W ciągu ostatniej dekady przemysłowy druk 3D z metali szybko ewoluował z technologii eksperymentalnej, zarezerwowanej dla laboratoriów badawczych i kilku pionierskich zakładów produkcyjnych, w narzędzie coraz częściej wykorzystywane w seryjnej produkcji komponentów o wysokiej wartości dodanej.
Krótko opisałem to w moim niedawnym artykule o końcu trzeciej ery rynku AM.
Niezależnie od upadku Desktop Metal (i innych firm płynących na fali nadmiernego hype’u AM), faktem jest, że wraz z rozwojem maszyn, proszków metalicznych i metod kontroli procesów, technologia addytywna zmieniła swoje postrzeganie – z narzędzia prototypowego w pełnoprawną technologię produkcyjną.
Wciąż jednak pozostaje jeden obszar, który odstaje od pozostałych aspektów branży: oprogramowanie do przygotowania procesu budowy.
Obecnie powszechnie stosowane rozwiązania koncentrują się głównie na rozmieszczeniu części na platformie roboczej oraz generowaniu struktur podporowych.
Choć są to elementy niewątpliwie istotne, takie podejście redukuje cały proces przygotowania do dwóch kroków: optymalizacji rozmieszczenia oraz zdefiniowania kilku globalnych parametrów, które zostaną zastosowane do wszystkich części w zadaniu.
Teoretycznie może się to wydawać wygodne – użytkownik ustawia jednolity zestaw parametrów, takich jak prędkość skanowania, moc lasera czy grubość warstwy, a następnie uruchamia proces budowy.
W praktyce oznacza to jednak ograniczenie możliwości optymalizacji poszczególnych komponentów zgodnie z ich specyficznymi wymaganiami.
Wyobraźmy sobie zadanie obejmujące pięć części o różnych geometriach, masach i przeznaczeniu. Jedna z nich może być cienkościennym kanałem chłodzącym dla przemysłu lotniczego, inna masywnym elementem konstrukcyjnym, a kolejna częścią wymagającą wyjątkowo gładkiego wykończenia powierzchni. Zastosowanie tych samych ustawień do wszystkich to jak próba namalowania wszystkich detali jednym grubym pędzlem – prosta i szybka, ale pozbawiona niuansów.
To ograniczenie jest szczególnie widoczne w metalowym AM, gdzie niewielkie różnice w parametrach mogą przełożyć się na istotne zmiany jakości, wytrzymałości i właściwości mechanicznych gotowych elementów.
Stosowanie globalnych parametrów wynika częściowo z ograniczeń historycznych
We wczesnych latach technologii, gdy moc obliczeniowa była ograniczona, a interfejsy musiały być proste, narzędzia projektowano tak, by proces był maksymalnie nieskomplikowany. Jednak wraz z tym, jak metalowy druk 3D staje się procesem produkcyjnym dla zróżnicowanych serii, takie podejście staje się poważną przeszkodą.
Przygotowanie procesu budowy to nie tylko logistyka rozmieszczenia modeli na platformie. To także – a może przede wszystkim – precyzyjne dopasowanie ustawień procesowych do wymagań każdej części: od geometrii, przez funkcję, aż po materiał i jego interakcję z parametrami druku.
Oznacza to możliwość zmiany strategii skanowania w ramach jednego zadania, a nawet jednej części, kontrolowanie parametrów w określonych obszarach modelu czy optymalizację ścieżek narzędzia w czasie rzeczywistym.
Takie podejście może skrócić czas budowy, zminimalizować naprężenia szczątkowe, poprawić właściwości mechaniczne i ograniczyć potrzebę obróbki wtórnej.
Przykładem firmy, która od początku przyjęła tę filozofię, jest Dyndrite – twórca platformy umożliwiającej przypisywanie indywidualnych parametrów aż do najmniejszych segmentów części.
Takie narzędzia nie tylko otwierają nowe możliwości optymalizacji, ale też skłaniają do traktowania przygotowania procesu jako pełnoprawnego etapu inżynieryjnego, a nie jedynie wstępnego kroku przed drukiem.
W tradycyjnych procesach produkcyjnych dostrajanie parametrów jest normą
Tokarz, operator frezarki czy prasy zawsze dostosuje ustawienia do konkretnej części. Addytywna produkcja musi osiągnąć podobny poziom dojrzałości, jeśli ma stać się technologią pierwszego wyboru przy wytwarzaniu krytycznych komponentów.
Nowoczesne platformy – w tym rozwiązania oferowane przez Dyndrite – umożliwiają generowanie instrukcji maszynowych w w pełni skryptowalnym środowisku, w którym inżynierowie definiują reguły i warunki dla konkretnych obszarów modelu.
To podejście zasadniczo różni się od tradycyjnych interfejsów typu „point-and-click”, ponieważ zapewnia pełną swobodę dostosowania procesu do określonego celu.
Efekt? Możliwość wytwarzania części wyższej jakości przy jednoczesnym skróceniu czasu produkcji – dokładnie tego, czego wymaga przemysł.
W ostatnich latach pojawiły się platformy projektowane od podstaw w tym duchu.
Ich twórcy rozumieją, że precyzyjna kontrola procesu wymaga dostępu do parametrów na poziomie mikroskopowym – od definiowania strategii skanowania w konkretnych sekcjach, poprzez sekwencje ekspozycji, aż po dynamiczne dostosowywanie mocy lasera w odpowiedzi na przewidywane nagrzewanie się materiału.
Efektem są narzędzia pozwalające inżynierom definiować unikalny zestaw parametrów dla każdej części, a nawet dla wybranych obszarów w obrębie jednego modelu.
Co istotne, rozwój takiego oprogramowania nie tylko podnosi jakość i powtarzalność, ale także skraca czas budowy.
Możliwość optymalizacji kolejności drukowania części, minimalizowania jałowych ruchów lasera i inteligentnego zarządzania ciepłem przekłada się na wymierne oszczędności czasu. W kontekście produkcji przemysłowej, gdzie każda godzina pracy maszyny to koszt, jest to kluczowe.
Druk 3D z metalu jest niezwykle wrażliwy na zmiany parametrów procesu
Zbyt duża moc lasera w cienkościennych strukturach może powodować odkształcenia lub przegrzewanie, zbyt mała – niedostateczne zespolenie materiału. Nieodpowiednia strategia skanowania może wywołać niekontrolowane naprężenia, które w skrajnych przypadkach prowadzą do pęknięć już w trakcie budowy.
Oprogramowanie umożliwiające precyzyjne przypisywanie parametrów do określonych geometrii staje się więc nie tyle udogodnieniem, ile koniecznością.
Warto zauważyć, że podobne wyzwania występują także w innych technologiach addytywnych, takich jak polimerowy druk 3D w FDM, SLS czy MJF, choć konsekwencje mogą być mniej poważne niż w przypadku metali.
W procesach opartych na polimerach zmienne parametry mogą poprawić elastyczność, wytrzymałość na rozciąganie czy odporność na wysoką temperaturę w różnych sekcjach jednego komponentu.
W druku ceramicznym czy z kompozytów węglowych odpowiednia kontrola parametrów może decydować o przewodnictwie cieplnym czy odporności na zużycie. We wszystkich tych przypadkach precyzyjne oprogramowanie staje się pomostem między możliwościami maszyny a intencją projektanta.
W miarę jak przemysł wymaga coraz krótszych czasów realizacji, wyższej jakości i niższych kosztów jednostkowych, rola inteligentnego oprogramowania będzie tylko rosła.
To ono zadecyduje, czy metalowy druk 3D pozostanie niszowym rozwiązaniem dla specjalistycznych zastosowań, czy stanie się powszechnie przyjętą metodą produkcyjną.
Warto pamiętać, że postęp w materiałach, laserach czy mechanice maszyn przyniesie ograniczone korzyści, jeśli ich wykorzystanie będzie ograniczane przez przestarzałe narzędzia do przygotowania procesu budowy.
Patrząc w przyszłość, rozsądnie jest przewidywać, że w pełni zoptymalizowane procesy addytywne będą oparte na sprzężeniu zwrotnym między maszyną, oprogramowaniem a analizą danych z wcześniejszych budów.
Będzie to środowisko, w którym parametry są dynamicznie dostosowywane w czasie rzeczywistym, a decyzje dotyczące strategii drukowania podejmowane na podstawie predykcyjnego modelowania zachowania materiału.
Aby to osiągnąć, branża musi przejść od podejścia „ustaw parametry globalne i uruchom” do podejścia „kontroluj każdy aspekt procesu na podstawie wiedzy i danych”.
