Rozhovor: Materiály, které posouvají možnosti aditivní výroby
Trh kovových materiálů pro aditivní výrobu vykazuje stabilní růst, který úzce souvisí s rostoucí poptávkou. Nejvíce používané jsou niklové a titanové slitiny, které jsou klíčové pro aplikace v letectví a obranném sektoru. Titan zůstává materiálem s významnou komerční hodnotou a jeho cena v práškové formě se pohybuje kolem 100 až 200 eur za kilogram podle granulometrie. Stále větší pozornost směřuje také k udržitelnosti, recyklaci kovových prášků a optimalizaci dodavatelských řetězců, které jsou zásadní pro dlouhodobou stabilitu odvětví.
Podobný růst je patrný i u polymerních materiálů. Jejich spotřeba dosáhla téměř 20 000 tun a očekává se nárůst na přibližně 30 000 tun do roku 2029. PA12 zůstává nejpoužívanějším materiálem, avšak rychle roste poptávka po TPU s odhadovaným růstem kolem 18 procent ročně. Široké rozšíření mají také filamenty, například ABS, PA6, PP, PLA a PETG, přičemž jejich spotřeba má do roku 2029 také vzrůst. U pryskyřic se navzdory jejich široké nabídce trh vyvíjí pomaleji a uživatelé často čelí složité orientaci v množství dostupných variant.
Vývoj materiálů je doprovázen rostoucí efektivitou aditivních technologií a softwaru, které umožňují lépe pracovat s materiálem, minimalizovat odpad a optimalizovat konstrukce.
O současných možnostech i směrech dalšího vývoje materiálů pro aditivní výrobu hovoří R&D manažer Brain4Industry Marek Havel, v rozhovoru s Adelaine Rozinkovou, PR a marketingovou specialistkou.
Současné materiály používané v aditivní výrobě
Z jakých zajímavých materiálů se dnes dá tisknout?
To je velmi široká otázka. Různé materiály budou připadat zajímavé různým lidem podle toho, k čemu je používají.
U FDM technologií jsou atraktivní filamenty s plnivy. Existují materiály s dřevěnými částicemi nebo kompozity vyztužené vlákny, které jsou velmi pevné a tuhé.
U SLA a dalších resinových technologií je velkým trendem vývoj elastických pryskyřic, využívaných například pro cyklistická sedla, ochranné prvky nebo funkční komponenty. U SLA i dalších technologií se sleduje také trend recyklovatelnosti materiálů.
U SLS se například objevují recyklovaná uhlíková vlákna. Ta jsou nasekaná na velmi krátké délky, takže je lze v materiálu snadno použít, a přitom nejsou výrazně dražší než nerecyklovaná.
U SLM technologií jsou velmi zajímavé obtížně obrobitelné kovy, jako titan, wolfram nebo slitiny typu Inconel. Pokud je technologie dokáže zpracovat, představuje to velkou výhodu. Titanový díl může být při tisku zhruba dvakrát dražší než hliníkový, zatímco při obrábění může být rozdíl výrazně větší. Výroba titanových dílů pomocí 3D tisku tak může být ekonomicky velmi zajímavá.
Významnou oblastí jsou biokompatibilní materiály používané ve zdravotnictví, například titan nebo kobalt-chromové slitiny.
Zajímavým směrem je také tisk mědi. Vyžaduje zelený laser a zatím se nachází ve fázi rané komercializace, ale má velký potenciál například pro 3D tištěné cívky elektromotorů s vyšší účinností.
Existují ještě nějaké další materiály, které stojí za zmínku?
Ano, například keramika. Ta je dnes poměrně běžná a existují pro ni velmi zajímavé aplikace. Představte si materiál podobný keramickým nožům, i takové výrobky lze tisknout.
Používají se technologie podobné SLA tisku. Materiál má formu pryskyřice s vysokým obsahem keramické složky a následně se vytvrzuje UV světlem
Mechanické vlastnosti dílů vyrobených aditivní výrobou
Jak pevné jsou díly vyrobené aditivní výrobou ve srovnání s komponenty vyráběnými tradičními výrobními metodami?
U kovových dílů jsou mechanické vlastnosti srovnatelné s odlitky a v některých případech mohou být i lepší.
U plastů bývají vlastnosti většinou o něco horší než u vstřikovaných dílů. Je to dáno především vrstvením materiálu a anizotropií struktury. Na druhou stranu lze použít vyšší třídu materiálu, nebo provést konstrukční úpravy, které výsledné vlastnosti zlepší.
Celkově tedy nejde jen o samotnou technologii, ale o kombinaci materiálu, návrhu dílu a jeho optimalizaci pro daný způsob výroby.
Multifunkční struktury a vývoj multimateriálového tisku
V poslední době se mluví o obrovském potenciálu softwaru pro generování výplňových struktur a simulaci jejich vlastností, tedy o možnosti tisknout jeden díl z jednoho materiálu, ale s různými vlastnostmi podle struktury. Můžete to rozvést?
Má to obrovský potenciál. Ten ale neleží ani tak v samotné tiskárně, jako spíše v softwaru. Tiskárna, ať už FDM, SLA nebo SLS, proměnlivou strukturu bez problému vytiskne. Skutečnou výzvou je strukturu navrhnout a namodelovat.
Bez nástrojů podobných pokročilým CAD systémům je to velmi obtížné. V programech jako Blender to sice možné je, ale většina současných softwarových nástrojů zatím zdaleka nevyužívá plný potenciál těchto možností. Probíhá překotný vývoj softwarových produktů, které využití plného potenciálu komplikovaných struktur umožní a zároveň bude snadné je používat.
Možnosti využití jsou přitom velmi zajímavé. Představte si například sedla na kola, nebo vložky do bot s rozdílnými vlastnostmi podle zatížení, nebo křídla dronu vytištěná v jednom kuse, která obsahují plochy schopné pohybu či deformace podle potřeby.
Kam se podle vás oblast multimateriálového tisku a chytrých struktur posouvá?
Dnes jsou multimateriálové přístupy méně závislé na samotné tiskárně a více na tom, jak se struktura navrhne a využije. Vnímám velký potenciál dalšího zlepšení, protože současný stav stále neodpovídá tomu, co si dokážeme představit do budoucna.
Existují tiskárny navržené přímo pro multimateriálový tisk. Typicky jde o FDM zařízení se dvěma tiskovými hlavami. Další variantou je Material Jetting (MJ) fungující podobně jako inkoustová tiskárna, kde tisková hlava nanáší drobné kapky materiálu. V těchto systémech lze používat dva materiály současně, a dokonce je kombinovat. Pokud máte například tvrdý materiál a velmi měkkou gumu, můžete je nanášet v určitém poměru nebo kapku vedle kapky a získat materiál s vlastnostmi mezi oběma. Lze tak vytvářet širokou škálu vlastností a plynulé přechody mezi nimi.
Takové tiskárny existují, ale osobně už zde nevnímám velký prostor pro zásadní zlepšení. Technologie je dostupná, je však dražší než běžná varianta a ekonomicky se vyplatí pouze pro konkrétní aplikace.
Poslední zajímavá technologie na multimateriálový tisk je SLM zařízení pracující se dvěma materiály. Například kombinace ocelí a mědí umožňuje vytisknout elektromotor v jednom kuse, který by pak stačilo osadit ložisky a zapojit do obvodu.
Problém spočívá v tom, že se prášky během procesu mísí. Následné oddělení a vyčištění směsi, například nerezové oceli a mědi, není jednoduché. To, co jsem viděl, bylo zatím čistě experimentální. Pro komerční nasazení by bylo nutné tento proces vyřešit jak ekonomicky, tak technologicky.
Co z toho plyne pro průmysl
Rozsah materiálů pro aditivní výrobu se rychle rozšiřuje od kompozitních polymerů přes biokompatibilní kovy až po keramiku či experimentální měděné aplikace. Skutečný potenciál však neleží jen v materiálech samotných, ale v jejich kombinaci s chytrým návrhem, simulacemi a optimalizací struktur.
Brain4Industry pomáhá firmám tyto možnosti převádět do konkrétních řešení od výběru materiálů a testování až po návrh konstrukce a zavedení do výroby.
Pokud zvažujete využití aditivní technologie pro inovaci produktu, snížení hmotnosti, nebo optimalizaci nákladů, odborníci z Brain4Industry vám pomohou najít nejefektivnější řešení.
