Odpowiedź na rosnące zapotrzebowanie funkcjonalnych prototypów. W niemałej mierze już dziś z technologii tej korzysta kadra inżynierów branży automotive. Odpowiedzialni za projektowanie zyskali dostęp do bezinwazyjnego weryfikowania swych koncepcji. Technologią druku przyrostowego może być zainteresowana każda branża związana z produkcją, wdrażaniem nowych produktów, prototypowaniem lub procesem badawczo-rozwojowym.

Szybkie prototypowanie ma kluczowe znaczenie dla procesu projektowania produktu, a wraz z narzędziami do wizualizacji komputerowej przenosi nas w rzeczywistość, w której łatwiej odnaleźć słabe punkty wizjonerskich koncepcji. Jakkolwiek trudno dziś sobie wyobrazić, by tzw. druk 3D mógł zastąpić konwencjonalne metody produkcji (np. odlew tarcz czy klocków hamulcowych), to nowatorskie koncepcje okazują się niezwykle pomocne przy usprawnianiu form wtryskowych.
Jeśli chodzi o technologię druku 3D, to praktycznie jesteśmy w stanie wykonać wydruk w każdej technologii. Do wyboru jest stereolitografia, czyli SLA, spiekanie laserowe (SLS) i FDM. Stereolitografia (stereolithography) była pierwszą technologią szybkiego wytwarzania prototypów, zapoczątkowało ją wynalezienie dodatków do płynnych żywic, które powodowały po naświetleniu rozpoczęcie procesu polimeryzacji. Jest to jedna z technologii wytwarzania trójwymiarowych modeli na podstawie geometrii wygenerowanej za pomocą systemu CAD 3D. Polega ona na warstwowym utwardzaniu ciekłych żywic za pomocą światła laserowego małej mocy. SLS wyróżniona jest ze względu na spieki laserowe materiałów na bazie poliamidu, np. PA2200 (nylon), które gwarantują wysokie parametry wytrzymałościowe. Powstałe w tym procesie, w pełni funkcjonalne elementy drukowane, za sprawą właściwości poliamidu, mogą być docelowo montowane np. w samochodach. Technologia ta charakteryzuję się tym, że zarówno budulcem, jak i suportem jest ten sam materiał, który po wydruku przy pomocy sprężonego powietrza jest wydmuchiwany, ukazując gotowy wyrób.
Fused Deposition Modelling, czyli technologia FDM, polega na budowaniu modelu poprzez nakładanie kolejnych warstw półpłynnego, termoplastycznego materiału, podawanego przez termiczne głowice wyposażone w wymienne dysze. Gdy geometria elementu wymaga zastosowania materiału podporowego, równolegle w procesie druku oprócz materiału budulcowego nakładany jest także materiał podporowy (z ang. support). Charakterystyczne dla tej technologii jest to, że oba rodzaje materiału dostępne są w postaci włókien nawiniętych na szpule, które umieszcza się w maszynie. Włókna są odwijane i podawane do głowicy, w niej podgrzewane do stanu półpłynnego i nanoszone w postaci warstwy, która szybko stygnie i twardnieje, tworząc podstawę dla kolejnych warstw. Głowice drukujące poruszają się w osiach X-Y, natomiast podstawa (stół roboczy), na której budowany jest model, obniża się w osi Z. Jak łatwo się domyśleć, opuszcza się on o wartość odpowiadającą grubości nałożonej warstwy. W maszynach do FDM możemy zastosować różne rodzaje materiału, w tym także odpowiadające właściwościami tworzywom stosowanym na co dzień w przemyśle (m.in. ABS, PC czy też Ultem).
Znany producent układów kierowniczych – firma Nexteer, posiada trzy urządzenia FDM w swojej głównej siedzibie w Saginaw (USA, stan Michigan), których zadaniem jest wspieranie prac nad rozwojem globalnych produktów firmy. Drukarki FDM wytwarzają projektowane elementy na potrzeby działu inżynierii Nexteer. Małe partie elementów powstają też na potrzeby hardware’u laboratorium testowego, jak na przykład skrzynek testów elektrycznych.
Dwa z modeli urządzeń FDM, jakie są wykorzystywane, to Dimension 1200 es. Trzeci z nich to Fortus 250mc. Wszystkie trzy produkowane są przez firmę Stratasys. Jedną z podstawowych przewag technologicznych drukarki Fortus 250mc jest fakt, że używa nowego rodzaju materiału, który rozpuszcza się znacznie szybciej w tzw. Clean Tanks.

- Używanie technologii FDM przyniosło nam bardzo duże korzyści w kwestii sprawdzania tego, jak produkty Nexteer wpasowują się w architekturę samochodów naszych klientów – wyjaśnia Piotr Dembiński, Communication Manager Europe. - Choć w wielu przypadkach nadal używamy regularnych części, to korzystanie z wirtualnych modeli w celu kontroli możliwości montażowych czy funkcjonalnych naszych systemów zdecydowanie usprawnia proces i pozwala zaoszczędzić wiele czasu, a tym samym kosztów związanych ze standardowym produkowaniem prototypów. Ponadto daje naszym klientom pewność, że proponowane przez nas rozwiązania rzeczywiście w pełni dopasują się do przestrzeni przeznaczonych na dany układ kierowniczy w konkretnym modelu.
Co stanowi dziś przeszkodę dla pełnej satysfakcji? Elementy tworzone na urządzeniach FDM używających materiał ABS mają ograniczoną wytrzymałość w porównaniu do standardowych rozwiązań, a ponadto nie odwzorowują perfekcyjnie komponentów metalowych. Liczymy na to, że być może te kwestie zostaną w najbliższym czasie udoskonalone, co zapewne przekona także firmy z innych branż do stosowania tej technologii.
Przemysł samochodowy coraz częściej korzysta z drukowania 3D, aby zmniejszyć koszty materiałów i robocizny. W Oplu istotną częścią procesu produkcyjnego stały się narzędzia montażowe w fabryce w Rüsselsheim w Niemczech produkowane przy użyciu drukarek 3D. Dzięki drukowaniu przestrzennemu Opel może wytwarzać potrzebne części szybciej i taniej. Narzędzia o odpowiedniej wytrzymałości są lżejsze nawet o 70%, a każdy taki element może być gotowy w parę godzin. Dodatkową zaletą jest to, że wydrukowane elementy można obrabiać mechanicznie, przez np. wiercenie, szlifowanie, lakierowanie i łączenie z innymi materiałami.
Eksperci mówią, że to dopiero początek stosowania narzędzi z drukarek 3D i ich wykorzystanie będzie stale rosnąć. Spore nadzieje pokłada się tu w technologii DMLS (Direct Metal Laser Sintering), dziś jednej z najbardziej kosztownych metod, ale wyróżniającej się wytwarzaniem produktów np. ze stali narzędziowej.
- Niezaprzeczalnym walorem DMLS jest wysoka wytrzymałość, która dorównuje wytrzymałości elementów odlewanych lub kutych. W metodzie tej następuje przejście materiału od stanu stałego (proszek), poprzez stan płynny, ponownie do stanu stałego (spiek). W efekcie powstaje doskonałej homogeniczności produkt, niezależnie od ułożenia części w przestrzeni roboczej – wyjaśnia Łukasz Zatorski, Account Manager w firmie Materialise. - Całkiem niedawno nasz dział, korzystając z technologii DMLS, tworzył krzyżakowe śrubokręty, a także elementy budujące karoserię współczesnych samochodów. Priorytetem było maksymalne odchudzenie konstrukcji, która docelowo będzie odlewana lub tłoczona – w zależności od aplikacji. Nie mogę wyjawić szczegółów, gdyż współpracujemy często z dużymi i znanymi firmami, a na podstawie podpisanych umów obowiązuje nas zasada zachowania poufności. W naszej branży, jeśli mówimy o usługach projektowych i inżynieryjnych, regułą jest posługiwanie się unikalnymi kodami w transferze plików z modelami 3D. Wszystko odbywa się więc z zachowaniem maksymalnego bezpieczeństwa przesyłu informacji.
Istnieje szereg podzespołów w pojazdach, które wykonywane są w technologiach przyrostowych i działają jako elementy finalne – co innego, że firmy rzadko chcą chwalić się wdrożeniem druku 3D. Jeżeli sam materiał bazowy wydruku sprawdza się w projekcie, klienci coraz częściej rezygnują z długiego czasu oczekiwania na formę wtryskową.
Jakkolwiek nowe zdobycze – pomimo niewątpliwych zalet, trudno dziś postrzegać jako zagrożenie dla tradycyjnych metod produkcyjnych, to stanowić mogą sposób ich udoskonalania.
- Nowe i tradycyjne podejście może się świetnie uzupełniać, a koronnym tego dowodem jest poprawianie formy wtryskowej. Dzięki wykonaniu tzw. wkładek komformalnych (kanalików chłodzących) w technologii DMLS usprawniliśmy diametralnie proces chłodzenia – szybciej, więc wydajniej przebiega teraz proces odlewania pewnych elementów. Formę wykonaliśmy oczywiście ze stali narzędziowej, a nowa jakość kopyta przyspieszyła produkcję masową. Taka informacja na pewno zainteresuje przemysł motoryzacyjny, a zwłaszcza aktorów aftermarketu! – dodaje Łukasz Zatorski.
Zwróćmy uwagę, że najnowsze technologie przyrostowe gwarantują uzyskanie elementów o różnorakiej odporności powierzchni na czynniki zewnętrzne, w tym na paliwa, płyny, gazy. Nic więc nie stoi na przeszkodzie, by w ten sposób wykonać prototypowe przewody paliwowe czy przewody do klimatyzacji. Nawet łączenie dwóch materiałów (np. elastycznego i sztywnego) w jednym elemencie funkcjonalnym nie stanowi problemu.
Uzupełnieniem powyższych metod jest skanowanie 3D, czyli metodą szeroko stosowaną w tzw. inżynierii odwrotnej przy odtwarzaniu już istniejących przedmiotów. Proces ten oparty jest na metodach optoelektronicznych. Skanery 3D wykorzystują w zależności od technologii różne rodzaje światła (światło laserowe, światło strukturalne) do odwzorowania współrzędnych punktów, które składają się na bryłę 3D skanowanego elementu. Metody te charakteryzują się wysoką dokładnością odwzorowania. Pozwalają na bardzo szybkie odtworzenie kształtu danego przedmiotu i zapisanie go w formie cyfrowego modelu, co w połączeniu z nowoczesnymi metodami obróbki materiałów znacznie skraca czas naprawy lub wykonania części zamiennej.
Zaginęła dokumentacja, a krzywizny (np. promień błotnika nie był faktycznym promieniem) wypada zachować według niedoskonałych wzorców podczas pieczołowitej odbudowy? I tu pomocne okazują się zdobycze inżynierii odwrotnej. Można od podstaw odtworzyć elementy. Przykładem zastosowania może być naprawa oldtimerów, do których nie są produkowane już części zamienne. W przypadku, gdy istnieje potrzeba odtworzenia któregoś z elementów (np. uszkodzenie jednego lusterka), można zeskanować część symetryczną (drugie lusterko) i na tej podstawie przy użyciu oprogramowania CAD/CAM odtworzyć brakujący element oraz wykonać go, stosując szybkie metody wytwarzania (obróbka CNC, Rapid Prototyping). To nie wszystko. Dzięki kolorowej mapie odchyłek można dokonać miarodajnej inspekcji formy wtryskowej, która przez lata użytkowania narażona była na degradację i dziś wątpliwe jest, by trzymała żądane wymiary.

Rafał Dobrowolski
Fot. Materialise, Nexteer, Opel