3D fémnyomtatás - a jövő gyártástechnológiája – 1. rész

3D fémnyomtatás - a jövő gyártástechnológiája – 1. rész

Sokan a 3D fémnyomtatást az ipari gyártástechnológiák következő generációjának, a következő nagy ipari robbanás egyik alapvető eszközének látják. Az utóbbi két évben a fémnyomtatás területén szokatlan mértékű innovációs gyorsulás volt tapasztalható – részben bizonyos szabadalmak feloldása, részben pedig a technológiát övező megnövekedett várakozások miatt. A fémnyomtatás felhasználása a 3D tervezéssel karöltve már eddig is jelentős a prototípus előállításban és szinte bevett gyakorlat olyan különösen nagy technológiai igényű, alacsony vagy egyedi gyártási darabokat használó gyártási területeken, mint a gyógyászat, repülőgépgyártás, űrtechnológia, Forma1.

A 3D nyomtatás erőssége, hogy organikus vagy rendkívül bonyolult mértani alakzatok tervezését, gyártását teszi lehetővé, illetve pontosabbá, olcsóbbá és gyorsabbá teheti a gyártás előkészítési folyamatokat. A fémnyomtatás ehhez az agyagválasztás lehetőségeinek kiszélesítésével járul hozzá, vagyis lehetővé teszi kész, beépíthető végtermék előállítását olyan területeken ahol eddig a hagyományos, jellemzően ún. szubsztraktív gyártástechnológiákra voltunk utalva.

A 3D nyomtatás fejlődése együtt zajlik az anyagkísérletekkel és nyomtatható anyagok keresésével, alkalmazhatóságuk bővítésével. Könnyen belátható, hogy a gyakorlati alkalmazás szempontjából a kinyomtatható tárgyak anyaga az egyik legmeghatározóbb kérdés, amely után a minőség és a sebesség növelése a soron következő lépés. A különféle eljárások adaptálása a különböző anyagokhoz főleg ezeknek a törekvéseknek köszönhető. Mára nagyjából kialakulni látszik, hogy az egyes eljárások és anyagok milyen területeken terjednek el leginkább akár anyagi, akár alkalmazhatósági megfontolások mentén. A legnagyobb elvárások és fejlesztések az utóbbi időben a fémnyomtatás területén voltak, mivel az ipari implementáció elterjedését főleg ettől várja a legtöbb szakember.

Ahogy az iparban egyre több fémelemet készítenek additív gyártás segítségével, a technológia elterjedése és alkalmazása további lökést ad a fejlesztéseknek. Ennek az eredménye, hogy egyre csökken mind a 3D-nyomtatók, mind az egyes elkészített egységek költsége. A különféle piaci előrejelzések mind gyorsuló fejlődési pályát írnak le; egyes vélemények szerint 2025-ig 35 százalékos növekedés valósulhat meg a gyártásban való részesedés arányát tekintve az iparban, ahol a fémnyomtatás és egyáltalán a 3D nyomtatás alkalmazása a prototípus előállításból egyre inkább a kész alkatrészek gyártása felé tolódik el. A technológia a termékfejlesztésben is hatalmas lehetőséget jelent önmagában. Akár a növény- és állatvilág nagyon bonyolult szerves szerkezeteit is le lehet másolni a segítségével (például a madarak csontozatának belső támasztó struktúráit) és így újszerű, könnyű, mégis nagyon robusztus konstrukciók megalkotása válik lehetővé.

Még egyelőre nem tartunk ott, hogy a tömegtermelésre szakosodott gyártósorokat 3D nyomtatóval ki lehetne váltani, de egyre közeledik ennek az ideje. Az előnyök egyértelműek: az eljárás lehetővé teszi a teljesen új, akár nagyon bonyolult formájú elemek legyártását is, amelyekre a hagyományos fémfeldolgozás műszaki vagy gazdasági szempontból nem lenne képes. Ráadásul egy-egy termék sokkal kevesebb anyagból, alkatrészből állhat, így kisebb erőfeszítésekkel készülhet el. Az összeszerelés folyamata lecsökkenne, vagy egyes részegységeknél nem is lenne rá szükség, lerövidülnének vagy egyenesen megszűnnének a beszállítói útvonalak, kikerülhető lenne a vám, csökkenne a logisztika, a raktározási költségek és nem utolsó sorban az élő munkaerő igénye. Kisebb de hatékonyabb és integráltabb üzemek alakulnak ki. Ezek az ígéretek vezettek oda, hogy sok szakember az Industry 4.0 alapvető motorjaként tekint a 3D gyártási technológiák tömeges alkalmazásának elterjedésére. Ha az ipari szereplők komolyan elkezdik beépíteni a módszert a gyártási folyamataikba, a fejlesztések minden eddiginél jobban fel fognak gyorsulni és a fajlagos költségek meredek csökkenésnek indulnak – akár a gépek, akár a nyomatok szintjén. Ez már középtávon „leszivárog” várhatóan először a kisebb gyártási kapacitást igénylő, kevesebb tőkével rendelkező szektorokba (kisüzemek, kereskedelem) és végül a közvetlen lakossági fogyasztók szintjére (otthoni felhasználók).

Képzeljünk el egy olyan világot, ahol az autó vagy munkagép alkatrész kereskedések csak fő elemeket rendelnek, különböző kisebb alkatrészekhez pedig mindössze a gyártási adatokat, paramétereket tartalmazó fájlokat kapják meg, aminek a segítségével a velük szerződésben álló, vagy épp általuk üzemeltetett műhely (fab-lab) néhány óra alatt legyártja azokat. Nincs szállítási költség, nincs vám és nincs olyan, hogy várni kell, mert az adott alkatrész hiánycikk vagy már nem gyártják. És ez csak egyetlen piaci szegmensre vonatkozó példa.

Nem minden műhely fog, vagy lesz képes 3D-fémnyomtatót vásárolni, ezért várhatóan új üzleti modellek alakulnak ki. Létrejöhetnek kifejezetten alkatrészek kinyomtatására szakosodott vállalkozások és beszállítók, a már terjedőben lévő úgynevezett „fab-lab”-ek pedig minden nagyobb településen megjelenhetnek. A gyártás, az értékteremtés helyben lesz lehetséges és 3D-nyomtatással mind nagyobb mennyiségek, mind az egyedi megrendelések teljesíthetők lesznek. A folyamatból elsősorban a jól képzett munkaerővel és nagy belföldi kereslettel rendelkező országok profitálhatnak majd.

Hol tartunk most? Érdekes példák az iparból:

A General Electric egy sugárhajtómű 20 részegységből álló összetett alkatrészét (üzemagyag befecskendező fúvóka) egyetlen komponenssé tudta összeolvasztani, amelyet 3D nyomtatással állítanak elő, hetente 600 darabot. Az ilyen megoldások révén 25 százalékkal csökkent az új hajtóművek súlya, az élettartamuk viszont az ötszörösére nőtt.

The Devil Is In The Details: How GE Found A Way To Bring 3D Printing To Mass Production

Femnyomtatas1

A Siemens mérnökeinek eddig 44 hétre volt szükségük ahhoz, hogy egy erőműben kijavítsanak egy kopott égőt. Mostanra ez az idő 4 hétre csökkent. A tartalékrészek legyártása helyett ugyanis az égőfejekről leszednek 11 mm réteget, majd 3D-fémnyomtatással ismét felviszik a lekopott részeket. Az új technológia lehetővé teszi azt is, hogy a régi égőket a legújabb generációs megoldásokra fejlesszék fel. Az üzemeltetők így sokkal gyorsabban ismét üzembe helyezhetik az erőművet, azaz a Siemens előnybe kerül a versenytársaival szemben, akik nem rendelkeznek ilyen ajánlattal. 

Fast, efficient, flexible: Additive Manufacturing (3D-printing) in the energy sector

Femnyomtatas2

A súlycsökkenés komoly költségmegtakarítást eredményez. A Domin Fluid Power nevű angol gyártó úgy számolja, hogy egyetlen kilogramm súly megtakarításával a Forma-1-ben 120 000 dollár, az űrhajózásban több mint 25 000 dollár, a repülőgépeknél 1200 - 13 000 dollár közötti, míg az autógyártásban 20 és 600 dollár közötti összeg spórolható meg.

Domin - Fluid Power

Az Airbus A380-ban alkalmazott, 3D-nyomtatással gyártott övcsatok 45 százalékkal kisebb súlyúak, mint a hagyományos modellek. Emiatt egy A380 a teljes élettartama során akár 2 millió euró értékű kerozint is meg tud takarítani, ami környezetvédelmi szempontból sem elhanyagolható. 

New Data Shows That 3D Printed Components Could Cut Aircraft Weight By 7 Percent

Femnyomtatas3

A Caterpillar és a John Deere az IoT-t éa felhőalapú gyártás nevű eljárásokat tanulmányozza. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy a traktorokhoz vagy a markolókhoz szánt tartalékalkatrészekkel kapcsolatos adatokat egy külön rendszerben tárolják, amelyhez világszerte minden érintett hozzáférhet. Amennyiben a disztribútornak vagy egy műhelynek szüksége van egy alkatrészre, akkor elegendő az adatokat letölteni, majd az adott komponens legyártható vagy egyenesen kinyomtatható. Így megszűnnek a magas tárolási és szállítási költségek, valamint a vámok, ezáltal a pótalkatrészek gyorsabban és olcsóbban elérhetővé válnak. Mindez még csak terv, de jól látszik, hogy az innovatív gyártók milyen irányokban indulnak el.

Caterpillar is embracing the IoT to improve productivity

További érdekességek: 

9 examples of manufacturers making IIoT work for them

A következő részben a ma rendelkezésre álló, 3D fémnyomtatási eljárásokról ejtünk pár szót.

Szabó Gábor

Pécs, 2019. szeptember 11.