Aditivní technologie Zpráva o stavu 3D tisku pro Českou technologickou platformu STROJÍTENSTVÍ, o.s. Josef Hodek
Číslo zakázky
ZAK1301052
Číslo zprávy
1
Odpovědný pracovník
Josef Hodek
Počet stran
25
Datum
21. 06. 2013
Počet příloh
0
AditivníTisk_pdf_draft
Aditivní technologie Zpráva o stavu 3D STROJÍTENSTVÍ, o.s.
tisku
pro
Českou
technologickou
Josef Hodek
Vypracoval
Josef Hodek
Podpis Datum
Schválil Podpis
21. 06. 2013
Datum
21. 06. 2013
platformu
Obsah Úvod
4
1
Historie AM
6
2
Současný stav aditivních technologií ve světě [2]
7
3
Přehled aditivních technologií
8
3.1 3.2
Stereolitografie Selective Laser Sintering
3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4
3.3 3.4
4
Laser Sintering – Plastic Laser Sintering – Metal Laser Sintering - Foundry Sand Laser Sintering – Ceramic
10 10 11 11
Fused Deposition Modelling Laminated Manufacturing
12 13
Možnosti a vize využití aditivních technologií 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5
Kosmický výzkum Zbraně Potraviny Zdravotnictví Dopravní prostředky
4.5.1 4.5.2 4.5.3
4.6 4.7
8 9
14 14 15 15 16 17
Letadla Lodě Automobily
17 18 18
Móda a design Architektura
19 20
5
Využití aditivních technologií ve strojírenství
21
6
Institucionální podpora aditivních technologií
22
7
Významní výrobci a poskytovatelé aditivních technologií23
8
Reference
24
3/25
Úvod Aditivní modelování (3D print, additive manufacturing) je proces, který vytváří trojrozměrné objekty tak, že postupně skládá vrstvu po vrstvě určitého materiálu a tím vytváří rozličné finální tvary podle CAD předlohy. Nevzniká tím žádný odpad jako při konvenční výrobě. Tento proces je podobný tisku na inkoustových, nebo laserových tiskárnách (proto tisk) s tím rozdílem, že tiskne prostorové objekty. Objekt vytvořený z vrstev konečné tloušťky je pouze aproximace originálu. Čím tenčí bude použitá tloušťka vrstvy, tím bude tvar vyrobeného objektu blíže k originálu. Na Obr. 1 je vidět vliv šířky vrstvy na tvar vyrobeného objektu.
Obr. 1 CAD originál a vliv rozdílné šířky vrstvy na tvar vyrobeného objektu Všechny komerční přístroje aditivních technologií používají princip vrstvení materiálu. Liší se ve způsobu, jakým jsou vrstvy tvořeny a jak jsou vrstvy vzájemně spojeny. Různé technologie pak generují různé přesnosti vyrobeného objektu, mechanické vlastnosti, cena a jak rychle je výroba provedena. Aditivní modelování (AM) se využívá v široké řadě aplikací, která se neustále rozrůstá. Nejvíce bylo používáno pro tzv. „Rapid prototyping“ (RP) což je výroba prototypů pomocí 3D tisku. Tyto prototypy jsou většinou nevhodné k většímu zatížení a slouží většinou k představě o vzhledu a zástavbě do stroje či k menšímu zatížení. AM má však širší rámec než je realizace modelů. Termín RP byl dříve používán jako synonymum AM. AM však má možnosti daleko za rámec tvorby prototypů, proto se postupně místo dříve používaného termínu RP používá obecnější termín AM. Proces AM obsahuje řadu kroků od virtuálního CAD modelu k fyzickému objektu. Na Chyba! Nenalezen zdroj odkazů. je vizualizace tohoto procesu.
4/25
Obr. 2 Proces výroby pomocí AM 1
CAD Všechny části jsou popsány modelem, který plně popisuje povrch modelovaných objektů. Tento požadavek splňuje pravděpodobně jakýkoliv profesionální CAD software, ale i celá řada volně dostupných programů.
2
Konverze STL Téměř všechna AM zařízení umí pracovat s STL formátem vstupních souborů, který se stal pro AM standardem. Každý CAD software umí generovat takový výstupní formát souborů. STL soubory popisují uzavřené plochy originálního CAD modelu.
3
Import STL do AM zařízení STL soubory jsou nahrány do AM zařízení a je možnost jednoduchých úprav jako je velikost a orientace při tisku.
4
Nastavení zařízení AM Nastavení procesu tisku (teploty, množství materiálu, rychlosti, časování, atd.)
5
Tisk objektu Automatický proces, který většinou probíhá samostatně bez obsluhy.
6
Odstranění objektu Po tisku musí být vytištěný objekt ze zařízení AM
7
Postprocessing Vytištěný objekt je nutné většinou upravit, odstranit přebytečný materiál a odstranit podpory pokud byly využity.
8
Použití Vytištěný objekt je připravený pro použití
5/25
1
Historie AM
Jako vnik AM lze pokládat vytvoření inkoustové tiskárny v roce 1976. V roce 1984 byl koncept úpravami a vylepšeními upraven pro tisk s jinými materiály než inkoust. První funkční zařízení AM bylo vytvořeno Chuckem Hullem z 3D Systems Corp [1]. V následující testu jsou vyznačeny hlavní milníky technologie AM.
1984
1990 Společnost 3D Systems vyrábí první AM zařízení. Zařízení pracuje s fotopolymery vytvrzované UV laserem. Ačkoliv výsledné objekty nejsou dokonalé, zařízení dokáže vyrábět složité tvary v krátké době
1999
2000 Vědci dokázali vyrobit miniaturní ledvinu, která byla schopná filtrovat krev a produkovat moč ve zvířeti.
2005 Dr. Adrian Bowyer z univerzity v Bath založil RepRap – open source projekt AM zařízení, který má za cíl replikovat samo sebe vytvořením většiny použitých součástí. Vize tohoto projektu je levná distribuce RepRap zařízeních komukoliv kamkoliv.
2006
2006 Bylo vytvořeno AM zařízení, které bylo schopné zároveň pracovat s více materiály, tj. vyrobená součást může být tvořena z materiálů o různých vlastnostech a hustotách.
2008 První samoreplikující se AM zařízení. Výsledek aktivit projektu RepRap, který umožnil uživatelům, kteří už vlastnili AM zařízení vyrobit další.
2008
2009 Společnost MarkerBot Industries uvedla na trh kit, který umožnil vyrobit další AM zařízení a jiné součásti
2009
2011 Inženýři z univerzity v Southamptonu navrhli a vyrobili první letadlo vyrobené pomocí AM.
2011 První automobil kde bylo ve větší míře použito AM. Jedná se o lehké vozidlo se třemi koly a s tvarem slzy, které váží cca 500kg. Motor, šasi a kola jsou vyrobené s tradičních materiálů, ale většina automobilu je vytvořena vrstva po vrstvě z plastu ABS.
2011 Tisk ze zlata a stříbra. Společnost i.materialise začala nabízet jako první možnost tisku ze zlata a stříbra. Pravděpodobně se tím otevírají nové možnosti v oblasti šperkařství.
2012 Použití AM technologie k vytvoření kosti spodní čelisti a implantování pacientovi.
Vznik 3D tisku, vytvoření prvního funkčního zařízení na principu stereolitografie
První transplantace orgánu (močového měchýře), při které bylo využito AM.
První AM zařízení na principu Selective laser sintering.
První osoba používá protézu nohy kompletně vyrobenou pomocí AM zařízení
Společnost Organovo využila AM technologii k vytvoření první cévy
6/25
2 Současný stav aditivních technologií ve světě [2] V celém světě dochází k obrovskému rozvoji aditivních technologií v celé řadě oborů. Téměř každý den se objevuje v médiích nějaká zpráva o dalším pokroku na tomto poli. Trh aditivních technologií obsahující všechny produkty a služby na celém světě vzrostl o 29,4% ($1,714 mld) v roce 2011, 24,1% ($1,325 mld) v roce 2010 a klesal o 9,8% v roce 2009 v důsledku hospodářské recese. Celkově průmysl AM vzrostl dvouciferně za 15let od vzniku technologie. Dochází k velkému růstu v oblasti low-cost osobních zařízeních. Tyto produkty jsou obvykle prodávány za ceny mezi $1000-$2000 a jsou prodávány ve formě kitů. Většina těchto osobních zařízení je odvozena od projektu RepRap. Různé odnože projektu RepRap jsou na internetu prezentovány jako open hardware technologie, kde veškerá data ke stavbě jsou volně k dispozici a zájemce si může aditivní zařízení postavit sám. Profesionální průmyslová zařízení jsou prodávána za ceny $5000 a více. Prodej těchto zařízení vzrostl odhadem o 5,4% v roce 2011 (6494 prodaných jednotek). Pro srovnání v roce 2010 bylo prodáno 6164 jednotek. Prodej osobních aditivních zařízení vzrostl o 289% s 23265 jednotek v roce 2011. Osobní aditivní zařízení však představují pouze $26,1mil z celkové sumy prodeje AM v roce 2011. Pokud osobní AM zařízení bude pokračovat i nadále v růstu stane se také velmi zajímavým segmentem pro investory. Odhaduje se, že 26,3% všech průmyslových AM zařízení je v oblasti Asie, 29,1% v Evropě a 40,2% v Severní Americe. Zbytek 4,4% je ve zbytku světa (střední a jižní Amerika, blízký východ a Afrika).
Pro představu o použití aditivních technologií v různých oborech lidské činnosti je uveden následující graf na Obr. 3
Obr. 3 Použití aditivních technologií v různých oborech [3]
7/25
3 Přehled aditivních technologií V současnosti existuje celá řada aditivních technologií. Odlišují se od sebe způsobem, jakým jsou vytvářeny jednotlivé vrstvy modelu a použitými materiály. Existuje celá řada klasifikace metod aditivního tisku. Pravděpodobně nejvíce používaný způsob je klasifikace podle vstupního materiálu [4].
Vstupní materiál Tekutý polymer Diskrétní částice Roztavený materiál Pevné vrstvy
Technologie Stereolitography – SLA Selective Laser Sintering – SLS Fused Deposition Modelling – FDM Laminted Object Manufacturing - LOM
Tab. 1 Klasifikace aditivních technologií podle vstupního materiálu Některé aditivní metody neodpovídají přesně rozdělení v Tab. 1, ale pro základní představu toto rozdělení stačí. Následující text popisuje více podrobně jednotlivé aditivní technologie.
3.1
Stereolitografie
Jde o velmi přesnou a používanou metodu, při které se model vytváří postupným vytvrzováním fotopolymeru (plastické hmoty citlivé na světlo) pomocí UV laseru. Na základě dříve vytvořených informací o rozměrech příčných řezů jednotlivými rovinami (vrstvami) jsou vypočítané řídící údaje, které vedou paprsek laseru pomocí XY skenovací hlavy nad horní plochou nádobky s polymerem. Součástka je vytvářena na nosné desce, která se na začátku nachází přímo pod hladinou polymeru. Vytvarováním tekutého polymeru po vrstvách a následným odebráním z nosné desky vzniká trojrozměrné těleso (model). Stereolitografie je nejstarší z technologií Rapid Prototypingu a kromě už zmíněné přesnosti vyniká také velkým množstvím použitelných materiálů. Oproti jiným technologiím je možno stereolitografií vytvářet modely s milimetrovými otvory a miniaturními prvky. Stejně jako u většiny ostatních technologií je možno modely vyrobené stereolitografií použít pro vizuální kontrolu návrhu výrobku, v některých případech i k funkčním zkouškám a díky široké paletě materiálů i jako forem pro vstřikování a lití. Součástka, která by se klasickými konvenčními metodami vyráběla několik týdnů může být s pomocí Stereolitografie vyrobena během několika hodin. Nevýhodou stereolitografie je především pomalý proces tvrzení polymeru a u některých materiálů také malá tepelná odolnost vzniklého modelu.
Obr. 4 Princip stereolitografie [5]
8/25
3.2 Selective Laser Sintering Modely vyrobené metodou Selective Laser Sintering velmi pevné. Selective Laser Sintering je technologie, při které je laserovým paprskem spékán do určitého tvaru slévárenský písek, plastový nebo kovový prášek. Přídavný materiál je nanášený na nosnou desku v inertní atmosféře po vrstvách. Podle vypočtených souřadnic bodů rovin řezů je řízená XY skenovací hlava, která vede laserový paprsek nad povrchem prášku. V místě působení laseru se přídavný materiál buď zapeče, nebo roztaví. Okolní neosvětlený materiál slouží jako nosná konstrukce. Výroba součásti probíhá po vrstvách, po vytvoření jedné vrstvy se nosná deska sníží o hodnotu odpovídající hloubce vrstvy. Na rozdíl od jiných metod můžeme využívat široké spektrum materiálů. Principielně je možné použít jakýkoliv prášek, který se působením tepla taví nebo měkne. V současnosti se v komerčních oblastech používají např. termoplastické materiály jako jsou polyamid, polyamid plněný skelnými vlákny, polycarbonát, polystyrén dále speciální nízkotavitelné slitiny z niklových bronzů nebo polymerem povlakovaný ocelový prášek. Většinou však ale není možno přecházet na stejném zařízení od jednoho materiálu k druhému, neboť jejich vytvrzení si vyžaduje výrazně odlišné podmínky. Podle druhu použitého modelovacího materiálu je možno v rámci této technologie rozlišovat metody:
Laser Sintering - Plastic Laser Sintering - Metal Laser Sintering - Foundry Sand Laser Sintering – Ceramic (Direct Shelt Production Casting)
Obr. 5 Princip - Laser Sintering
9/25
3.2.1
Laser Sintering – Plastic
U Laser Sinteringu - Plastic je, stejně jako například u FDM, možno volit z několika druhů plastických materiálů, které svými vlastnostmi určují i způsob využití hotového modelu. Při použití polystyrenu je možné použít výsledný model ve standardní metodě lití do ztraceného vosku, přičemž je možno snadno modelovat i velmi komplikované části výrobku. Při použití nylonu dosahují výsledné modely vynikající mechanické vlastnosti jako tvrdost, houževnatost, teplotní odolnost atd. Tyto modely jsou proto vhodné pro funkční zkoušky nebo testy lícování. Standardním využitím všech modelů je prostorová vizualizace navrhovaného výrobku.
Obr. 6 Příklad technologie laser sintering plastic [6]
3.2.2 Laser Sintering – Metal Modely vzniklé metodou Laser Sintering - Metal dosahují dostatečné pevnosti a mechanické odolnosti, takže je možno je využít především jako formy pro výrobu plastových součástek vstřikováním nebo lisováním
Obr. 7 Pomocí laser sintering metal lze vyrobit velmi složité tvary [7]
10/25
3.2.3 Laser Sintering - Foundry Sand Jednou z nejnovějších technologií rapid prototypingu je Laser Sintering - Foundry Sand. Tato metoda používá upravený slévárenský písek, jehož vytvrzováním je možno bez jakýchkoli mezikroků vytvořit na prototypovacím zařízení klasickou pískovou formu pro lití.
Obr. 8 Komplikované jádro z písku a skutečný hliníkový odlitek [8]
3.2.4 Laser Sintering – Ceramic Výchozím materiálem je v tomto případě prášek slepovaný pomocí tekutého pojiva. Nanášení pojiva je zajištěno pomocí Ink-Jet tryskové hlavy, která je vedená v rovině XY podle předem vypočítaných řídících údajů. Pomocí této metody se dají vyrábět různé součástky z keramického prášku nebo formy a jádra pro technologii přesného lití.
Obr. 9 část dolní čelisti vytovořená z hydroxyapatitu
11/25
3.3 Fused Deposition Modelling Velmi zajímavým kompromisem odolnosti modelu, rychlosti a přesnosti tvorby je metoda Fused Deposition Modelling (FDM). Model se vytváří nanášením jednotlivých vrstev z různých netoxických termoplastů nebo vosků systémem krok po kroku. Materiál ve tvaru tenkého vlákna vychází z vyhřívané trysky, která se pohybuje v rovině XY nad pracovním prostorem. Ve trysce je ohříván na teplotu o 1°C vyšší než je jeho teplota tavení. Při styku s povrchem vytvářené součástky se vlákna vzájemně spojují a vytváří tak požadovanou ultratenkou vrstvu, která ihned ztuhne. Součástka se opět vytváří na nosné desce, která se vždy po nanesení jedné vrstvy sníží o hloubku této vrstvy. Na podepření přečnívajících částí je nutné vytvořit podpůrnou konstrukci z lepenky nebo polystyrenu. Při modelování metodou FDM jsou objekty vytvořené v CAD aplikacích "rozřezány" na vrstvy pomocí tzv. Slice-Software. Zařízení pracující s technologií FDM mohou být využívána také v běžném kancelářském prostředí, neboť u nich byla odstraněna práce s toxickými materiály a s citlivými zařízeními pro laserové snímání. Touto metodou můžeme vytvářet součástky např. z polyamidu, polyetylénu nebo z vosku. Vytvořený model již nevyžaduje žádné obrábění. Na principu technologie FDM pracuje většina tzv. 3D tiskáren.
Obr. 10 Princip Fused deposition modelling
Obr. 11 Části vytvořené pomocí FDM [9]
12/25
3.4 Laminated Manufacturing Oproti jiným metodám Rapid Prototypingu, které pracují relativně pomalu, je pro rychlé zhotovení prototypu vhodná technologie výroby laminováním, při níž se model sestavuje z plastových folií nebo z mnoha vrstev papíru napuštěného zpevňující hmotou, které jsou oříznuty do správného tvaru laserem. Součástka je vytvářená na svisle se pohybující podložce. Celý proces modelování probíhá tak, že se na nanesenou a vyřezanou vrstvu natáhne papírová folie opatřená vrstvou polyetylénu, která se poté přitlačí soustavou vyhřívaných válců, čímž dojde ke slepení obou vrstev. Paprskem laseru je vyřezán požadovaný obrys vytvářené vrstvy. Přebytečná odřezaná folie je laserem rozdělena na čtverce a později odstraněna. Po vytvoření vrstvy se podložka sníží o tloušťku folie a postup se opakuje. Vytvořené součástky mají podobné vlastnosti jako by byly vyrobené ze dřeva. K dosažení hladkého povrchu je nutné součástku ručně opracovat. Metoda je vhodná na výrobu velkých modelů, nevýhodou je velké množství odpadu
Obr. 12 Princip Laminated Manufacturing
Obr. 13 Objekt vytvořený pomocí laminated manufacturing
13/25
4 Možnosti a vize využití aditivních technologií V současnosti dochází k širokému využití aditivních technologií v celé řadě oborů lidské činnosti. Předpokládá se, že mají tyto technologie velikou budoucnost a zároveň dojde k širokému rozšíření i pro domácí uživatele s klesající cenou aditivních technologií.
4.1
Kosmický výzkum
Myšlenka využívání aditivních technologií v kosmickém výzkumu se objevuje velmi dlouho. Možnost výroby náhradních dílů, nebo výroba nových přístrojů během pobytu ve vesmíru bez využití pozemské infrastruktury je velmi důležitá. Americký národní úřad pro letectví a kosmonautiku NASA využívá aditivní techniky v celé řadě oblastí. Např. pro vývoj malých satelitů, pro vývoj vstřikování raket nebo využití 3D tisku k výrobě součástí z materiálu, který by měl pokrývat horniny asteroidů, Mars. NASA spolupracuje se společností Made in Space z Kalifornie aby společně demonstrovaly první 3D tisk na palubě Mezinárodní vesmírné stanice. Tyto testy mohou pomohou vyvinout techonogii budoucím kosmonautům tisknout nástroje, které budou potřebovat a recyklovat jiné nástroje zpátky v jejich tiskárnách. Budoucí průzkumníci Marsu by mohli nejdříve poslat roboty a tiskárny, kteří by připravili základní infrastrukturu pro první osadníky před jejich příchodem [10]. Evropská kosmická agentura (ESA) chce využít aditivní technologie pro výstavbu lunární základny. Vývojáři ESA a jejich partneři nedávno úspěšně předvedli 3D tisk s atrapou suti na povrchu Měsíce – měsíčního regolitu a vytvořili 1,5 tunový stavební blok. Pokud by časem dospěli k plně funkční technologii 3D tisku měsíční základny, měli bychom skvělý potenciál pro rozjezd kolonizace Měsíce, která by tolik nespoléhala na import ze Země.
Obr. 14 Testy aditivního zařízení při parabolickém letu
14/25
4.2 Zbraně V květnu 2013 se v médiích objevila zpráva o stažení zdrojových souborů k vytištění funkční palné zbraně [11]. Materiálem pro tisk byl amorfní termoplastický kopolymer ABS. Zbraň vydrží pouze několik ran. Zpráva vzbudila velikou diskusi v médiích.
Obr. 15 Rozložená palná zbraň vytvořená aditivním modelování
4.3 Potraviny Základem tiskárny jsou chlazené zásobníky s různými jídelními přísadami ve velmi jemné, práškové, nebo tekuté formě. Tyto přísady putují do mixéru a tato směs je dopravena k tiskové hlavě. Tisková hlava pak vyrábí potraviny v libovolném množství, libovolného tvaru a složení. Každá částečka potravinové směsi může být zároveň individuálně tepelně zpracována, protože měnit lze i teplotu. Některé ingredience a jejich kousky tak mohou být vařeny či pečeny a jiné zase podchlazovány nebo mraženy. Tyto procesy probíhají v trubkách, které vedou k tiskové hlavě. Tento stroj bude využitelný např. v oblasti cukrářství nebo při tvorbě těch nejexotičtějších druhů zákusků. Další výhodou je přesná kontrola prostorového rozložení všech ingrediencí i nutriční hodnoty jídla. Recepty či spíše algoritmy receptů bude navíc možné stahovat po stovkách z internetu přímo do stroje.
Obr. 16 Princip aditivního zařízení na výrobu potravin [12]
15/25
NASA poskytla grant na vyvinutí prototypu univerzálního syntetizátoru jídla. Využití by mělo být širší než pro letů do vesmíru. Je vize, kdy bude takovým zařízením vybavena každá kuchyně a kdy bude 12 miliard obyvatel Země koncem tohoto století jíst nutričně přiměřená a na objednávku vyrobená jídla syntetizovaná ze zásobníků prášků a oleje, které bude možné koupit v každých potravinách. Využití této technologie by mimo jiné znamenalo i výrazné omezení mrhání s jídlem, protože prášky a oleje bude možné uchovávat velmi dlouhou dobu, až třicet let. Takže obsah každého zásobníku, ať už půjde o cukry, uhlovodany, proteiny nebo jiné základní stavební bloky, bude vždy zcela spotřebován.
Obr. 17 Potraviny vytvořené aditivním modelováním [13]
4.4 Zdravotnictví Lidské tělo by mohlo být z hlediska aditivních technologií chápáno jako systém vyměnitelných dílů. Doba, kdy bude běžné využívání těchto technologií, není daleko. V současnosti se již na některých pracovištích používá aditivní tisk k výrobě zubních náhrad jako implantátů, korunek nebo výroba protéz končetin. V Holandsku byla provedena operace, kdy byla vyrobena a implantovaná spodní čelist. Byla vyrobena SLS metodu z titanového prášku a potažena keramickou biokompatibilní vrstvou [14].
Obr. 18 Implantáty vyrobené aditivním modelováním [15]
16/25
Tyto aplikace aditivních technologií nejsou pouze průlomem pro pacienty, ale stejně také pro lékaře, kteří mohou plánovat své chirurgické postupy efektivněji, to znamená rychleji, přesněji a v konečném důsledku i levněji, protože zaručuje snížení rozsahu chirurgických zákroků na nezbytné minimum. Největší pozornost budí ve světě medicíny slovo „bioprinting“ což lze interpretovat jako produkci lidských orgánů pro transplantace. Orgány by byly vytištěny z genetického materiálu příjemce, takže by odpadly problémy s reakcí imunitního systému příjemce orgánu. První komerční zařízení dodala na trh společností Organovo už v roce 2009. V současnosti existují tiskárny, které jsou schopné vytvořit nejjednodušší tkáně jako kůže, kousky srdečních tkání a očekává se, že tisk celých orgánů jako srdce, a játra bude možný v průběhu jedné generace. Experimentální tisk ledvin a tisk a implantace močového měchýře provedl Anthony Atalla [16].
Obr. 19 Výzkum aditivních technologií při tvorbě orgánů (močový měchýř) [17]
4.5 Dopravní prostředky 4.5.1
Letadla
Tisk modelů letadel je v současné době již celkem běžná záležitost. Společnost Airbus však pracuje na konceptu výroby celých dopravních letadel pomocí 3D tisku s plánem od tisku malých 3D součástek nyní až po tisk celého letadla okolo roku 2050. Důvody tohoto konceptu jsou takové, že využitím aditivních technologií zapříčiní levnější výrobu a cca 65% hmotnost než součásti vyrobené tradičními technologiemi. Další výzvou je výběr správného materiálu pro tisk. Koncept Airbusu má bionickou strukturu. Vhodné materiály nejsou v současnosti ještě plně vyvinuty, ale pravděpodobně to budou biopolymery, nebo jiné materiály zpevněné uhlíkovými nanovlákny.
Obr. 20 Funkční model letadla vytovořený aditivním modelováním [18]
17/25
4.5.2 Lodě V současné době jde o výrobu modelů lodí, nebo ponorek, ale už se objevují i projekty, jejichž cílem je vytvoření funkčního plavidla. Studenti z University of Washington úspěšně vytvořili první loď pomocí AM [19].
Obr. 21 Loď vytovořená aditivním modelováním [19].
Vize, kterou nedávno představil think tank Center for International Maritime Security Vojenského námořnictva jde ještě dále. V jeho vizích jsou vojenské plovoucí továrny, které vyrábějí úplně všechno, co si žádá moderní námořnictvo. Od jídla až po zbraně a důmyslné roboty, a vesměs na 3D tiskárnách. Když takové továrně budou docházet suroviny, vyrobí si těžební lodě, které pak nashromáždí potřebné suroviny z oceánu, jako třeba hořčík pro výrobu elektroniky. Autoři vize věří, že technologie 3D tisku časem pokročí natolik, že budou existovat gigantické 3D tiskové továrny. Taková zařízení zvládnou vytisknout kompletně celou válečnou loď anebo i jinou techniku ekonomicky přijatelným způsobem.
4.5.3 Automobily Společnost RedEye On Demand a její partnerská firma Stratasys začaly spolupráci s KOR EcoLogic na výrobě URBEE 2. Mělo by jít o první auto vytvořené 3D tiskem, plně funkční, poháněné palivem a schopné jízdy po silnici. Cílem je představit URBEE 2 na silnicích už za dva roky, což by i tak představovalo další milník v této technologii. Podle viceprezidenta Stratasys, Jima Bartela, není budoucnost aut vytvořených 3D tiskem nijak vzdálená. Jim Kor a jeho tým ve společnosti KOR EcoLogic má dokázat autem URBEE 2, jaké jsou reálné možnosti této technologie. V současné chvíli však řeší několik drobných detailů v designu, které by doplňková výroba nezvládla. Design URBEE 2 vzniká kompletně v CAD souborech, a v RedEye On Demand, resp. Stratasys, pak vznikají přechodné modely z termoplastu formou FDM. Kompletní auto sestává z pouhých 40 částí, oproti běžnému autu, kde je potřeba stovek součástí. Silný, avšak odlehčený vůz by měl dosáhnout rychlosti 113 km/h na rovné a volné silnici. K pohonu jsou využita biopaliva jako třeba 100% etanol. Cílem je, aby auto dojelo ze San Franciska do New Yorku na pouhých 10 galonů paliva, což by byl nový světový rekord. Předchůdcem URBEE 2 byl projekt Urbee 1, jenž se v roce 2011 soustředil především na hlavní a
18/25
pevné části auta. URBEE 2 přebírá základní koncept svého předchůdce, ale přibyly další funkce jako třeba klimatizace, stěrače nebo zrcátka.
Obr. 22 Vozidlo URBEE [20] V současnosti jsou AM v automobilovém průmyslu využívány především v oblasti vývoje, nikoliv při sériové výrobě automobilových komponentů.
4.6 Móda a design Na počítači se oděv nejen navrhuje, ale do všech detailů popíše, a tento softwarový popis se pošle do třídimenzionální „tiskárny“, ve které se zhmotní a vychází pak jako hotový, vytvarovaný produkt. Vyrobit prostorový útvar je ale možné jen z materiálů, které jsou pro tuto technologii vhodné. V oděvní oblasti jsou to rozmanité polymery (například polyestery, nylony), u kterých se do budoucna počítá s velkým technologickým rozvojem (pavoučí vlákno). Technologie 3D také postupně odstraní současnou fragmentaci výroby, při které se zatím dává přednost sériové výrobě velkého počtu kusů, aby se snížila jejich cena. Jednotlivé kusy se však opět kvůli ceně vyrábějí na různých místech a pak je nutné je převážet a kompletovat. Při použití plně integrované 3D technologie je cena za jeden kus stejná jako za tisíc. Výrobu je proto možné mnohem efektivněji přizpůsobit poptávce. Technologii 3D použila v oblasti oděvů jako první nizozemská návrhářka Iris van Herpenová. Šaty začala navrhovat pomocí architektonického softwaru. Její kolekci šatů „Escapism“ vyrobenou technologií 3D tisku zařadil v roce 2011 časopis Time mezi 50 nejlepších vynálezů roku. Iris, která spolupracovala mimo jiné s návrhářem Alexandrem McQueenem, si oblíbily i extravagantní zpěvačky Lady GaGa a Björk. Tato žena reprezentuje nový pohled na módu, neboť kombinuje a propojuje nové technologie s rukodělnými, řemeslnými prvky. Současně se pohybuje na křehké hranici mezi módou a uměním.
19/25
Obr. 23 Šaty vytvořené aditivní technologií [21]
4.7
Architektura
Architekti, stavební inženýři a generální dodavatelé staveb používají 3D tiskárny během celého procesu vzniku nového díla - od koncepčních modelů po řešení technických detailů během průběhu stavby. Je to výborný nástroj pro vizualizaci díla. Ještě sále jde Janjaap Ruijssenaars z amsterdamské Universe Architecture. Vytvořil návrh budovy, kterou bude chtít do dvou let vyrobit v 3D tiskárně. Jde o architektonický skvost připomínající autodráhu. Budova má tvar nekonečné smyčky, kde se strop mění v podlahu a naopak.
Obr. 24 Architektenická studie domu vytvořeného aditivním modelováním
Tzv. Project - Landscape House chce vyrobit na speciální 3D tiskárně D-Shape od italského vynálezce Enrica Diniho. Obvykle se můžete setkat s tiskárnami, které vyrábějí plastové drobnosti. D-Shape dokáže tisknout šestimetrové modely. Dini přitom používá písek a speciální anorganické pojivo, jehož výsledkem je materiál podobný mramoru. Sám Ital takto vyrábí sochy, bazény, pomníky nebo modely budov, na obrovskou budovu si ještě netroufnul. Nizozemskému architektovi tak poradil, že by na DShapu měl vytvořit jen formy, které pak vyplní betonem. Janjaap Ruijssenaars věří, že technologie pro tisk návrhu jeho budovy (resp. jejích částí) bude hotová za dva roky. 3D tisk může kompletně změnit
20/25
stavební obor. Doteď se tiskárny používají jen na tvrobu miniatur, ale v budoucnu si možná jednotlivé díly skládačky budete moci zakoupit v e-shopu a z nich pak sestavíte celý barák. Ruijssenaarsova budova je spíš exotická zajímavost, tradiční domky by se pomocí D-Shapu daly vyrobit i dříve než v roce 2015.
5 Využití aditivních technologií ve strojírenství Technologie AM v oblasti zpracování kovů se v současnosti velice rozvíjejí. Nyní slouží především pro účely rapid prototyping (RP). Důvody pro tvorbu prototypů jsou následující:
Nalezení chyb ve výrobní dokumentaci Nalezení chyb v koncepci Ověření vyrobitelnosti Posouzení vzhledu Ověření vhodnosti pro sériovou výrobu Reverzní inženýrství
Tyto technologie jsou v současnosti ve větších firmách (především v automotive) již běžné při vývoji nových výrobků, přestože cena za prototypy je poměrně vysoká. Pomocí AM lze v relativně krátké době (řádově hodiny) vytvořit z CAD modelu reálný model výrobku.
Obr. 25 Příklad použití rapid prototyping Pomocí techniky SLS lze vytvářet modely, nebo přímo konečné produkty z kovů. Pro zpracování kovů lze využít AM buď přímo pomocí Selective Laser Sintering metody, nebo nepřímo, kdy je pomocí AM zhotovena forma, nebo vytavitený model a požadovaná součást odlita.
21/25
6 Institucionální podpora aditivních technologií NAMII / USA The National Additive Manufacturing Innovation Institute (NAMII) je instituce, která vznika jako reakce na plán prezidenta Obamy na oživení výroby a průmyslu v USA. Sídlí v Youngstownu ve státě Ohio a staví na rozsáhlých zkušenostech regionálního clusteru firem ve východním Ohaiu, západní Pennsylvanie a západní Virginie. NAMII je společenství partnerů z průmyslu, akademické obce a vlády, kteří spolupracují a sdílejí si informace. Cílem NAMII je dosáhnout, aby se aditivní technologie staly mainstreamem ve výrobě v USA a aby aditivní technologie nebyly pouze schopné plnit požadavky průmyslu, ale aby také zvýšily domácí konkurenceschopnost. NAMII je vedena National Center for Defense Manufacturing and Machining a je do ní zapojeno 40 společností, 9 universit, 11 neziskových organizací. Evropská Unie Evropská unie nepodporuje aditivní technologie speciálním programem, ale v souladu s realizací Lisabonské agendy, která má za cíl zvýšení technologického vývoje a inovací, lze o podporu požádat v rámci těchto programů: Sedmý výzkumný rámcový program Program pro konkurenceschopnost a inovace Strukturální fondy V ostatních státech jsou aditivní technologie podporovány např. ve Velké Británii [22], ale podpora není zdaleka tak masivní jako v USA. Čína velmi podporuje aditivní technologie, protože se chce stát technologickou velmocí ve vývoji a aplikování aditivních technologií [23]. Podpora aditivních technologií v ČR V ČR v současné době neexistuje podpora speciálně pro aditivní technologie. Bylo by však možné podporovat aditivní technologie a podpory aplikovaného výzkumu v rámci projektů. MPO - Dobíhají projekty TIP, nová výzva již nebude. Od roku 2014 se počítá s novým programovacím obdobím a v něm novým programem Inovace pro konkurenceschopnost (bude spadat pod Strukturální fondy) TAČR - Dobíhají projekty ALFA, další výzva již nebude. V roce 2013 proběhla druhá a poslední výzva programu Centra kompetence. Na podzim 2013 se počítá s vyhlášením výzvy nového programu Gama. MŠMT - Programy na podporu mezinárodní spolupráce: EUREKA – veřejná soutěž vyhlašována každoročně v létě EUROSTARS – v roce 2013 již výzva proběhla, čeká na další monitorovací období KONTAKT II – bilaterální spolupráce se zeměmi: Čína – probíhá vyhlášení veřejné soutěže jednou za dva roky Japonsko – probíhá vyhlášení veřejné soutěže jednou ročně Rusko – probíhá vyhlášení veřejné soutěže jednou ročně Izrael – probíhá vyhlášení veřejné soutěže jednou za dva roky USA – probíhá vyhlášení veřejné soutěže jednou ročně Korea – probíhá vyhlášení veřejné soutěže jednou za dva roky Indie – probíhá vyhlášení veřejné soutěže jednou za dva roky GESHER/MOST (česko-izraelská spolupráce) – každoročně na podzim
22/25
7 Významní výrobci a poskytovatelé aditivních technologií
Stratasys [24] - Výrobce aditivních zařízení z USA.
3T RPD Ltd [25] – Výrobce prototypů z Velké Británie, který vyrábí kvalitní plastové a kovové části, které nejsou možné tradičním způsobem obrábění.
Redeye [26] - Výrobce prototypů z USA zaměřený na prototyping. Používá technologii FDM a polyjet (podobné SLA, šířka vrstvy cca 16μm)
3D systems - Výrobce aditivních zařízení z USA.
MakerBot Industries [27] – Výrobce desktopových aditivních zařízení, 3D scanerů a spotřebního materiálu
Ultimaker [28] – Výrobce aditivních zařízeních pro domácí použití
MCAE Systém [29] – Dodavatel aditivních technologií v ČR
RepRap [30] – Otevřená hardwarová platforma, která umožňuje komukoliv postavit si aditivní zařízení pracující na principu FDM
23/25
8 Reference [1] [Online]. http://www.pcmag.com/slideshow_viewer/0,3253,l=293816&a=289174&po=1,00.asp.
Available:
[2] [Online]. Available: http://code80.net/afpr/content/assises/2012/actes/papiers/s1_1.pdf. [3] S. S. D. D. T. Pham, „Rapid manufacturing, Springer-Verlag,“ 2001. [4] I. Gibson, Additive Manufacruting Technologies, New York: Springer, 2010. [5] „http://en.wikipedia.org/wiki/Stereolithography,“ [Online]. [6] „flickr,“ [Online]. Available: http://www.flickr.com/photos/3trpd/. [7] [Online]. Available: http://boardgamegeek.com/blogpost/15210/predicting-the-future-miniaturesonline-piracy-and. [8] [Online]. Available: http://www.uni.edu/~rao/rt/casting.htm. [9] [Online]. Available: http://www.cimquest-inc.com/3DParts/. [10] [Online]. Available: http://blogs.nasa.gov/cm/blog/garver/posts/post_1361566656804.html. [11] „První funkční 3D tištěná pistole je ke http://osel.cz/index.php?obsah=6&clanek=6898.
stažení
na
internetu,“
[Online].
Available:
[12] [Online]. Available: www.examiner.com. [13] [Online]. Available: http://www.the-gild.com/blog/print-and-go. [14] [Online]. Available: http://www.bbc.co.uk/news/technology-16907104. [15] M. H. Elahinia, „Manufacturing and processing of NiTi implants: A review,“ Progress in Materials Science, pp. 911-946, 6 2012. [16] [Online]. Available: http://www.ted.com/speakers/anthony_atala.html. [17] [Online]. Available: http://www.3ders.org/articles/20120629-future-of-medicine-3d-printing-neworgans.html. [18] [Online]. Available: http://inhabitat.com/the-worlds-first-3d-printed-plane-takes-flight/. [19] „boat 3D print,“ [Online]. Available: http://blog.makezine.com/2013/05/30/large-format-3dprinting/. [20] [Online]. Available: http://korecologic.com/media/pictures/. [21] [Online]. Available: http://gothic.org/headline/fully-printed-3d-dress-modeled-by-dita-von-teese/. [22] „britain additive technologies support,“ [Online]. http://3dprintingindustry.com/2012/10/24/uk-government-investing-in-3d-printing/.
Available:
[23] E. ANDERSON, Additive Manufacturing in China: Threats, Opportunities, and Developments, IGCC, 2013. [24] „stratasys,“ [Online]. Available: http://www.stratasys.com. [25] „3T RPD,“ [Online]. Available: http://www.3trpd.co.uk/. [26] „Redeye,“ [Online]. Available: http://redeyeondemand.com. [27] „markerbot,“ [Online]. Available: http://www.makerbot.com/. [28] „ultimaker,“ [Online]. Available: http://www.ultimaker.com/. [29] „mcae,“ [Online]. Available: http://www.mcae.cz/. [30] „reprap,“ [Online]. Available: http://reprap.org/wiki/Main_Page. [31] [Online]. Available: http://code80.net/afpr/content/assises/2012/actes/papiers/s1_1.pdf.
24/25
[32] [Online]. Available: www.examiner.com.
25/25
