych, eliminujących ryzyko kolizji z elementami otoczenia robota.

Zakończenie

Druk 3D przestaje być technologią eksperymentalną, a staje się jednym z kluczowych narzędzi współczesnego konstruktora. Umożliwia przejście od modelu CAD do prototypu w ciągu godzin zamiast tygodni, co radykalnie skraca pętlę projektową. Dzięki temu możliwa jest szybka weryfikacja geometrii, kolizji oraz dopasowania montażowego.

Techniki addytywne pozwalają również tworzyć elementy o geometrii niemożliwej do wykonania metodami konwencjonalnymi. Integracja wielu funkcji w jednym komponencie poprawia niezawodność i skraca czas montażu. Drukowane elementy umożliwiają także analizę ergonomii i rozmieszczenia przewodów.

W środowisku inżynierskim, gdzie liczy się każda godzina i każdy milimetr tolerancji, druk 3D stanowi realną przewagę konkurencyjną. Dlatego warto stosować go nie tylko do prototypów, ale również do osprzętu i produkcji krótkoseryjnej. Konstruktorzy, którzy wdrożą druk 3D do codziennej pracy, znacząco przyspieszą proces rozwojowy i zmniejszą ryzyko kosztownych błędów w fazie produkcyjnej.