Automatyzacja druku 3D: od szybkiego prototypowania po produkcję przemysłową

0

Na przestrzeni ostatnich lat obserwuje się coraz bardziej wyraźną tendencję w rozwoju technologii druku 3D – coraz więcej producentów stawia na automatyzację. Prezentowane są kolejne linie produkcyjne obejmujące oprócz drukarek także stacje do obróbki wydruku i kontroli procesu oraz roboty ułatwiające przenoszenie gotowych elementów. Wszystko to ma na celu obniżenie kosztów i zwiększenie wydajności produkcji. Czy, a może raczej kiedy, druk 3D będzie stanie się konkurencją dla konwencjonalnych technologii wytwarzania w skali większej od kilku tysięcy elementów? Przygotowaliśmy przegląd dostępnych rozwiązań z zakresu automatyzacji druku 3D, żeby przyjrzeć się w jakim kierunku zmierza branża.

Od momentu opanowania pierwszych narzędzi z kamienia przez prehistorycznych ludzi, tj. od jakiś trzech milionów lat, nasz gatunek dąży do mechanizacji i automatyzacji we wszystkich prawie obszarach aktywności. Innowacje pojawiają się z coraz większą częstotliwością – istotne dla usprawnienia produkcji wynalazki sprzed końcówki XVIII wieku można policzyć na palcach jednej ręki (jest to oczywiście przesada, ale nieznaczna – warto odnotować pierwsze wykorzystanie koła wodnego sprzed 2 tys. lat, wynalezienie zegara z własnym napędem w XIV wieku, średniowieczną konstrukcję wiatraka i… to chyba tyle).

Natomiast na przestrzeni ostatnich trzystu lat wyróżnia się aż cztery fazy rewolucji przemysłowej. Pierwsza, klasyczna, związana jest z mechanizacją produkcji dzięki zastosowaniu maszyny parowej. Druga to dalszy rozwój przemysłu, głównie dzięki upowszechnieniu elektryczności i wprowadzeniu linii produkcyjnej. W trakcie trzeciej szerokie zastosowanie znalazła automatyzacja, możliwa dzięki rozwojowi komputerów. Wreszcie czwarta rewolucja przemysłowa ma być związana („ma być” bo jesteśmy dopiero świadkami jej początków) z kolejnym zwiększeniem efektywności produkcji dzięki rozwojowi m.in. robotyki, sztucznej inteligencji  i internetu rzeczy. Ważną rolę odegrać ma także druk 3D.

Industrie Vier Punkt Null, czyli przemysł 4.0 wywodzi się z projektu rządu Niemiec, związanego z komputeryzacją produkcji, zaprezentowanego podczas targów w Hanowerze w 2011 roku. Od tego czasu pojęcie ewoluuje. Co najważniejsze, koncepcja przemysłu czwartej generacji znacząco wykracza poza kolejne wynalazki technologiczne. Tym razem chodzi przede wszystkim o lepsze wykorzystanie dostępnych technik, głównie dzięki usprawnieniu przepływu informacji. Unifikacja świata rzeczywistego i wirtualnego oraz udostępnienie wytwórcom wszelkich przydatnych informacji ma zwiększyć wydajność, pozwalając jednocześnie na realizowanie spersonalizowanych zamówień. Według mnie pachnie to trochę antyutopijnymi wizjami przyszłości z książek science fiction, ale podobne obawy towarzyszyły zapewne ludziom obserwującym poprzednie rewolucje przemysłowe.

Rozwojowi infotechnologicznemu i zmianom społecznym, nawet jeśli są one najważniejsze rewolucji przemysłowej 4.0, muszą towarzyszyć stosowne wynalazki, a przynajmniej udoskonalenia techniczne. Wspomniany już druk 3D wydaje się idealnie wpisywać w koncepcję przemysłu 4.0. Jednak w obecnej, najpowszechniejszej postaci oddzielnych stacji roboczych, które wymagają sporego zaangażowania operatora przed wydrukiem i w trakcie obórki, nie sprawdzają się w produkcji na dużą skalę. Dokładnie opisano to w raporcie „Markets for Automated 3D Printing 2016 to 2027: An Opportunity Analysis and Ten-Year Forecast” firmy SmarTech Markets Publishing. Wyróżniono w nim aż 12 etapów przygotowania drukowanej przestrzennie części (choć nie dla wszystkich wydruków będzie tak wiele): główne etapy po przygotowaniu materiału to sam wydruk, oczyszczanie elementu i usuwanie podpór i ewentualna obróbka termiczna. Dodatkowo wymagane jest monitorowanie jakości produktu, po wydruku i po obróbce, a razie potrzeby wygładzanie powierzchni i malowanie. Poszczególne etapy odbywają się zwykle na różnych stanowiskach, więc konieczne jest jeszcze transportowanie elementu.

Obecnie większość tych etapów wymaga dość żmudnej pracy ludzkiej. Autorzy raportu twierdzą, że najbliższych latach zaangażowanie ludzi zostanie znacząco ograniczone, głównie w celu obniżenia kosztów i umożliwienia niskoskalowej produkcji. Potwierdzają to niedawne (głównie na przestrzeni ostatnich dwóch lat) wysiłki producentów drukarek i różnych placówek badawczych, które proponują różne podejścia do automatyzacji druku 3D. Przejrzeliśmy różne pomysły i opisaliśmy kilka najciekawszych rozwiązań.

3D Systems

3D Systems jest jednym z pionierów zautomatyzowanego druku 3D. W 2014 roku duże zainteresowanie (choć niekoniecznie takie, jakiego oczekiwano) wzbudził film promocyjny ukazujący system druku przestrzennego, w którym stoły robocze krążyły na szynach podjeżdżając do kolejnych stanowisk z głowicami i opuszczając pętlę po zakończeniu druku. Potem pojawiło się nieco więcej informacji na temat systemu nazwanego Continuous, High-Speed Fab-Grade Printer, ale projekt najwidoczniej zakończył się na etapie prototypu. Jego opracowanie związane było z ówczesnym pomysłem Google, w którym uczestniczyło 3D Systems – z projektem Ara, czyli modularnym smartfonem. Ambitne plany Ary trafiły do szuflady, co przesądziło o losie „drukarki wysokiej szybkości”. Fascynujące, że w ogóle podjęto się realizacji projektu. Modularny smartfon, w którym można wymieniać dowolny element bez wymiany całego urządzenia? Absurd. Autor tego pomysłu zapewne nie pracuje już dla Google ani żadnego innego producenta sprzętu elektronicznego.

3D Systems wyciągnęło najwidoczniej wnioski z niezbyt udanego projektu z Googlem i postanowiło opracować zautomatyzowany system druku 3D od nowa. W marcu 2017 zadebiutował system Figure 4. Figure 4 to właściwie rodzina urządzeń przeznaczonych dla przemysłowych użytkowników. Bazą są drukarki drukujące w technologii DLP, którą 3D Systems odpowiednio udoskonaliło, by szybko wytwarzać elementy bardzo wysokiej jakości – wg firmowych materiałów chodzi głównie o zastosowanie szybko utwardzanych materiałów, używanie intensywnego światła UV do druku oraz wykorzystanie nowego typu membrany zapobiegającej przywieraniu materiału do naświetlającego ekranu.

Podstawowy wariant to Figure 4 Standalone, czyli po prostu korzystająca z ulepszonej technologii DLP drukarka. Kolejna wersja to Figure 4 Modular – centralnie sterowany zespół urządzeń podobnych do Standalone, ale wzbogaconych m.in. o automatyczny podajnik żywicy. To opcja przeznaczona głównie do wytwarzania małych partii gotowych produktów. Topową odmianą jest Figure 4 Production. Jest to już właściwie linia produkcyjna o modułowej konstrukcji (akurat w tym przypadku ten pomysł ma szansę się przyjąć). Rząd urządzeń może zawierać do 16 drukarek oraz stanowisko do czyszczenia i obróbki wydruków. Zautomatyzowana produkcja możliwa jest dzięki ramionom robotycznym transportującym wydruki. Dzięki takiemu podejściu można według 3D Systems ograniczyć koszty produkcji o 20%, jednocześnie zwiększając wydajność piętnastokrotnie.

Figure 4 to nie jedyne zautomatyzowane rozwiązanie, nad jakim pracuje 3D Systems. Kolejnym jest DMP 8500 Factory Solution, czyli modułowy system do produkcji addytywnej z metalu. Pokazany został na targach fromnext w ubiegłym roku, a rynkowy debiut planowany jest na końcówkę 2018 roku. Poza tym że DMP 8500 jest (wg producenta) pierwszym zautomatyzowanym systemem do druku z metalu (pod jakimś względem pewnie jest, choć niżej opisanych jest kilka innych zautomatyzowanych rozwiązań do druku z metalu), korzysta też z wyjątkowo dużej komory produkcyjnej (sześcian o boku 50 cm) z kontrolowaną atmosferą. Oprócz dostosowanych do nieprzerwanej pracy modułów drukujących DMP 8500 obejmuje stacje oczyszczające wydruki z proszku metalicznego.

Vodoo Manufacturing

Głównym obszarem działalności Vodoo Manufacturing jest tworzenie wielkiej fabryki wytwarzającej części z wykorzystaniem technologii przyrostowej – inaczej mówiąc Vodoo Manufacturing budują własną farmę drukarek 3D, która obecnie liczy ponad 200 urządzeń. Deklarują zdolność do wyprodukowania małej serii części (od 1 do 10 000) w dwa tygodnie, w cenie konkurencyjnej wobec konwencjonalnych technologii. Osiągnięcie ceny porównywalnej z formowaniem wtryskowym, nawet dla produkcji niskoskalowej, jest już sporym osiągnięciem, jednak zdecydowana większość produkowanych na świecie elementów wytwarzana jest w ilościach znacznie przekraczających 10 000. Twórcy Vodoo Manufacturing postawili zatem przed sobą ambitny cel – uzyskanie równie korzystnej ceny dla partii liczących 100 000 części. A to oznacza nic innego, jak dziesięciokrotne zmniejszenie kosztów!

Gdzie szukać oszczędności? Materiały do druku oraz sprzęt stopniowo tanieją, ale firma nie ma na to wpływu. Pozostaje zatem ciąć koszty robocizny – i tutaj do gry wkracza automatyzacja i roboty, które są fascynacją twórców Vodoo Manufaturing. Robotyzację rozpoczęto od bardzo prozaicznej czynności – wyciągania gotowych elementów z drukarek. Pracownikom zajmuje to ok. 10% czasu pracy i robią to stosunkowo powoli, co skutkuje marnowaniem czasu drukarek. Jednocześnie jest to bardzo prosta, powtarzalna czynność. Słowem – idealna dla robota.

Pozostając w duchu oszczędności, wybrano ramię Universal Robots UR10 – jego cena, wynosząca mniej niż 50 tys. dolarów, stanowi ułamek kosztu zakupu typowych przemysłowych ramion robotycznych. Co równie ważne, tańsze ramię można znacznie łatwiej przystosować do wykonywania nowych zadań, więc znacznie lepiej sprawdza się na farmie drukarek Vodoo.

Doniesienie o pomyśle Vodoo Manufaturing, który nazwano Project Skywalker (zapewne w nawiązaniu do tradycji protetycznych panujących w jednym z głównych rodów Gwiezdnej Sagi) pojawiło się w marcu ubiegłego roku, wraz z falą nowinek z zakresu automatyzacji druku 3D. UR10 postawiono przy bloku obejmującym 9 drukarek. Ramię wyjmuje stoły z gotowymi wydrukami, układa je na szynach i umieszcza w drukarkach puste. Jest to jedynie pierwszy etap projektu. Długofalowym celem jest opracowanie zautomatyzowanej fabryki pracującej bez przerwy (w niedziele też).

Na razie głównym ograniczeniem wydaje się umocowanie ramienia w jednym miejscu.  W wizji właścicieli farmy robot mógłby poruszać się po całym zakładzie, obsługując nie 9 a 100 drukarek. Opracowanie takiego systemu stanowi dość złożone zagadnienie – ramię musi znać pozycję każdej drukarki (a właściwie każdego stołu) z milimetrową dokładnością. Założyciele Vodoo Manufacturing planują jednak, że jeżdżące ramię zostanie uruchomione już w przyszłym roku.

Maszyny robią maszyny. Cóż za perwersja.

C-3PO

Stratasys

Na targach RAPID+TCT w 2017 roku Stratasys zaproponował własny pomysł redukujący czas poświęcany na wyjmowanie wydruków z drukarek – Continuous Build 3D Demonstrator. System Stratasysa, polega na wyposażeniu drukarek FDM w szuflady, do których zrzucane są wydruki, jest zdecydowanie mniej spektakularny od projektu Skywalker, ale właściwie równie skuteczny. Duże znaczenie dla zapewnienia najwyższej sprawności sieci drukarek ma oprogramowanie oparte przez Stratasysa. Proces zarządzany jest centralnie, choć jednocześnie można powiedzieć, że jest zdecentralizowany – opiera się na chmurze obliczeniowej. Dzięki temu w sytuacji zablokowania jednego z urządzeń jego zadanie automatycznie przejmuje inna drukarka. Należy zaznaczyć, że rozwiązanie Stratasysa nie jest jedynym tego typu dostępnym na rynku. Podobne rozwiązanie, z automatycznym zdejmowaniem wydruków oraz osadzonym w chmurze oprogramowaniem, zaproponowała wcześniej firma NVBOTS w postaci drukarki NVPro.

NVBOTS nie demonstruje jednak nastawienia na produkcję, a przynajmniej nie tak wyraźnie jak Stratasys ze swoim  3D Demonstratorem (ha, ha). Stratasys chwali się pomyślnymi wdrożeniami swojego systemu w kilku firmach. „Szafa” z sześcioma modułami drukującymi zagościła m.in. w firmie FATHOM, oferującej niskoskalową produkcję (drukowała np. ponad 9700 części do Spider Botów Intela). Z systemu korzystają także In’Tech Industries (także druk części na zamówienie) oraz Savannah College of Art and Design (korzystają z niego studenci i pracownicy szkoły).

Rodzina 3D Demonstratorów obejmuje, poza systemem Continuous Build, także drukarkę Infinite-Build (występującą obecnie pod nazwą Stratasys H2000) oraz urządzenie Robotic Composite 3D Demonstrator. H2000, którego produkcyjna wersja pokazana została w sierpniu 2017 roku, hipotetycznie może tworzyć części o nieskończonej długości – stół roboczy ma formę pasa transmisyjnego. I, co chyba nawet ciekawsze, usytuowany jest poziomo. Takie podejście wraz z nowatorską konstrukcją ekstrudera pozwala na bardzo szybką produkcję. Rozwiązano także oczywisty problem, pojawiający się podczas drukowania „niekończących się” elementów – nawet jeśli powierzchnia robocza przesuwa się bez ustanku, ilość materiału w zasobniku jest ograniczona. Do uzupełniania zapasu tworzywa wykorzystano robotyczne ramię, które zdolne jest także do wymiany uszkodzonej głowicy. Stratasys H2000 opracowany został we współpracy z Fordem i Boeingiem.

Robotic Composite 3D Demonstrator powstał z kolei dzięki kooperacji z Siemensem i jest co najmniej równie innowacyjny. Głowica drukująca została w nim zainstalowana na ramieniu Kuka, a powierzchnia robocza ma postać obrotowego trzpienia, co umożliwia ruchy w ośmiu osiach. Zapewne główna zaletą takiego rozwiązania jest możliwość nanoszenia kolejnych warstw materiału w dowolnym kierunku (teoretycznie), a nie jedynie w postaci równoległych warstw.

EOS, Additive Industries, SLM Solutions oraz Concept Laser

Ubiegłoroczne targi formnext obfitowały w rozwiązania automatyzujące druk 3D na różnych poziomach. Niemiecki EOS, jeden z największych producentów drukarek 3D, pokazał wówczas system EOS P500 do częściowo zautomatyzowanego druku z proszków polimerowych. System wyposażono w udoskonalony układ rozprowadzania proszku oraz podwójny laser, które przyspieszają proces i pozwalają ograniczyć koszty produkcji o 30%. W komorze umieszczono szereg czujników, pozwalających monitorować i optymalizować przebieg drukowania. Zbiornik z gotowym wydrukiem może automatycznie przesuwać się do komory chłodzącej a na jej miejsce wjeżdża pusta, więc druk odbywa się właściwie bez przestojów. Sam producent raczej nie określa urządzenia zautomatyzowanym, ale przygotowanym do automatyzacji – modułowa budowa oraz pełna kontrola procesu pozwoli włączyć P500 w strukturę fabryki przyszłości.

Podobne rozwiązania, czyli czujniki monitorujące proces oraz wymienny zbiornik z proszkiem, zastosowano w drukarce EOS M 290, która także korzysta z technologii spiekania laserem, ale drukuje z metalu. Najwyższym modelem EOSa do druku 3D z metalu jest obecnie M 400-4, wyróżniający się bardzo dużą przestrzenią roboczą (40x40x40 cm) oraz wyposażeniem w cztery lasery w celu zwiększenia wydajności. Także wykorzystano w nim „automatyzujące” technologie oraz modułową budowę. Systemy do druku 3D EOSa mogą być wyposażone w moduł IPCM M, który ułatwia transportowanie i przesiewanie materiału oraz napełnianie komory roboczej. Umożliwia on także automatyczne usuwanie niewykorzystanego materiału z komory roboczej, ograniczając kontakt operatora z proszkiem.

Krok dalej od EOSa poszła firma Additive Industries (AI), która proponuje rozwiązania nie tylko przygotowujące do automatyzacji, ale kompleksowo automatyzujące. System AI, MetalFAB1, drukuje w technologii DMLS, na którą EOS udzielił licencji. Podstawowym zestawem jest MetalFAB1 Basic, który przypomina EOSa M 400-4. W skład bazowego systemu wchodzi moduł zarządzający, komora w której zachodzi drukowanie oraz moduł do bezpiecznego wyjmowania wydruków. Można go jednak rozbudować o kolejne moduły (od trzech w wariancie Basic po 11), dodając kolejną komorę roboczą, moduł obróbki termicznej, wyjmowania wydrukowanych części oraz przechowywania gotowych wydruków. Pomiędzy kolejnymi segmentami wydrukowane elementy przesuwane są automatycznie na platformach. Dzięki możliwości przechowywania zajętych platform i automatycznego podawania nowych (jeden system MetalFAB1 mieści maksymalnie 8 platform), urządzenie może pracować przez długi czas bez jakiejkolwiek ingerencji.

Na targach formnetxt 2017 zaprezentował się także inny niemiecki producent, SLM Solutions, ze swoim ogromnym urządzeniem SLM 800 do druku z metalu w technologii… no właśnie. System charakteryzuje się bardzo dużą przestrzenią roboczą (50x28x85 cm) i podobnie jak poprzednie korzysta z czterech laserów do druku. Generalnie cały zestaw skonstruowany jest w podobny sposób do rozwiązań EOSa i AI – pojemnik z proszkiem przejeżdża przez kolejne moduły maszyny, gdzie najpierw automat napełnia go proszkiem, potem zachodzi właściwy proces druku, i na koniec wydruk poddawany jest chłodzeniu i oczyszczaniu z proszku, po czym umieszczany jest w „poczekalni”. Przedstawiciele SLM Solutions chwalili się, że jeszcze w trakcie formnext 2017 otrzymali zamówienie na 20 systemów SLM 800 od chińskiej firmy z branży energetycznej.

Concept Laser (CL), będący częścią General Electric, również oferuje system podobny do opisanych wyżej – z automatycznym transportem proszku i modularną budową. Tak samo jak pozostali producenci snuje plany fabryki przyszłości, zgodnej z ideą przemysłu 4.0. Chcąc obrócić marzenia w rzeczywistość, CL nawiązał współpracę ze Swisslogiem, należącym do grupy grupy KUKA. Specjaliści od robotyki pomagają opracować automatyczne wózki do opróżniania i ładowania komór roboczych. W szwedzkim centrum rozwojowym GE testowane są także coboty, czyli roboty współpracujące, które mogłyby częściowo wyręczać operatorów drukarek.

Inni producenci

Ponieważ automatyzacja stała się niezwykle powszechna i niemal każdy producent chce mieć w swojej ofercie choćby częściowo zautomatyzowane urządzenie, nie sposób zebrać wszystkich w jednym artykule. Trudno jednak nie wspomnieć, że zautomatyzowaną linię produkcyjną opracowuje także Formlabs (Form Cell), system automatyzujący druk 3D oraz obróbkę ma w ofercie Carbon (Speed Cell), a ciekawe rozwiązanie łączące kilka drukarek z centralną stacją obróbki pokazał także Coobx (LIFTcell). Jeśli zaś chodzi o druk z metalu, ciekawą koncepcję zaprezentował też Desktop Metal – system produkcyjny korzystający z innowacyjnej technologii Single Pass Jetting.

Co dalej?

Automatyzacja umożliwić ma przekształcenie druku 3D w technologię produkcyjną (już częściowo się to dokonało). W tym momencie głównym ograniczeniem jest powolność nie tyle samego druku, ale wszelkich procesów towarzyszących. Dlatego w najbliższym czasie można spodziewać się dalszego rozwoju automatycznych systemów do transportu materiału, obróbki wydruków, przenoszenia części czy kontroli jakości. Automatyzacja zapewni nie tylko większe tempo produkcji, co przełoży się na cenę, zagwarantuje także odpowiednią powtarzalność i jakość konieczną dla produkcji przemysłowej.

Trudno spodziewać się jednak wielkich rewolucji w obszarze automatyzacji technologii przyrostowych. Nowe rozwiązania będą raczej dostosowywane do już istniejących, a czynności wykonywane dotychczas manualnie będą stopniowo przejmowane przez automatyczne systemy. Potwierdzają to opisane wyżej pomysły na automatyzację: robotyczne ramię projektu Skywalker wpisuje się w obecną architekturę farmy drukarek, a modułowa konstrukcja bazujących na druku 3D linii produkcyjnych pozwala na przyszłą rozbudowę o kolejne automatyczne segmenty.

Automatyzacja, choć niezbędna do zaadoptowania druku 3D do produkcji w większej skali, wiąże się z obawami pracowników fabryk. Czy pewnego dnia usłyszą od szefa to, co Borowiecki powiedział jednemu ze swoich robotników: „Cóż ja wam poradzę, kiedy maszyna was nie potrzebuje, bo zrobi sama”?  Przedstawiciele firm z branży druku 3D zapewniają, że automatyzacja nie ograniczy zatrudnienia. Wzrost produkcji ma je nawet zwiększyć, a pracownicy nie będą już zaangażowani w monotonne prace związane z obróbką i przygotowaniem druku, ale w projektowanie i nadzorowanie procesu. Jak to będzie faktycznie wyglądało, przekonamy się już pewnie niebawem – przed automatyzacją nie ma odwrotu. A towarzyszące jej obawy należy traktować jako typowe dla kolejnego etapu rewolucji przemysłowej i, miejmy nadzieję, przejaskrawione.

źródła: [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]

Udostępnij.

O autorze

Wojtek Lipiński

Chemik (organik) z zawodu i z zamiłowania, student Politechniki Łódzkiej. Entuzjasta klasycznej motoryzacji, nauki i techniki.