DATALAN Quality Instruments sro: You can produce almost anything, without molds and tools

O mo�nostiach a prínosoch tejto technológie, ako aj o tom, kedy je výhodné siahnu� po tomto spôsobe výroby, sme sa porozprávali s Mgr. Martinom Balogom, konate�om spolo�nosti DATALAN Quality Instruments s.r.o.

Princípy a technologická stránka aditívnej výroby sú známe u� viac ako tri desa�ro�ia, ke� sa za�ínalo s tzv. systémami rýchleho navrhovania (rapid-prototyping). Ako to, �e sa tento typ výroby zatia� nepresadil vo vä�šom meradle?

Nemyslím si, �e by sa ešte nepresadil. Sú odvetvia, ako napríklad medicína, kde sú v oblasti ortopédie �i zubného lekárstva produkty vyrobené aditívnym spôsobom celkom be�né. Vyu�itie v iných, hlavne priemyselných odvetviach je v sú�asnosti ešte stále limitované pomerne vysokými nákladmi, ni�šou produktivitou a kvalitou finálnych výrobkov. To sú tri faktory, ktoré obmedzujú rozsiahlejšie vyu�itie aditívnej výroby v praxi. A práve na zlepšenie týchto troch oblastí sa momentálne sústre�uje celý vývoj na strane výrobcov zariadení na aditívnu výrobu. Ešte na spresnenie by som sa krátko pristavil pri odbornej terminológii. 3D tla� a aditívna výroba sú v podstate synonymá – rozdiel je len v tom, �e 3D tla� sa pou�íva viac v nekomer�nom, hobby prostredí a aditívna výroba sa udomácnila v komer�nom sektore a výrobnom priemysle.

Pre mnohých je aditívna výroba stále „exotická“ technológia. Aké s �ou máme skúsenosti na Slovensku?

Priemyselné odvetvia na Slovensku majú, v porovnaní so zahrani�ím, len minimum skúseností s nasadzovaním a vyu�ívaním aditívnej výroby. Prvé skúsenosti v tejto oblasti mali niektoré, najmä univerzitné pracoviská. Z nich vyniká najmä Technická univerzita v Košiciach, kde v sú�asnosti dosahujú v oblasti medicínskych implantátov �i rastu tkanív vytvorených aditívnou tla�ou svetové výsledky. Ove�a viac prenikla 3D tla� do domáckeho vyu�itia, kde sa u� vytvorila pomerne slušná komunita. Toto je práve skupina �udí, ktorá primárne prenáša svoje skúsenosti aj �alej, do firiem, do priemyselnej praxe. Na Slovensku však zatia� chýba ve�ká komer�ná firma, ktorá by z vlastných zdrojov a na vlastných, profesionálnych priemyselných zariadeniach poskytovala zákazkovú výrobu s vyu�itím aditívnych technológií. Mnohé firmy síce ponúkajú tieto slu�by, ale sami �asto nevlastnia zariadenia na aditívnu výrobu a len túto slu�bu outsourcujú u iných zahrani�ných dodávate�ov. Firmy si �asto stanovia limit na nákup 3D tla�iarní do 20 000 eur, na ktorých sa dá realizova� jednoduchý vývoj nefunk�ných dielov alebo aj ke� funk�ných, tak s nízkymi nárokmi, pri malom objeme výroby, s malými rozmermi a pod.

�o pova�ujete za najvä�šie prínosy a naopak aké sú obmedzenia aditívnej výroby?

Najvä�ším prínosom je nesporne konštruk�ná sloboda. Na aditívnu výrobu si doká�ete naozaj navrhnú� také produkty, ktoré sú iným spôsobom nevyrobite�né alebo len ve�mi draho. Pri dieloch vyrábaných aditívnou výrobou nie je zlo�itos� to, od �oho sa primárne odvíja finálna cena. Druhou ve�kou výhodou je výroba bez foriem a nástrojov. V�aka tomu je cena jedného výrobku alebo sto výrobkov takmer rovnaká. Tre�ou výhodou je mo�nos� výroby z náro�ných materiálov. Dnes u� nie je problém vyu�i� v rámci aditívnej výroby titán, kobalt-chróm, rôzne špeciálne ocele, �o sú �a�ko obrábate�né kovy. V�aka aditívnej technológii z nich mo�no vyrobi� finálny tvar takmer s minimálnym doobrábaním. Pri výrobe vä�ších sérií je �alším nezanedbate�ným faktorom deglobalizácia, �i�e výroba na mieste spotreby. Ako som u� spomenul, aditívna výroba nevy�aduje pou�itie �iadnych nástrojov, foriem, �o umo��uje zlú�i� mno�stvo rôznych výrobkov na jedno miesto výroby a redizajnova� ich tak, aby boli vyrobite�né na jednom a tom istom zariadení. Z poh�adu nevýhod treba spomenú� pomerne nízku produktivitu, preto�e zatia� vä�šine, aj tých profesionálnych zariadení, trvá pomerne dlho vyrobi� jeden výrobok. �alšími obmedzeniami sú �ivotnos� alebo kvalita finálnych výrobkov. Niektoré materiály nemô�u by� dlhodobo vystavené UV �iareniu. �alšou nevýhodou mô�e by� v niektorých prípadoch presnos� výroby, ktorá sa zatia� nedá porovnáva� s tradi�ným CNC obrábaním alebo výrobou na vstrekolisoch. Otázkou je, �i je táto vysoká presnos� a kvalita pri ka�dom type výroby nevyhnutná. Všetko však závisí od ú�elu a spôsobu pou�itia.

Ktoré priemyselné odvetvia by mohli ma� z aditívnej výroby najvä�ší prínos?

Všetky spomenuté výhody doteraz najlepšie vyu�ila medicína, t. j. výroba na mieru v nízkych sériách bez predra�enia nákladov. Vo výrobnom priemysle si treba uvedomi�, �e aditívna výroba nebude riešením na všetko. Ka�dá nová technológia prechádza fázou boomu a nadšenia, za ktorou nasleduje vytriezvenie a nachádzanie jej reálneho vyu�itia. �ím skôr si uvedomíme obmedzenia aj mo�nosti aditívnej výroby, tým skôr sa táto technológia dostane do reálneho pou�ívania a za�ne by� rentabilná. A vyhneme sa rôznym slepým uli�kám, ktoré na aditívnu výrobu a jej široké uplatnenie �íhajú. No prínosy aditívnej výroby z poh�adu rýchleho prototypovania, malosériovej výroby �i slobody v dizajnovaní mô�e vyu�i� ktoréko�vek odvetvie. �a�i� z nej budú �alej tí, ktorí budú vyrába� výrobky s vysokou mierou zákazníckeho prispôsobenia. Aby sa firmy dokázali odlíši� od svojej konkurencie, budú musie� inovova� a prichádza� s novými návrhmi svojich produktov �astejšie. A práve tu bude kra�ova� výroba bez foriem a nástrojov, ktorá vyu�ije všetky mo�nosti digitalizácie. Z roka na rok sa technológia aditívnej výrobe zlepšuje a posúva sa hranica, ke� sa krivky aditívnej a tradi�nej výroby pretnú a ke� ten istý výrobok bude mo�né vyrobi� za rovnaké náklady a v prijate�nej kvalite aditívnou výrobou, pri�om pridanou hodnotou budú všetky jej spomenuté prednosti. V ka�dom prípade sa treba pýta�, �i je pre daný výrobok a danú výrobnú sériu výhodnejšia klasická alebo aditívna výroba, �i aditívna výroba umo�ní nadizajnova� tento produkt lepšie alebo �i sa zlepší „len“ estetická hodnota. Do rovnice o rozhodovaní sa pre konkrétnu technológiu výroby treba da� viac parametrov ako len jednoduché porovnanie 1 : 1.

Mô�ete uvies� nejaké príklady úspešného presadenia produktov ako výsledku aditívnej výroby?

Jedným z takých príkladov z priemyselného prostredia sú lisovacie formy pre vstrekolisy s integrovanými chladiacimi kanálikmi. Tie prechádzajú celou formou takou zlo�itou štruktúrou a tak blízko popri povrchu, �e inou ako aditívnou technológiou výroby by to nebolo mo�né zrealizova�. V�aka týmto kanálikom sa darí ve�mi presne regulova� teplotu formy a chladnutia plastu, ktorá je najdôle�itejším parametrom kvality finálnych produktov vo vstrekolisoch.

Aké materiály doká�e na svojom vstupe vyu�i� aditívna výroba? Inými slovami z �oho všetkého mo�no vyrobi� finálne produkty?

Skoro zo všetkého. Naj�astejšie sa vyu�ívajú plasty a kovy, na ktorých aditívna tla� vyrástla, v poslednom �ase aj keramika. Z kovov sú to najmä �a�ko obrábate�né kovy, napr. titán, kobalt-chróm, nástrojové ocele a rôzne špeciálne zliatiny, ktoré sú pomerne drahé alebo �a�ko obrábate�né klasickými spôsobmi. Kovy do procesu aditívnej výroby vstupujú vo forme �istých práškov alebo je prášok obsiahnutý v spojive, podobne ako pri technológiách MIM (Metal Injection Moulding). Pri plastoch ide o tri formy – prášok, struna alebo �ivica. Delenie je aj pod�a toho, �i ide o termoplasty alebo termosety. Termoplasty sú teplom opakovane roztavite�né plasty, ako PLA, ABS, nylon a pod. Druhou skupinou sú tzv. termosety, ktoré sa externým pôsobením nezvratným spôsobom vytvrdia do finálnej podoby. Príkladom sú v 3D tla�i populárne fotopolyméry. Pri práškových technológiách, ako je SLS alebo Jet Fusion, ide najmä o polyamidy PA12, PA11, TPU, polypropylén a pod. Pri konkrétnych typoch výrobkov sa pou�ívajú aj rôzne špeciálne vstupné suroviny.

Majú produkty ako výsledok aditívnej výroby rovnaké vlastnosti ako tie vyrobené „štandardnou“ výrobou?

Treba si najprv vybra�, v ktorej oblasti chceme porovnáva�. Z h�adiska napr. farebnosti alebo iných, �asto z h�adiska procesu výroby sekundárnych parametrov bude hra� prím klasická výroba, kde je k dispozícii podstatne viac mo�ností. Ak sa pozrieme na funk�nos� dielov, hlavne z h�adiska mechanických vlastností, tak treba poveda�, �e u� z princípu výroby bude povrch produktov vyrobených aditívnou technológiou drsnejší, �lenitý. Vyplýva to z podstaty technológie – nanášania vrstvy po vrstve. Bez následnej úpravy sa aditívnou technológiou výroby nedá dosiahnu� rovnaká hladkos� alebo presnos� ako pri klasickej výrobe. No sú prípady, ke� to pri výslednom produkte nepreká�a. Ak sa výrobok napr. vyrába z fotopolymérov, tak ich tla� sa uskuto��uje niekedy aj s rozlíšením menej ako 10 μm, �o je pre �udské oko nepostrehnute�ná „drsnos�“. Z nich sa napr. vyrábajú formy na odlievanie šperkov. Pri práškových spekaných technológiách alebo pri nanášaní jednotlivých vrstiev na seba vzniká ur�itá miera porozity materiálu. Niekedy je to dokonca �iaduce, napr. pri penovom hliníku, ke� porozita zabezpe�uje cielené od�ah�enie produktu. Naopak z h�adiska tesnosti je porozita ne�iaduca. Pri technológii Jet Fusion, s ktorou pracujeme aj my, je jednou z jej vlastností plošné pôsobenie tepla a tým lepšie eliminovanie vnútornej porozity a lepšie prepojenie jednotlivých vrstiev. Výzvou pri niektorých technológiách aditívnej výroby je aj to, �e nedochádza k rovnako silnému prepojeniu medzi vrstvami, t. j. v osi z, ako je to v rámci vrstvy – osi x a y. Ve�mi dobré výsledky v oblasti plastov prináša práve technológia Jet Fusion, kde sú tieto rozdiely v prepojení rádovo v jednotkách percent, a teda výsledkom je takmer izotropný produkt. Pri kovoch sa vyskytuje problém vnútorného napätia. Parametre v osi z nie sú a� tak dramaticky horšie, ale pôsobenie tepla pri výrobe vytvára vnútorné napätie, ktoré treba následne uvo��ova� �íhaním, príp. iným spracovaním. Na druhej strane treba spomenú� výhody. Pri aditívnej výrobe mo�no navrhnú� podstatne �ahší diel, preto�e si ho napr. mô�ete dovoli� vytla�i� z pevnejšieho materiálu. Be�ne by ste to vyrábali z hliníka, ale pri aditívnej technológii to mô�ete vyrobi� z titánu, ke� je výsledný výrobok výrazne �ahší a pevnejší. Pritom z h�adiska nákladov mô�e ís� o tie isté �ísla.

Doká�e 3D tla� vyrába� aj úplne funk�né produkty?

Samozrejme. Jedným z takých príkladov je funk�ný raketový motor vyrobený technológiou 3D tla�e (ako príklad uve�me firmy Aerojet Rocketdyne alebo Rocket Lab). V leteckom priemysle sa lopatky prúdových turbín tie� vyrábajú z titánu. Ich výroba pomocou aditívnej tla�e je nákladovo výhodnejšia ako klasickou technológiou obrábania. Aj pri plastoch sa smeruje k tomu, aby boli 3D tla�ené produkty funk�né, pri�om je snaha eliminova� tie u� skôr spomenuté slabšie stránky.

Aditívna výroba a sériová výroba – ide to dokopy?

Ide, aj ke� si treba poveda�, o akých sériách hovoríme. Lebo série rádovo v stovkách tisíc a� milión kusov asi nikdy nebudú predmetom aditívnej výroby. Dnes sme na hranici okolo desiatok, max. nieko�ko stoviek tisíc kusov, ktoré v ur�itých prípadoch zvládne aditívna výroba. Miera sériovosti sa však mení, vystupuje do popredia prispôsobite�nos� po�iadavkám zákazníka a potom sa sériovos� zmenšuje. Vtedy sa oplatí porozmýš�a� o vyu�ití aditívnej technológie. Ešte stále vä�šiemu podielu klasickej výroby nahráva aj skuto�nos�, �e produkty sú navrhované tak, aby ich raz bolo mo�né vyrobi� na vstrekolisoch, prípadne ich obrobi� na CNC strojoch a pod. Chyba je, ak sa zákazník za�ne pýta�: „My vyrábame takýto výrobok klasickou technológiou. Za aké náklady nám ho viete vytla�i� aditívnou technológiou?“ Tu sa dá naozaj len málokedy odpoveda� tak, �e áno, toto sa vám naozaj viac oplatí vyrába� 3D tla�ou ako klasicky. Výrobok bol toti� u� na za�iatku prispôsobený tak, aby sa dal lacno a efektívne vyrobi� klasickou technológiou. Ak však prídete s novým výrobkom a u� pri samotnom návrhu zva�ujete mo�nosti aditívnej výroby a všetkého, �o tento prístup prináša, tak napriek mo�no vyšším nákladom dosiahnete takú pridanú hodnotu, ktorú zákazníci ocenia a priplatia si za �u. Sériovos� je však jedna z hlavných tém, na ktorú sa výrobcovia zariadení na aditívnu výrobu sústre�ujú.

Okrem hardvéru treba myslie� aj na softvérové nástroje. Na �o sa v rámci aditívnej výroby vyu�ívajú a �o všetko umo��ujú?

Ak si odmyslíme softvérové CAD nástroje na samotný návrh produktov, tak sa pozrime na to, �o je potrebné pre samotnú aditívnu výrobu. Základom je softvér na ovládanie tla�iarne z kategórie CAM – po�íta�om podporovaná výroba. Ten transformuje údaje z CAD do podoby zrozumite�nej pre 3D tla� a zárove� priamo zabezpe�uje aj ovládanie tla�iarne. �alej je potrebný softvér, ktorý pripraví tzv. plán tla�ového objemu. Ka�dá tla�iare� má svoj objem pracovného priestoru, podobne ako CNC stroj. Poslaním tohto softvéru je umiestni� finálny produkt do pracovného priestoru tak, aby to bolo efektívne, prípadne doplni� do modelu nevyhnutné podpery a podobne. Na dôle�itosti za�ína nabera� aj softvér na riešenie topologickej optimalizácie modelov. Ten umo��uje zjednodušova� a od�ah�ova� výrobok, pri�om sa zachovajú po�adované mechanické vlastnosti. Dostupné sú aj softvéry na simuláciu tepelného za�a�enia, vnútorného napätia a pod. s cie�om predís� deformáciám, príp. aby sme vedeli daný výrobok optimálne vytla�i�.

Kedy prichádza v rámci nejakej firmy na rad úvaha o vyu�ívaní aditívnej výroby a ktoré otázky treba v tejto súvislosti hne� na za�iatku zodpoveda�?

Priestor na vyu�ívanie aditívnej tla�e je v�dy a všade, len treba tie príle�itosti za�a� h�ada�. Tak ako iné technológie, aj aditívna výroba by mala firme prinies� nejakú pridanú hodnotu. Na za�iatku sa mo�no netreba hne� zamera� na to, �e chceme priamo vyrába� produkt, ktorý sa doteraz vyrábal klasickou technológiou, ale skúsi� vyrobi� skôr nejaké súvisiace prvky – dr�iaky, prípravky, upína�e a pod., príp. diely, ktoré momentálne potrebujeme a dodávate� ich nevie doda� skôr, ako povedzme o šes� tý�d�ov, �o je neprijate�né, lebo napr. prídeme o zákazku. Treba zmeni� zmýš�anie, prístup k výrobku, zoh�adni� zákaznícku prispôsobite�nos� �i rýchlejšie dodanie produktov na trh. Nezanedbate�ná je aj redukcia skladových zásob, tzv. digitálny sklad. Skladujte dáta, nie výrobky. Vyrábajte len to, �o potrebujete a u seba. Zredukujte dodávate�ský re�azec. A ak toto viete na svoj produkt aplikova� a vytvori� tak vyššiu pridanú hodnotu pre zákazníka, získate konkrétnu konkuren�nú výhodu, ktorú nikto iný nemusí ma�.

S �ím treba po�íta� z h�adiska návratnosti investície �i celkových nákladov na vlastníctvo pri aditívnej výrobe? Kedy sa oplatí takúto technológiu vlastni� a kedy je lepšie výkony outsourcova�?

Z vlastnej skúsenosti odporú�am za�a� oursourcovaním. V našej firme sme išli tie� touto cestou. V momente, ke� sme technológiu a mo�nosti aditívnej tla�e dostato�ne pochopili, rozhodli sme sa vlastni� výrobné zariadenie a vyrába� na �om vlastné výrobky. Táto oblas� je takmer pre ka�dého nová, preto je na za�iatku dobré da� si poradi� od odborníkov so skúsenos�ami. Navyše mô�u prís� s nápadmi, ktoré by ste získavali iba náro�ným procesom vlastnej skúsenosti a trvalo by to ove�a dlhšie. Dá sa, samozrejme, za�a� aj s tými lacnejšími zariadeniami na tla� menších vecí, bez o�akávania vysokej kvality a funk�nosti. Dôle�ité je pochopi� súvislosti medzi primárnym procesom 3D tla�e a následným postprocessingom. �i budete pre laserové technológie tla�e potrebova� generátory inertnej atmosféry, zariadenia na recykláciu pou�itého materiálu, pieskovanie alebo otryskávanie, �i budete musie� zabezpe�i� priestor, kde sa bude pracova� s materiálom, preto�e napr. plastový prášok mô�e vytvori� potenciálne výbušné prostredie a pod. Cena profesionálnych zariadení na tla� vä�ších sérií sa pohybuje v stotisícoch eur. No nie je to len o tla�iarni a o kilách materiálu.

Má aditívna výroba nejaký vplyv aj na �ivotné prostredie?

Pri aditívnej výrobe vzniká menej odpadu. Ve�ké mno�stvo materiálov mo�no znovu pou�i�. Pri plastovej práškovej technológii sú predpísané pomery, ko�ko mô�ete pou�i� recyklovaného a ko�ko nového materiálu na vstupe. Pri Jet Fusion je ten pomer napr. 20 % nového materiálu a a� 80 % recyklovaného. Z poh�adu BOZP treba bra� do úvahy skuto�nos�, �e sa pracuje s miniatúrnymi �asticami plastového alebo kovového prášku, ktorý vy�aduje pou�itie pracovných ochranných pomôcok na o�i a dýchacie cesty. To, �e mo�no vyrába� na mieste spotreby, prispieva aj k minimalizácii logistických procesov a tým aj k minimalizácii tvorby skleníkových plynov, ktoré produkujú dopravné prostriedky.

Aditívna výroba sa pova�uje za jednu z prelomových technológií najbli�šieho obdobia. Aký vývoj o�akávate v tejto súvislosti vo svete a na Slovensku?

Aditívna výroba sa nachádza v takej širokej škále oblastí, �e smerov vývoja je hne� nieko�ko. No z poh�adu výrobného priemyslu sa bude ve�ký dôraz dáva� na zvyšovanie produktivity, kvality a zni�ovanie ceny s cie�om �oraz viac konkurova� konven�nému CNC obrábaniu, vstrekovaniu a pod. �alšou vývojovou líniou bude zvä�šovanie rozmerov výrobkov, ktoré bude mo�né tla�i�. Výskum sa bude zaobera� aj mo�nos�ami pou�itia materiálov, ktoré sa na výrobu doteraz pou�ívali obmedzene alebo pri ve�kých nákladoch. �o sa týka Slovenska, tak tu bude k�ú�ové zvyšova� povedomie a informova� o aditívnej výrobe, jej mo�nostiach, prínosoch, aby �oraz viac záujemcov dokázalo identifikova� príle�itosti pre svoje procesy. Na Slovensku sme stále v tomto prístupe konzervatívni. Jedným zo zaujímavých krokov je iniciatíva zo strany akademickej obce smerujúca k vzniku klastra aditívnej výroby na Slovensku, ktorého jednou z priorít by mala by� práve osveta. Navyše na Slovensku máme dos� ve�a nadšencov v danej oblasti, z ktorých len málokto má profesionálne zariadenia na komer�né vyu�itie a celé toto prostredie je zatia� stále ve�mi atomizované. Neexistuje u nás zatia� ani jedna silná firma v oblasti aditívnej výroby, schopná poskytnú� z vlastných zdrojov výrobu a slu�by súvisiace s aditívnou výrobou. Našou snahou je, aby sme ako firma v tejto oblasti vytvorili komplexnú ponuku v oblasti aditívnej výroby na jednom mieste. Aj preto sme sa stali predajcom a servisným partnerom 3D tla�iarní spolo�nosti HP, ktorá pracuje s technológiou Jet Fusion vyu�ívajúcou plasty. V krátkom �ase rozšírime sortiment aj na tla�iarne pre kovy. Ponúkame profesionálne zariadenia a slu�by na priemyselné pou�itie s vysokou kvalitou, ve�kou produktivitou a nízkou cenou finálnych produktov, �o priamo konkuruje klasickej CNC výrobe. Rozbiehame aj zákazkovú výrobu, �i u� s našimi vlastnými kapacitami, alebo v spolupráci s inými slovenskými firmami. U� �oskoro spustíme náš vlastný online webový portál, prostredníctvom ktorého si záujemcovia budú môc� nahra� údaje o svojom výrobku a na základe predpokladaného po�tu, ktorý chcú vyrobi�, okam�ite získajú cenovú kalkuláciu. Zárove� tak bude vznika� kni�nica dielov daného zákazníka, ku ktorej bude ma� kedyko�vek prístup a mo�nos� kedyko�vek vytla�i� potrebný po�et kusov.

�lánok bol prvýkrát publikovaný v �asopise ATP Journal 3/2019.