Technologie przyrostowe dają wiele możliwości optymalizacji procesów wytwarzania poprzez redukcję wagi obiektów, skrócenie czasu fabrykacji i obniżenie kosztów produkcji niskoseryjnej. Przemysł stoczniowy opiera się na tradycyjnych i niezawodnych metodach, niemniej jednak wdrożenie druku 3D niesie za sobą wiele zalet. Techniki wytwarzania muszą zapewniać wysoką powtarzalność i jakość części, dlatego nie wszystkie metody fabrykacji będą odpowiednie dla tej gałęzi przemysłu.
Statki są wyposażone w tysiące różnych części, pochodzących z różnych gałęzi przemysłu, poczynając od stolarstwa, przez przemysł elektromechaniczny, aż po automatykę przemysłową. Dlatego branża morska ma bardzo rozbudowane łańcuchy dostaw, łączące się łącząc wielu producentów, dystrybutorów, usługodawców i klientów na całym świecie. Często elementy muszą przebyć długą drogę zanim trafią na statek, a przerwanie łańcucha dostaw wiąże się z dużymi opóźnieniami. Sposobem, który pozwoli na zminimalizowanie ryzyka związanego z logistyką produktów i usług jest wdrożenie rozwiązań przemysłu 4.0 do przemysłu stoczniowego.
Druk 3D pozwala zdigitalizować i zoptymalizować procesy, za pomocą nowoczesnych technologii i zapewnia możliwość personalizacji produktów oraz minimalizacji strat. Wdrożenie technologii addytywnych do przemysłu morskiego umożliwia wytwarzanie potrzebnych elementów w różnych lokalizacjach, skracając tym samym czas potrzebny na dostawę części. Takie rozwiązanie stworzy zupełnie nowy model, który zapewni restrukturyzację logistyki, realizacji zamówień, współpracy biznesowej, a także magazynowania elementów.
Niniejszy artykuł powstał w oparciu o pracę autorstwa Marcina Ziółkowskiego i Tomasza Dyla, z Uniwersytetu Morskiego w Gdyni.
„Possible Applications of Additive Manufacturing Technologies in Shipbuilding”
autorzy: Marcin Ziółkowski i Tomasz Dyl
Uniwersytet Morski w Gdyni Wydział Mechaniczny
Wytwarzanie przyrostowe na statku i na lądzie
Green Ship of the Future (GSF) jest Duńską spółką z Duńskiego Klastra Morskiego, która rozwija i testuje nowe technologie zwiększające wydajność i pozwalające na redukcję kosztów operacyjnych. W latach 2016-2018 firma prowadziła badania nad możliwością wdrożenia druku 3D w technologii FDM bezpośrednio na statkach morskich. Na pokładach statków stanęło dziewięć drukarek 3D. Pomimo, że oficjalne wyniki nie zostały jeszcze opublikowane, wiadomo że załoga nie wykorzystała pełni potencjału wytwarzania przyrostowego. Mogło to wynikać zarówno z braku umiejętności operatorów, jak i z jakości oraz ograniczeń urządzeń. Co więcej, drukarki 3D muszą być odpowiednio skalibrowane i spozycjonowane, aby produkować części wysokiej jakości. Ciągłe kołysanie i wibracje, czy drastyczne zmiany temperatury również silnie wpływają na wygląd i funkcjonalność wydruków. Oczywiście, te ograniczenia mogą być zredukowane, niemniej jednak wykorzystanie dodatkowych technologii generuje dodatkowe koszty.
Dlatego znacznie lepszym wyborem zdaje się być wykorzystanie w przemyśle stoczniowym części wytworzonych addytywnie na lądzie. Części zamienne mogą być wyprodukowane nawet w kilka godzin, podczas gdy dostarczenie od lokalnego dostawcy może trwać nawet kilka dni. Dodatkowo, druk 3D umożliwia wyprodukowanie elementu, który dotychczas składał się z wielu części, w jednym kawałki. Niemniej jednak, elementy użytku końcowego do zastosowań w branży morskiej muszą być wytwarzane z wysoką dokładnością oraz wymaganą jakością, dlatego nie każda technologia będzie odpowiednia.
Śruba napędowa statku z drukarki 3D
Duńska firma RAMLAB we współpracy z Innovation Quarter, zajmującym się wdrożeniami innowacji oraz RDM Makerspace, organizacją wspierającą start-upy, oraz Portem Morskim w Rotterdamie stworzyła modele, które zostały skutecznie wdrożone do użytku końcowego. Jednym z nich są łopaty śruby napędowej statku, używane na Stan Tug 1606. Część została wykonana z aluminium, niklu i stopu brązu w technologii Wire Arc Additive Manufacturing. WAAM polega na spawaniu łukowym materiału metalicznego w formie drutu. Z ekonomicznego punktu widzenia, jest to dużo bardziej opłacalna niż inne metody druku 3D z metalu, gdyż materiał w formie drutu jest znacznie tańszy, niż proszek metalowy. Co więcej, części wytworzone przyrostowo, w tym przypadku, są znacznie bardziej wytrzymałe, odporne na rozciąganie i twarde.
Mocowanie tulei cylindra
Druk 3D pozwala na wytwarzanie funkcjonalnych prototypów, w tym elementów roboczych silnika. Fiński producent silników do statków, Wartsila, zastosował metody przyrostowe do wykonania mocowania tulei cylindra z tłokiem i korbowodem. Element wytworzono za pomocą technologii FDM, we współpracy z Markforged. Mocowane zostało wykonane z materiału wzmacnianego włóknem węglowym. Zastosowanie druku 3D pozwoliło na redukcję wagi elementu o 75%, tym samym zachowując nośność konstrukcji i spełniając wszelkie warunki bezpieczeństwa.
Kadłub łodzi podwodnej wydrukowany 3D
Ponadto, US Navy w kooperacji z Oak Ridge National Laboratory stworzyła kompozytowy kadłub łodzi podwodnej. Projekt został wykonany z materiału wzmocnionego włóknem węglowym, za pomocą technologii Big Area Additive Manufacturing (BAAM). Element został wykonany z tworzywa wzmocnionego włóknem węglowym, a jego wielkość sięga 9 metrów długości. Wytworzenie kadłubu konwencjonalnymi metodami może trwać nawet do pięciu miesięcy, podczas gdy druk 3D pozwala na wykonanie go w kilka tygodni.
Tabliczki informacyjne wytworzone przyrostowo
Systemy używane w przemyśle morskim są bardzo skomplikowane i złożone z wielu urządzeń. Dlatego prawidłowe oznaczenia różnych urządzeń grają bardzo ważną rolę. Zazwyczaj producenci pomp, zaworów i zbiorników zapewniają odpowiednie tablice informacyjne, niemniej jednak zdarza się, że w trakcie użytkowania statku, do systemów wprowadzane są modyfikacje. Wtedy należy zmienić również tabliczki informacyjne, które mogą być z łatwością zaprojektowane w programie CAD i wydrukowane na drukarkach 3D.
Jak druk 3D wpływa na wytwarzanie części w przemyśle morskim?
Jak dowodzą badania klastra druku 3D z Maritime and Port Authority of Singapore i Singapore Shipping Association, wytwarzanie przyrostowe może skutecznie obniżyć koszty fabrykacji elementów stosowanych w przemyśle stoczniowym. Elementy używane na statkach mogą być wytwarzane zarówno z nylonu (ster, osłony śrub, czy wszelkiego rodzaju korki), żywicy np. śruby w kształcie litery U, czy stali, np. prowadnice. Części, które tradycyjnie są wytwarzane ze stopów metali mogą być wykonane z tworzyw sztucznych, nie tracąc przy tym swojej funkcjonalności i wytrzymałości. Ponadto, druk 3D pomaga zredukować czas fabrykacji, oraz koszty wytwarzania nawet o 1965 USD.
Porównując wytwarzanie przyrostowe do tradycyjnych metod fabrykacji, wdrożenie druku 3D niesie za sobą wiele korzyści. Należą do nich redukcja kosztów, redukcja masy obiektów czy optymalizacja ich kształtu i złożoności. W przemyśle morskim największe straty są generowane, gdy statek jest zacumowany w porcie. Dlatego najważniejszym czynnikiem przemawiającym za wytwarzaniem przyrostowym jest krótki czas produkcji. Kolejną zaletą jest produkcja części “na żądanie”, która umożliwia wytwarzanie elementów w dowolnej lokalizacji, bez dodatkowych opłat przewozowych czy celnych. Druk 3D może być używany również na pokładzie do produkcji części w technologii FDM, które nie wymagają wysokiej jakości czy powtarzalności. Ponadto, w niektórych, ekstremalnych przypadkach jedna drukarka 3D może zastąpić cały park maszynowy.
Dodatkowo, wytwarzanie przyrostowe może pozytywnie wpływać na środowisko. Drukowanie 3D redukuje ilość odpadów nawet o 90%, a ponadto nie wymaga stosowania szkodliwych substancji chemicznych. Niemniej jednak, należy pamiętać, że technologie addytywne nie zawsze mogą z powodzeniem zastąpić konwencjonalne metody wytwarzania.
Źródło: www.mdpi.com
Wersja [PDF]
Grafika przewodnia: www.pixabay.com
[darmowa do użytku komercyjnego]
