Aditívna výroba, známa aj ako 3D tlač, sa neustále vyvíja už takmer 35 rokov od svojho komerčného využitia. Aditívnu výrobu využívajú v širokom spektre aplikácií letecký, automobilový, obranný, energetický, dopravný, zdravotnícky, zubný a spotrebný priemysel.
S takýmto rozšíreným prijatím je zrejmé, že aditívna výroba nie je univerzálnym riešením. Podľa terminologickej normy ISO/ASTM 52900 spadajú takmer všetky komerčné systémy aditívnej výroby do jednej zo siedmich kategórií procesov. Patria sem extrúzia materiálu (MEX), fotopolymerizácia v kúpeli (VPP), tavba v práškovom lôžku (PBF), striekanie spojiva (BJT), striekanie materiálu (MJT), riadená energetická depozícia (DED) a laminácia plechov (SHL). Tu sú zoradené podľa obľúbenosti na základe predaja kusov.
Rastúci počet odborníkov v tomto odvetví, vrátane inžinierov a manažérov, sa učí, kedy môže aditívna výroba pomôcť zlepšiť produkt alebo proces a kedy nie. Historicky hlavné iniciatívy na implementáciu aditívnej výroby pochádzali od inžinierov so skúsenosťami s touto technológiou. Manažment vidí viac príkladov toho, ako môže aditívna výroba zlepšiť produktivitu, skrátiť dodacie lehoty a vytvoriť nové obchodné príležitosti. AM nenahradí väčšinu tradičných foriem výroby, ale stane sa súčasťou arzenálu podnikateľov v oblasti vývoja produktov a výrobných kapacít.
Aditívna výroba má širokú škálu aplikácií, od mikrofluidických technológií až po veľkovýrobu. Výhody aditívnej výroby sa líšia v závislosti od odvetvia, aplikácie a požadovaného výkonu. Organizácie musia mať dobré dôvody na implementáciu aditívnej výroby bez ohľadu na prípad použitia. Najbežnejšie sú koncepčné modelovanie, overovanie návrhu a overovanie vhodnosti a funkčnosti. Čoraz viac spoločností ju používa na vytváranie nástrojov a aplikácií pre hromadnú výrobu vrátane vývoja produktov na mieru.
Pre letecké aplikácie je hmotnosť hlavným faktorom. Podľa Marshallovho vesmírneho letového centra NASA stojí vynesenie užitočného zaťaženia s hmotnosťou 0,45 kg na obežnú dráhu Zeme približne 10 000 dolárov. Zníženie hmotnosti satelitov môže ušetriť náklady na vypustenie. Priložený obrázok zobrazuje kovovú súčiastku Swissto12 pre aditívny model (AM), ktorá kombinuje niekoľko vlnovodov do jednej časti. S AM sa hmotnosť zníži na menej ako 0,08 kg.
Aditívna výroba sa používa v celom hodnotovom reťazci v energetickom priemysle. Pre niektoré spoločnosti je obchodným argumentom pre použitie aditívnej výroby rýchla iterácia projektov s cieľom vytvoriť čo najlepší produkt v čo najkratšom čase. V ropnom a plynárenskom priemysle môžu poškodené diely alebo zostavy stáť tisíce dolárov alebo viac v strate produktivity za hodinu. Použitie aditívnej výroby na obnovu prevádzky môže byť obzvlášť atraktívne.
Významný výrobca systémov DED, spoločnosť MX3D, uviedla na trh prototyp nástroja na opravu potrubí. Poškodené potrubie môže podľa spoločnosti stáť 100 000 až 1 000 000 eur (113 157 až 1 131 570 dolárov) denne. Upínací prípravok zobrazený na ďalšej strane používa ako rám CNC súčiastku a na zváranie obvodu potrubia používa DED. AM poskytuje vysoké rýchlosti nanášania s minimálnym odpadom, zatiaľ čo CNC poskytuje požadovanú presnosť.
V roku 2021 bol na ropnú plošinu spoločnosti TotalEnergies v Severnom mori nainštalovaný vodný plášť vytlačený 3D tlačiarňou. Vodné plášte sú kľúčovým prvkom používaným na riadenie výťažnosti uhľovodíkov vo vrtoch vo výstavbe. V tomto prípade sú výhodami použitia aditívnej výroby skrátené dodacie lehoty a zníženie emisií o 45 % v porovnaní s tradičnými kovanými vodnými plášťami.
Ďalším obchodným argumentom pre aditívnu výrobu je zníženie nákladov na nástroje. Spoločnosť Phone Scope vyvinula digiskopické adaptéry pre zariadenia, ktoré pripájajú fotoaparát vášho telefónu k ďalekohľadu alebo mikroskopu. Každý rok sa vydávajú nové telefóny, čo si vyžaduje, aby spoločnosti vydali nový rad adaptérov. Používaním aditívnej výroby môže spoločnosť ušetriť peniaze za drahé nástroje, ktoré je potrebné vymeniť pri vydaní nových telefónov.
Rovnako ako pri akomkoľvek procese alebo technológii, ani aditívna výroba by sa nemala používať, pretože sa považuje za novú alebo odlišnú. Cieľom je zlepšiť vývoj produktov a/alebo výrobné procesy. Mala by pridávať hodnotu. Medzi príklady ďalších obchodných prípadov patria zákazkové produkty a hromadné prispôsobovanie, komplexná funkčnosť, integrované diely, menej materiálu a hmotnosti a lepší výkon.
Aby aditívna výroba (AM) mohla naplniť svoj rastový potenciál, je potrebné riešiť určité výzvy. Pre väčšinu výrobných aplikácií musí byť proces spoľahlivý a reprodukovateľný. Následné metódy automatizácie odoberania materiálu z dielov a podpier a následného spracovania s tým pomôžu. Automatizácia tiež zvyšuje produktivitu a znižuje náklady na diel.
Jednou z oblastí najväčšieho záujmu je automatizácia následného spracovania, ako je odstraňovanie prášku a konečná úprava. Automatizáciou procesu hromadnej výroby aplikácií je možné tú istú technológiu opakovať tisíckrát. Problém je v tom, že špecifické metódy automatizácie sa môžu líšiť v závislosti od typu dielu, veľkosti, materiálu a procesu. Napríklad následné spracovanie automatizovaných zubných korún sa veľmi líši od spracovania dielov raketového motora, hoci obe môžu byť vyrobené z kovu.
Keďže súčiastky sú optimalizované pre aditívne spracovanie (AM), často sa pridávajú pokročilejšie funkcie a vnútorné kanály. V prípade PBF je hlavným cieľom odstrániť 100 % prášku. Spoločnosť Solukon vyrába automatické systémy na odstraňovanie prášku. Spoločnosť vyvinula technológiu s názvom Smart Powder Recovery (SRP), ktorá otáča a vibruje kovové časti, ktoré sú stále pripevnené k konštrukčnej doske. Rotáciu a vibrácie riadi CAD model súčiastky. Presným pohybom a trasením súčiastok prúdi zachytený prášok takmer ako kvapalina. Táto automatizácia znižuje manuálnu prácu a môže zlepšiť spoľahlivosť a reprodukovateľnosť odstraňovania prášku.
Problémy a obmedzenia manuálneho odstraňovania prášku môžu obmedziť životaschopnosť použitia aditívnej výroby pre hromadnú výrobu, a to aj v malých množstvách. Systémy Solukon na odstraňovanie kovových práškov môžu pracovať v inertnej atmosfére a zhromažďovať nepoužitý prášok na opätovné použitie v strojoch aditívnej výroby. Spoločnosť Solukon vykonala prieskum medzi zákazníkmi a v decembri 2021 publikovala štúdiu, ktorá ukazuje, že dvoma najväčšími obavami sú ochrana zdravia pri práci a reprodukovateľnosť.
Manuálne odstraňovanie prášku zo živicových štruktúr PBF môže byť časovo náročné. Spoločnosti ako DyeMansion a PostProcess Technologies vyvíjajú systémy na dodatočné spracovanie, ktoré automaticky odstraňujú prášok. Mnoho dielov z aditívnej výroby je možné vložiť do systému, ktorý prevracia a vyhadzuje médium, aby odstránil prebytočný prášok. Spoločnosť HP má vlastný systém, o ktorom sa hovorí, že odstráni prášok z výrobnej komory zariadenia Jet Fusion 5200 za 20 minút. Systém ukladá neroztavený prášok do samostatnej nádoby na opätovné použitie alebo recykláciu pre iné aplikácie.
Spoločnosti môžu profitovať z automatizácie, ak sa dá aplikovať na väčšinu krokov následného spracovania. DyeMansion ponúka systémy na odstraňovanie prášku, prípravu povrchu a lakovanie. Systém PowerFuse S nakladá diely, naparuje hladké diely a vykladá ich. Spoločnosť poskytuje stojan z nehrdzavejúcej ocele na zavesenie dielov, čo sa vykonáva ručne. Systém PowerFuse S dokáže vytvoriť povrch podobný vstrekovacej forme.
Najväčšou výzvou, ktorej toto odvetvie čelí, je pochopenie skutočných príležitostí, ktoré automatizácia ponúka. Ak je potrebné vyrobiť milión polymérnych dielov, tradičné procesy odlievania alebo formovania môžu byť najlepším riešením, hoci to závisí od dielu. AM je často k dispozícii pre prvú výrobnú sériu pri výrobe a testovaní nástrojov. Vďaka automatizovanému následnému spracovaniu je možné spoľahlivo a reprodukovateľne vyrobiť tisíce dielov pomocou AM, ale je to špecifické pre daný diel a môže si vyžadovať riešenie na mieru.
AM nemá nič spoločné s priemyslom. Mnoho organizácií prezentuje zaujímavé výsledky výskumu a vývoja, ktoré môžu viesť k správnemu fungovaniu produktov a služieb. V leteckom priemysle spoločnosť Relativity Space vyrába jeden z najväčších systémov aditívnej výroby kovov s využitím vlastnej technológie DED, ktorú spoločnosť dúfa, že použije na výrobu väčšiny svojich rakiet. Jej raketa Terran 1 dokáže dopraviť na nízku obežnú dráhu Zeme užitočné zaťaženie s hmotnosťou 1 250 kg. Spoločnosť Relativity plánuje vypustiť testovaciu raketu v polovici roka 2022 a už teraz plánuje väčšiu, opakovane použiteľnú raketu s názvom Terran R.
Rakety Terran 1 a R od spoločnosti Relativity Space sú inovatívnym spôsobom, ako si predstaviť budúcnosť vesmírnych letov. Návrh a optimalizácia pre aditívnu výrobu vyvolali záujem o tento vývoj. Spoločnosť tvrdí, že táto metóda znižuje počet dielov 100-krát v porovnaní s tradičnými raketami. Spoločnosť tiež tvrdí, že dokáže vyrobiť rakety zo surovín do 60 dní. Toto je skvelý príklad spojenia mnohých dielov do jedného a výrazného zjednodušenia dodávateľského reťazca.
V zubnom priemysle sa aditívna výroba používa na výrobu koruniek, mostíkov, chirurgických vŕtacích šablón, čiastočných zubných protéz a zarovnávačov. Spoločnosti Align Technology a SmileDirectClub používajú 3D tlač na výrobu dielov na tepelné tvarovanie priehľadných plastových zarovnávačov. Align Technology, výrobca značkových produktov Invisalign, používa mnoho fotopolymerizačných systémov vo vaniach 3D Systems. V roku 2021 spoločnosť uviedla, že od získania schválenia FDA v roku 1998 ošetrila viac ako 10 miliónov pacientov. Ak typická liečba pacienta pozostáva z 10 zarovnávačov, čo je nízky odhad, spoločnosť vyrobila 100 miliónov alebo viac dielov aditívnej výroby. Diely z FRP sa ťažko recyklujú, pretože sú termosetové. SmileDirectClub používa systém HP Multi Jet Fusion (MJF) na výrobu termoplastických dielov, ktoré je možné recyklovať na iné účely.
Spoločnosť VPP historicky nedokázala vyrábať tenké, priehľadné diely s pevnými vlastnosťami na použitie ako ortodontické aparáty. V roku 2021 spoločnosti LuxCreo a Graphy predstavili možné riešenie. Od februára má spoločnosť Graphy schválenie FDA na priamu 3D tlač zubných aparátov. Ak ich tlačíte priamo, celý proces sa považuje za kratší, jednoduchší a potenciálne menej nákladný.
Skorým vývojom, ktorý získal veľkú mediálnu pozornosť, bolo použitie 3D tlače pre rozsiahle stavebné aplikácie, ako je napríklad bývanie. Steny domu sa často tlačia extrúziou. Všetky ostatné časti domu boli vyrobené tradičnými metódami a materiálmi vrátane podláh, stropov, striech, schodov, dverí, okien, spotrebičov, skriniek a pracovných dosiek. Steny vytlačené 3D tlačou môžu zvýšiť náklady na inštaláciu elektriny, osvetlenia, vodovodných potrubí, potrubí a vetracích otvorov pre vykurovanie a klimatizáciu. Dokončovanie interiéru a exteriéru betónovej steny je náročnejšie ako pri tradičnom dizajne steny. Modernizácia domu pomocou 3D tlačených stien je tiež dôležitým faktorom.
Výskumníci z Národného laboratória Oak Ridge skúmajú, ako ukladať energiu v stenách vytlačených 3D tlačou. Vložením potrubí do steny počas výstavby môže cez ňu pretekať voda na vykurovanie a chladenie. Tento výskumný a vývojový projekt je zaujímavý a inovatívny, ale stále je v počiatočnom štádiu vývoja. Tento výskumný a vývojový projekt je zaujímavý a inovatívny, ale stále je v počiatočnom štádiu vývoja.Tento výskumný projekt je zaujímavý a inovatívny, ale stále je v počiatočných fázach vývoja.Tento výskumný projekt je zaujímavý a inovatívny, ale stále je v počiatočných fázach vývoja.
Väčšina z nás ešte nie je oboznámená s ekonomikou 3D tlače stavebných dielov alebo iných veľkých objektov. Táto technológia sa používa na výrobu niektorých mostov, markíz, lavičiek v parkoch a dekoratívnych prvkov pre budovy a vonkajšie prostredie. Predpokladá sa, že výhody aditívnej výroby v malých mierkach (od niekoľkých centimetrov do niekoľkých metrov) sa vzťahujú aj na 3D tlač vo veľkom meradle. Medzi hlavné výhody použitia aditívnej výroby patrí vytváranie zložitých tvarov a prvkov, zníženie počtu dielov, zníženie materiálu a hmotnosti a zvýšenie produktivity. Ak aditívna výroba neprináša pridanú hodnotu, jej užitočnosť by sa mala spochybniť.
V októbri 2021 spoločnosť Stratasys získala zostávajúci 55 % podiel v spoločnosti Xaar 3D, dcérskej spoločnosti britského výrobcu priemyselných atramentových tlačiarní Xaar. Technológia polymérnych PBF od spoločnosti Stratasys s názvom Selective Absorbion Fusion je založená na atramentových tlačových hlavách Xaar. Stroj Stratasys H350 konkuruje systému HP MJF.
Kúpa spoločnosti Desktop Metal bola pôsobivá. Vo februári 2021 spoločnosť získala spoločnosť Envisiontec, dlhoročného výrobcu priemyselných systémov aditívnej výroby. V máji 2021 spoločnosť získala spoločnosť Adaptive3D, vývojára flexibilných VPP polymérov. V júli 2021 spoločnosť Desktop Metal získala spoločnosť Aerosint, vývojára procesov prelakovania viacúčelových práškových lakov. Najväčšia akvizícia prebehla v auguste, keď Desktop Metal kúpil konkurenta ExOne za 575 miliónov dolárov.
Akvizícia spoločnosti ExOne spoločnosťou Desktop Metal spája dvoch renomovaných výrobcov kovových systémov BJT. Vo všeobecnosti táto technológia ešte nedosiahla úroveň, ktorú si mnohí myslia. Spoločnosti sa naďalej zaoberajú otázkami, ako je opakovateľnosť, spoľahlivosť a pochopenie základnej príčiny problémov hneď, ako vznikajú. Aj napriek tomu, ak sa problémy vyriešia, stále existuje priestor na to, aby sa technológia dostala na väčšie trhy. V júli 2021 spoločnosť 3DEO, poskytovateľ služieb využívajúci proprietárny systém 3D tlače, uviedla, že zákazníkom dodala miliónty kus.
Vývojári softvéru a cloudových platforiem zaznamenali výrazný rast v odvetví aditívnej výroby. Platí to najmä pre systémy riadenia výkonu (MES), ktoré sledujú hodnotový reťazec aditívnej výroby. Spoločnosť 3D Systems sa v septembri 2021 dohodla na akvizícii spoločnosti Oqton za 180 miliónov dolárov. Spoločnosť Oqton, založená v roku 2017, poskytuje cloudové riešenia na zlepšenie pracovných postupov a zvýšenie efektívnosti aditívnej výroby. Spoločnosť Materialize získala spoločnosť Link3D v novembri 2021 za 33,5 milióna dolárov. Podobne ako Oqton, aj cloudová platforma spoločnosti Link3D sleduje prácu a zjednodušuje pracovný postup aditívnej výroby.
Jednou z najnovších akvizícií v roku 2021 je akvizícia spoločnosti Wohlers Associates spoločnosťou ASTM International. Spoločne pracujú na využití značky Wohlers na podporu širšieho prijatia aditívnej výroby na celom svete. Prostredníctvom Centra excelentnosti ASTM AM bude spoločnosť Wohlers Associates naďalej produkovať správy Wohlers a ďalšie publikácie, ako aj poskytovať poradenské služby, analýzy trhu a školenia.
Odvetvie aditívnej výroby dozrelo a mnoho odvetví využíva túto technológiu pre širokú škálu aplikácií. 3D tlač však nenahradí väčšinu ostatných foriem výroby. Namiesto toho sa používa na vytváranie nových typov produktov a obchodných modelov. Organizácie používajú aditívnu výrobu na zníženie hmotnosti dielov, skrátenie dodacích lehôt a nákladov na nástroje a zlepšenie personalizácie a výkonu produktov. Očakáva sa, že odvetvie aditívnej výroby bude pokračovať vo svojej rastovej trajektórii s novými spoločnosťami, produktmi, službami, aplikáciami a prípadmi použitia, ktoré sa budú objavovať často závratnou rýchlosťou.