Aditivní výroba, známá také jako 3D tisk, se od svého komerčního využití neustále vyvíjí již téměř 35 let. Aditivní výroba se používá v široké škále aplikací v leteckém, automobilovém, obranném, energetickém, dopravním, lékařském, zubním a spotřebním průmyslu.
Vzhledem k tak širokému rozšíření je zřejmé, že aditivní výroba není univerzálním řešením. Podle terminologické normy ISO/ASTM 52900 spadají téměř všechny komerční systémy aditivní výroby do jedné ze sedmi kategorií procesů. Patří mezi ně extruze materiálu (MEX), fotopolymerace v lázni (VPP), tavení v práškovém loži (PBF), stříkání pojiva (BJT), stříkání materiálu (MJT), řízená energetická depozice (DED) a laminace plechů (SHL). Zde jsou seřazeny podle oblíbenosti na základě prodaných kusů.
Rostoucí počet odborníků v oboru, včetně inženýrů a manažerů, se učí, kdy může aditivní výroba pomoci zlepšit produkt nebo proces a kdy ne. Historicky hlavní iniciativy k implementaci aditivní výroby vzešly od inženýrů, kteří s touto technologií mají zkušenosti. Management vidí více příkladů toho, jak může aditivní výroba zlepšit produktivitu, zkrátit dodací lhůty a vytvořit nové obchodní příležitosti. Aditivní výroba nenahradí většinu tradičních forem výroby, ale stane se součástí arzenálu podnikatelů v oblasti vývoje produktů a výrobních kapacit.
Aditivní výroba má širokou škálu uplatnění, od mikrofluidiky až po velkovýrobu. Výhody aditivní výroby se liší v závislosti na odvětví, aplikaci a požadovaném výkonu. Organizace musí mít dobré důvody pro implementaci aditivní výroby, bez ohledu na případ použití. Nejběžnějšími jsou koncepční modelování, ověřování návrhu a ověřování vhodnosti a funkčnosti. Stále více společností ji využívá k vytváření nástrojů a aplikací pro hromadnou výrobu, včetně vývoje zakázkových produktů.
Pro letecké a kosmické aplikace je hmotnost hlavním faktorem. Podle Marshallova vesmírného letového centra NASA stojí vynesení nákladu o hmotnosti 0,45 kg na oběžnou dráhu Země přibližně 10 000 dolarů. Snížení hmotnosti satelitů může ušetřit náklady na vypuštění. Přiložený obrázek ukazuje kovovou součástku Swissto12 pro aditivní výrobu (AM), která kombinuje několik vlnovodů do jedné součásti. S AM se hmotnost sníží na méně než 0,08 kg.
Aditivní výroba se používá v celém hodnotovém řetězci v energetickém průmyslu. Pro některé společnosti je obchodním argumentem pro použití aditivní výroby rychlá iterace projektů s cílem vytvořit co nejlepší produkt v co nejkratším čase. V ropném a plynárenském průmyslu mohou poškozené díly nebo sestavy stát tisíce dolarů nebo i více ve ztrátě produktivity za hodinu. Použití aditivní výroby k obnovení provozu může být obzvláště atraktivní.
Významný výrobce systémů DED, společnost MX3D, uvedla na trh prototyp nástroje pro opravu potrubí. Poškozené potrubí může podle společnosti stát 100 000 až 1 000 000 eur (113 157 až 1 131 570 dolarů) denně. Přípravek zobrazený na další stránce využívá CNC součást jako rám a DED svařuje obvod potrubí. AM zajišťuje vysoké rychlosti navařování s minimálním odpadem, zatímco CNC poskytuje požadovanou přesnost.
V roce 2021 byl na ropnou plošinu společnosti TotalEnergies v Severním moři instalován 3D tištěný vodní plášť. Vodní pláště jsou klíčovým prvkem používaným k řízení těžby uhlovodíků ve vrtech ve výstavbě. V tomto případě jsou výhody použití aditivní výroby zkráceny dodací lhůty a sníženy emise o 45 % ve srovnání s tradičními kovanými vodními plášti.
Dalším obchodním argumentem pro aditivní výrobu je snížení nákladů na nástroje. Společnost Phone Scope vyvinula digiskopické adaptéry pro zařízení, která propojují fotoaparát telefonu s dalekohledem nebo mikroskopem. Každý rok se vydávají nové telefony, což vyžaduje, aby společnosti vydaly novou řadu adaptérů. Používáním aditivní výroby může společnost ušetřit peníze za drahé nástroje, které je třeba vyměnit, když jsou uvedeny na trh nové telefony.
Stejně jako u jakéhokoli procesu nebo technologie by se neměla používat aditivní výroba, protože je považována za novou nebo odlišnou. Cílem je zlepšit vývoj produktů a/nebo výrobní procesy. Měla by přinášet přidanou hodnotu. Mezi příklady dalších obchodních případů patří zakázkové produkty a hromadné úpravy, komplexní funkčnost, integrované díly, menší spotřeba materiálu a hmotnosti a lepší výkon.
Aby aditivní výroba (AM) mohla realizovat svůj růstový potenciál, je třeba řešit určité výzvy. Pro většinu výrobních aplikací musí být proces spolehlivý a reprodukovatelný. Následné metody automatizace odebírání materiálu z dílů a podpěr a následného zpracování s tím pomohou. Automatizace také zvyšuje produktivitu a snižuje náklady na díl.
Jednou z oblastí největšího zájmu je automatizace následného zpracování, jako je odstraňování prášku a konečná úprava. Automatizací procesu hromadné výroby aplikací lze stejnou technologii opakovat tisíckrát. Problém je v tom, že specifické metody automatizace se mohou lišit v závislosti na typu dílu, velikosti, materiálu a procesu. Například následné zpracování automatizovaných zubních korunek se velmi liší od zpracování dílů raketového motoru, ačkoli obojí může být vyrobeno z kovu.
Protože jsou díly optimalizovány pro aditivní výrobu (AM), často se přidávají pokročilejší funkce a vnitřní kanály. U PBF je hlavním cílem odstranit 100 % prášku. Společnost Solukon vyrábí automatické systémy pro odstraňování prášku. Společnost vyvinula technologii s názvem Smart Powder Recovery (SRP), která otáčí a vibruje kovové díly, které jsou stále připevněny k konstrukční desce. Rotace a vibrace jsou řízeny CAD modelem dílu. Přesným pohybem a třesením dílů proudí zachycený prášek téměř jako kapalina. Tato automatizace snižuje manuální práci a může zlepšit spolehlivost a reprodukovatelnost odstraňování prášku.
Problémy a omezení ručního odstraňování prášku mohou omezit životaschopnost použití aditivní výroby pro hromadnou výrobu, a to i v malých množstvích. Systémy Solukon pro odstraňování kovových prášků mohou pracovat v inertní atmosféře a shromažďovat nepoužitý prášek pro opětovné použití v aditivní výrobě. Společnost Solukon provedl průzkum mezi zákazníky a v prosinci 2021 publikoval studii, která ukazuje, že dvěma největšími obavami jsou ochrana zdraví při práci a reprodukovatelnost.
Ruční odstraňování prášku z pryskyřičných struktur PBF může být časově náročné. Společnosti jako DyeMansion a PostProcess Technologies vyvíjejí systémy pro následné zpracování, které automaticky odstraňují prášek. Mnoho dílů z aditivní výroby lze vložit do systému, který invertuje a vytlačuje médium, aby se odstranil přebytečný prášek. Společnost HP má svůj vlastní systém, který údajně odstraní prášek z výrobní komory stroje Jet Fusion 5200 za 20 minut. Systém ukládá neroztavený prášek do samostatné nádoby pro opětovné použití nebo recyklaci pro jiné aplikace.
Firmy mohou těžit z automatizace, pokud ji lze aplikovat na většinu kroků následného zpracování. DyeMansion nabízí systémy pro odstraňování prášku, přípravu povrchu a lakování. Systém PowerFuse S nakládá díly, napařuje hladké díly a vykládá je. Společnost poskytuje stojan z nerezové oceli pro zavěšení dílů, což se provádí ručně. Systém PowerFuse S dokáže vytvořit povrch podobný vstřikovací formě.
Největší výzvou, které toto odvětví čelí, je pochopení skutečných příležitostí, které automatizace nabízí. Pokud je třeba vyrobit milion polymerních dílů, mohou být nejlepším řešením tradiční procesy odlévání nebo lisování, i když to závisí na konkrétním dílu. AM je často k dispozici pro první výrobní sérii při výrobě a testování nástrojů. Díky automatizovanému následnému zpracování lze spolehlivě a reprodukovatelně vyrobit tisíce dílů pomocí AM, ale je specifické pro daný díl a může vyžadovat zakázkové řešení.
AM nemá s průmyslem nic společného. Mnoho organizací prezentuje zajímavé výsledky výzkumu a vývoje, které mohou vést ke správnému fungování produktů a služeb. V leteckém průmyslu vyrábí Relativity Space jeden z největších systémů pro aditivní výrobu kovů s využitím patentované technologie DED, kterou společnost doufá, že bude použita k výrobě většiny jejích raket. Její raketa Terran 1 dokáže dopravit na nízkou oběžnou dráhu Země užitečné zatížení o hmotnosti 1 250 kg. Relativity plánuje vypustit zkušební raketu v polovině roku 2022 a již nyní plánuje větší, opakovaně použitelnou raketu s názvem Terran R.
Rakety Terran 1 a R od společnosti Relativity Space představují inovativní způsob, jak si představit, jak by mohly vypadat budoucí vesmírné lety. Zájem o tento vývoj vyvolaly návrhy a optimalizace pro aditivní výrobu. Společnost tvrdí, že tato metoda snižuje počet dílů stokrát ve srovnání s tradičními raketami. Společnost také tvrdí, že dokáže vyrobit rakety ze surovin do 60 dnů. To je skvělý příklad kombinace mnoha dílů do jednoho a výrazného zjednodušení dodavatelského řetězce.
V zubním průmyslu se aditivní výroba používá k výrobě korunek, můstků, chirurgických vrtacích šablon, částečných zubních protéz a rovnátka. Společnosti Align Technology a SmileDirectClub používají 3D tisk k výrobě dílů pro termoformování průhledných plastových rovnátek. Align Technology, výrobce produktů značky Invisalign, používá mnoho fotopolymerizačních systémů v lázních 3D Systems. V roce 2021 společnost uvedla, že od získání schválení FDA v roce 1998 ošetřila přes 10 milionů pacientů. Pokud typická léčba pacienta sestává z 10 rovnátek, což je nízký odhad, společnost vyrobila 100 milionů nebo více dílů aditivní výroby. Díly z FRP se obtížně recyklují, protože jsou termosetové. SmileDirectClub používá systém HP Multi Jet Fusion (MJF) k výrobě termoplastických dílů, které lze recyklovat pro jiné aplikace.
Historicky společnost VPP nebyla schopna vyrábět tenké, průhledné díly s pevnostními vlastnostmi pro použití jako ortodontické aparáty. V roce 2021 společnosti LuxCreo a Graphy zveřejnily možné řešení. Od února má společnost Graphy schválení FDA pro přímý 3D tisk zubních aparátů. Pokud je tisknete přímo, je kompletní proces považován za kratší, snazší a potenciálně méně nákladný.
Raným vývojem, který se těšil velké mediální pozornosti, bylo využití 3D tisku pro rozsáhlé stavební aplikace, jako je bydlení. Stěny domu se často tisknou extruzí. Všechny ostatní části domu byly vyrobeny tradičními metodami a materiály, včetně podlah, stropů, střech, schodů, dveří, oken, spotřebičů, skříní a pracovních desek. Stěny vytištěné 3D tiskem mohou zvýšit náklady na instalaci elektřiny, osvětlení, vodovodního potrubí, potrubí a větracích otvorů pro vytápění a klimatizaci. Dokončení interiéru a exteriéru betonové zdi je obtížnější než u tradičního designu stěn. Modernizace domu pomocí 3D tisknutých stěn je také důležitým faktorem.
Výzkumníci z Národní laboratoře Oak Ridge zkoumají, jak ukládat energii do stěn vytištěných 3D tiskem. Vložením trubek do zdi během stavby může skrz ni protékat voda pro vytápění a chlazení. Tento výzkumný a vývojový projekt je zajímavý a inovativní, ale stále je v rané fázi vývoje. Tento výzkumný a vývojový projekt je zajímavý a inovativní, ale stále je v rané fázi vývoje.Tento výzkumný projekt je zajímavý a inovativní, ale stále je v rané fázi vývoje.Tento výzkumný projekt je zajímavý a inovativní, ale stále v raných fázích vývoje.
Většina z nás dosud není obeznámena s ekonomikou 3D tisku stavebních dílů nebo jiných velkých objektů. Tato technologie se používá k výrobě některých mostů, markýz, parkových laviček a dekorativních prvků pro budovy a venkovní prostředí. Předpokládá se, že výhody aditivní výroby v malém měřítku (od několika centimetrů do několika metrů) platí i pro 3D tisk ve velkém měřítku. Mezi hlavní výhody použití aditivní výroby patří vytváření složitých tvarů a prvků, snižování počtu dílů, snižování materiálu a hmotnosti a zvyšování produktivity. Pokud aditivní výroba nepřidává hodnotu, měla by být její užitečnost zpochybněna.
V říjnu 2021 společnost Stratasys získala zbývajících 55% podíl ve společnosti Xaar 3D, dceřiné společnosti britského výrobce průmyslových inkoustových tiskáren Xaar. Technologie polymerních PBF od společnosti Stratasys, nazývaná Selective Absorption Fusion, je založena na inkoustových tiskových hlavách Xaar. Stroj Stratasys H350 konkuruje systému HP MJF.
Koupě společnosti Desktop Metal byla působivá. V únoru 2021 společnost získala Envisiontec, dlouholetého výrobce průmyslových systémů aditivní výroby. V květnu 2021 společnost získala Adaptive3D, vývojáře flexibilních VPP polymerů. V červenci 2021 společnost Desktop Metal získala Aerosint, vývojáře procesů pro přelakování vícemateriálových práškových laků. Největší akvizice proběhla v srpnu, kdy Desktop Metal koupil konkurenta ExOne za 575 milionů dolarů.
Akvizice společnosti ExOne společností Desktop Metal spojuje dva renomované výrobce kovových systémů BJT. Obecně řečeno, technologie ještě nedosáhla úrovně, kterou si mnozí myslí. Společnosti se nadále zabývají otázkami, jako je opakovatelnost, spolehlivost a pochopení základní příčiny problémů, jakmile se objeví. I přesto, pokud se problémy vyřeší, stále existuje prostor pro to, aby se technologie dostala na větší trhy. V červenci 2021 společnost 3DEO, poskytovatel služeb využívající proprietární systém 3D tisku, uvedla, že zákazníkům dodala miliontý kus.
Vývojáři softwaru a cloudových platforem zaznamenali v odvětví aditivní výroby významný růst. To platí zejména pro systémy řízení výkonu (MES), které sledují hodnotový řetězec aditivní výroby. Společnost 3D Systems se v září 2021 dohodla na akvizici společnosti Oqton za 180 milionů dolarů. Společnost Oqton, založená v roce 2017, poskytuje cloudová řešení pro zlepšení pracovních postupů a zvýšení efektivity aditivní výroby. Společnost Materialize koupila společnost Link3D v listopadu 2021 za 33,5 milionu dolarů. Stejně jako Oqton i cloudová platforma Link3D sleduje práci a zjednodušuje pracovní postup aditivní výroby.
Jednou z nejnovějších akvizic v roce 2021 je akvizice společnosti Wohlers Associates společností ASTM International. Společně pracují na využití značky Wohlers k podpoře širšího přijetí aditivní výroby po celém světě. Prostřednictvím Centra excelence ASTM AM bude společnost Wohlers Associates i nadále vytvářet zprávy Wohlers a další publikace a také poskytovat poradenské služby, analýzy trhu a školení.
Odvětví aditivní výroby dozrálo a mnoho odvětví tuto technologii využívá pro širokou škálu aplikací. 3D tisk však nenahradí většinu ostatních forem výroby. Místo toho se používá k vytváření nových typů produktů a obchodních modelů. Organizace používají aditivní výrobu ke snížení hmotnosti dílů, zkrácení dodacích lhůt a nákladů na nástroje a ke zlepšení personalizace a výkonu produktů. Očekává se, že odvětví aditivní výroby bude pokračovat ve své růstové trajektorii s novými společnostmi, produkty, službami, aplikacemi a případy užití, které se objevují často závratnou rychlostí.