Technologie przyrostowe – jak druk 3D rewolucjonizuje produkcję

Technologie przyrostowe to metody produkcji przedmiotów na podstawie cyfrowego modelu, bez użycia formy. Te powiązane z drukiem 3D technologie dzięki nadzwyczajnej wydajności i redukcji kosztów wytwarzania rewolucjonizują już procesy produkcyjne. 

W niniejszym artykule wyjaśnimy, na czym polega wytwarzanie przyrostowe, w jaki sposób pozwala usprawnić łańcuch produkcji, a przede wszystkim – jaką odgrywa rolę w logistyce 4.0. 

Czym są technologie przyrostowe

Wytwarzanie przyrostowe to metoda produkcji wykorzystująca projektowanie wspomagane komputerowo (CAD) oraz skanery 3D. Pozwala wytwarzać przedmioty poprzez nakładanie kolejnych warstw materiału, najczęściej metalu lub tworzywa sztucznego. 

W przeciwieństwie do tradycyjnych procesów wytwarzania (obróbki ubytkowej), w technologii tej nie usuwa się nadmiarowego materiału. Wytwarzanie przyrostowe w produkcji seryjnej pozwala zredukować koszty i wyeliminować błędy, zapewniając przy tym większą sprawność i precyzję.

Metoda ta zyskuje coraz większą popularność w zastosowaniach wymagających szczególnej dokładności oraz personalizacji wytwarzanych produktów. Przy jej użyciu produkuje się m.in. implanty i narzędzia chirurgiczne oraz elementy i podzespoły do samolotów.

Choć zwykle kojarzona jest z drukiem 3D, nie jest z nim w stu procentach tożsama. Wytwarzanie przyrostowe wykorzystuje się do produkcji złożonych i trwałych podzespołów na skalę przemysłową, m.in. przy użyciu metalu, podczas gdy druk 3D to szczególna odmiana tej technologii, która pozwala wytwarzać niewielkie partie przedmiotów nawet w warunkach domowych.

Metody technologii przyrostowych

Technologie przyrostowe cały czas się rozwijają. Omówmy pokrótce podstawowe metody:

• Stereolitografia (SLA) – to najwcześniejsza technika wytwarzania przyrostowego. Przedmioty wytwarza się z płynnej żywicy utwardzanej światłem ultrafioletowym. 
• Selektywne spiekanie laserowe (SLS) – metoda opracowana pod koniec lat 80. na Uniwersytecie w Austin w USA. Przedmioty wytwarza się z proszku punktowo utwardzanego laserem. 
• Osadzanie topionego materiału (FDM) – system opatentowany pod nazwą FDM zyskał sporą popularność dzięki ekonomii i prostocie użytkowania. 
• Binder Jetting – natryskiwanie ciekłego spoiwa, które następnie się zestala. 
• PolyJet lub Material Jetting – laserowe utrwalanie sproszkowanego metalu. Ta metoda służy do wytwarzania prototypów i wyrobów gotowych do użytku.

W powyższych metodach wykorzystuje się zwykle metal lub tworzywa sztuczne, ale wciąż trwają eksperymenty z innymi materiałami, w tym również z żywnością.

Co jest potrzebne do wytwarzania przyrostowego? 

Do produkcji w tej technologii niezbędna jest stacja robocza umożliwiająca projektowanie nowych przedmiotów. Ponadto konieczne jest: 

Oprogramowanie do modelowania 3D, czyli aplikacja CAD. 

Urządzenie do wytwarzania przyrostowego, np. drukarka 3D.

Zasobnik surowców niezbędnych do seryjnej produkcji. Najczęściej jest to metal lub tworzywo sztuczne, które maszyna nakłada w kolejnych warstwach. 

Na czym polega technologia przyrostowa? 

Cały proces składa się z pięciu podstawowych etapów:

1. Opracowanie modelu 3D przedmiotu, który chcemy uzyskać. W tym celu stacja robocza musi być wyposażona w komputer i oprogramowanie CAD.

2. Przetworzenie otrzymanego pliku na format opisujący poszczególne warstwy. Najczęściej spotykany to STL (Standard Triangle Language). 

3. Przesłanie pliku wynikowego do drukarki 3D lub innego urządzenia. 

4. Seryjne drukowanie warstwowe produktów w liczbie określonej na stacji roboczej. 

5. Zdjęcie schłodzonych przedmiotów z linii produkcyjnej i przeniesienie ich do magazynu lub bezpośrednio do strefy wysyłek. 

Warto podkreślić, że niemal natychmiast po zaprojektowaniu przedmiotu w programie CAD można go szybko i sprawnie wdrożyć do seryjnej produkcji. 

Zalety (i wady) technologii przyrostowych

Wytwarzanie przyrostowe to innowacyjna technologia o wielu zaletach:

• Precyzja projektowania i produkcji – modelowanie 3D pozwala uniknąć wielu błędów na późniejszych etapach produkcji.
• Elastyczność, prostota i wszechstronność – do produkcji wymagany jest jedynie komputer, oprogramowanie i urządzenie do wytwarzania przyrostowego, dzięki czemu niewielkie linie produkcyjne można zainstalować nawet w magazynie. 
• Redukcja kosztów logistycznych i produkcyjnych – podzespoły i gotowe produkty wytwarza się z proszku metalowego lub tworzywa, co pozwala wyeliminować szkodliwy dla środowiska transport między zakładem produkcyjnym a centrum logistycznym. 
• Możliwość personalizacji wyrobów – każdy projekt można dostosować do indywidualnych wymagań klienta, co przekłada się na wyższy poziom obsługi i lepszy wizerunek firmy. 

Biorąc pod uwagę rosnącą popularność przemysłu 4.0. i dystrybucji omnichannel, która wymaga sprawnej obsługi ogromnej liczby zamówień w jak najkrótszym czasie, wytwarzanie przyrostowe to doskonała metoda produkcji w systemie just in time (JIT), zgodnie z indywidualnymi wymaganiami klienta i bez konieczności utrzymywania dużych zapasów magazynowych. Technologia przyrostowa ma też jednak pewne wady, o których należy wspomnieć: 

• Wysoki koszt początkowy – wdrożenie tej technologii produkcji wymaga sporych nakładów inwestycyjnych, z uwagi na wysokie koszty urządzeń drukujących. 
• Ograniczony zasób materiałów – obecnie w produkcji seryjnej wykorzystuje się tylko metale i tworzywa sztuczne. 
• Porowata powierzchnia – elementy wytworzone przy użyciu najpopularniejszych metod mają trudno dostrzegalne gołym okiem pory, które mogą negatywnie wpływać na właściwości użytkowe. 

Zastosowanie technologii przyrostowych w magazynie

Technologie te pozwalają znacząco ograniczyć koszty operacyjne, poprawić wydajność logistyki produkcji i uzyskać o wiele lepszą jakość wyrobów gotowych, dlatego z roku na rok przybywa firm korzystających w procesie produkcji z wytwarzania przyrostowego.

Wielu przedsiębiorców decyduje się na wdrożenie tego rodzaju rozwiązań ze względu na możliwość cyfrowego projektowania i łatwej personalizacji produktów. Technologie przyrostowe sprawdzają się zarówno w produkcji seryjnej, jak i przy niewielkiej liczbie sztuk na specjalne zamówienie klienta. 

Stąd popularność tych technologii w branży medycznej i lotniczej. Wytrzymałość tworzyw sztucznych i metali oraz wysoki poziom higieny procesu produkcji zapewniają najwyższą jakość gotowych wyrobów. 

Również branża motoryzacyjna szeroko korzysta z metod produkcji 3D. Na przykład specjaliści z zespołu McLarena w Formule 1 instalują w bolidach części wykonane na drukarkach 3D.

Wytwarzanie przyrostowe jako sposób na poprawę wydajności produkcji

Choć jak dotychczas najpopularniejszą metodą technologii przyrostowych w przemyśle jest druk 3D, to inne, wciąż debiutujące rozwiązania mają szansę trwale odmienić wszystkie aspekty produkcji. Skorzysta na tym również branża logistyczna. Najważniejsze zalety omawianej technologii:

• Obniżenie kosztów produkcji.
• Ograniczenie zapasów magazynowych.
• Możliwość łatwej personalizacji wyrobów. 

Do tego należy dodać, że wdrożenie nie wymaga wielu narzędzi. Wystarczy komputer, oprogramowanie do projektowania i odpowiednie urządzenie do wytwarzania przyrostowego. Dzięki temu niewielkie linie produkcyjne oparte na technologiach przyrostowych można zainstalować nawet w magazynie.