W ciągu ostatniej dekady produkcja addytywna, znana również jako druk 3D lub wytwarzanie przyrostowe, zrewolucjonizowała sposób projektowania i wytwarzania części i produktów. Zgodnie z normą BS EN ISO/ASTM 52900 produkcja addytywna jest definiowana jako proces łączenia materiałów w celu wytworzenia części z danych modelu 3D, zwykle warstwa po warstwie, w przeciwieństwie do metodologii produkcji subtraktywnej i produkcji formatywnej. Jako technologia produkcyjna, znajduje ona zastosowanie w różnych sektorach, w tym m.in. w branży motoryzacyjnej, branży lotniczej i kosmicznej, w opiece zdrowotnej, w przemyśle naftowym i gazowym, w branży energetycznej i produkcji energii, w branży modowej, budowlanej, w branży edukacyjnej oraz w sztuce kreatywnej. Szacunki wskazują, że wielkość rynku produkcji addytywnej osiągnęła 20,37 mld USD w 2023 r., przy prognozowanym CAGR przekraczającym 20% w ciągu następnej dekady.
Dlaczego warto korzystać z produkcji addytywnej?
W przewidywalnej przyszłości konwencjonalne metody produkcji, takie jak między innymi odlewanie, kucie, obróbka skrawaniem i fabrykowanie, pozostaną istotną częścią środowiska produkcyjnego. Produkcja addytywna ma wiele zalet uzupełniających produkcję konwencjonalną i będzie coraz ważniejszym narzędziem w przyborniku inżyniera. Ze względu na swój charakter, produkcja addytywna oferuje wiele możliwości.
1) Tworzenie prototypów – ze względu na swój beznarzędziowy charakter i możliwości szybkiej produkcji, produkcja addytywna umożliwia inżynierom fizyczną wizualizację i szybkie badania prototypowych części. Ta przyspieszona zdolność do iteracji projektów znacznie skraca cykl opracowywania nowego produktu.
2) Personalizacja – produkcja addytywna pozwala na projektowanie i produkcję pojedynczych, niestandardowych części bez konieczności stosowania drogich narzędzi. W szczególności branża opieki zdrowotnej czerpie korzyści z tego podejścia, gdzie unikalne implanty dla pacjentów mogą być bezproblemowo szybko wytwarzane i dostosowywane.
3) Części zamienne – na rynku wtórnym i w branży usług produkcja addytywna umożliwia opłacalną, lokalną produkcję niewielkich partii złożonych części w krótkim czasie realizacji tam, gdzie są one potrzebne. Gdy mamy do czynienia z wycofanymi z produkcji częściami, produkcja addytywna stanowi skuteczne rozwiązanie w zakresie inżynierii wstecznej i pozyskiwania części do krytycznych zasobów inżynieryjnych, wydłużając ich żywotność. W przypadku napraw i konserwacji możliwość pozyskiwania części na żądanie znacznie zmniejsza fizyczne zapasy części i pozwala nam stosować cyfrowe rozwiązania magazynowe.
4) Poprawa wydajności – produkcja addytywna oferuje niezrównaną swobodę projektowania, umożliwiając inżynierom tworzenie części lub produktów, które zapewniają doskonałe wyniki i redukcję masy. Przykłady obejmują zwiększenie wydajności turbin gazowych lub silników lotniczych, projektowanie wysoce kompaktowych i wydajnych wymienników ciepła oraz optymalizację form wtryskowych z chłodzeniem konformalnym. Wytworzone przy użyciu produkcji addytywnej formy wtryskowe mogą prowadzić do wytwarzania lepszych produktów, zmniejszenia ilości odpadów i skrócenia czasu cyklu wtryskiwania.
5) Poprawa żywotności – poprzez projektowanie części dostosowanych do określonych środowisk pracy, produkcja addytywna przyczynia się do poprawy trwałości. Części lepiej znoszą naprężenia, są odporniejsze na zmęczenie i zużycie. Integracja części eliminuje połączenia i interfejsy, co prowadzi do ich dłuższej żywotności. Dostosowywanie właściwości materiałów, takie jak stosowanie materiałów biokompatybilnych do implantów medycznych lub materiałów wysokotemperaturowych do silników lotniczych, dodatkowo zwiększa trwałość.
Rewolucja w przemyśle: transformacyjna moc produkcji addytywnej
Wdrożenie produkcji addytywnej w różnych branżach podkreśla jej wszechstronność i potencjał transformacyjny. Przyjrzyjmy się kilku godnym uwagi przykładom:
1) Niepowtarzalne produkty lotnicze i kosmiczne:
- Jedną z najczęściej omawianych części wytwarzanych w procesie produkcji addytywnej w przemyśle lotniczym jest dysza paliwowa LEAP firmy GE. Jest ona produkowana przy użyciu technologii laserowego spiekania części w złożu proszkowym, która polega na nakładaniu warstw proszku w celu stworzenia obiektu 3D. Przy produkcji 1000 sztuk rocznie część ta osiąga imponujące wyniki:
i) około 25% redukcję masy
ii) około 20 elementów skonsolidowanych w jednej części - Skomplikowana konstrukcja wewnętrznych kanałów i eliminacja połączeń przyczyniają się do lepszej trwałości i wydajności. Wdrożenie wytwarzania tej części jest uważane za punkt zwrotny w produkcji addytywnej i w lotnictwie, torując drogę do szerszego przyjęcia tego rozwiązania.
2) Części zamienne w branży energetycznej i naftowo-gazowej
- Zapewnienie dostaw części zamiennych na czas ma kluczowe znaczenie dla branży energetycznej i naftowo-gazowej. Sulzer Ltd., producent OEM pomp przemysłowych, opracował rozwiązanie umożliwiające szybką produkcję zamkniętych wirników pomp w ciągu kilku dni (w porównaniu do tygodni). Podejście firmy łączy w sobie najlepsze cechy zarówno produkcji addytywnej, jak i konwencjonalnej:
i) Rdzeń wirnika jest wytwarzany za pomocą 5-osiowego frezowania z pręta.
ii) Następnie osłona i łopatki są tworzone poprzez iteracyjne etapy laserowego osadzania metalu (LMD) oraz obróbkę skrawaniem. - Dzięki tej metodzie zamknięty wirnik pompy może zostać dostarczony w czasie krótszym niż 2 tygodnie (w porównaniu do 15-20 tygodni w przypadku konwencjonalnej produkcji). Obrobione wykończenie powierzchni hydraulicznych prowadzi do poprawy wydajności nawet o 3%, co przekłada się na znaczne oszczędności w zakresie emisji zanieczyszczeń związanych z pracą pompy.
3) Biokompatybilne implanty medyczne:
- Firma Stryker wykorzystuje swobodę projektowania geometrycznych kształtów dla produkcji addytywnej do tworzenia porowatych struktur naśladujących gąbczastą tkankę kostną. Ich przednia klatka lędźwiowa (system międzytrzonowy Monterey AL) jest wykonana z proszku stopu tytanu przy użyciu technologii laserowego spiekania części w złożu proszkowym. Porowata struktura przypominająca kość ułatwia aktywność osteogenną (budowanie kości) i poprawia integrację implantu.
4) Elastyczność i innowacyjność łańcucha dostaw:
- W czasie pandemii Covid-19 w różnych sektorach przemysłu pojawiły się krytyczne wyzwania związane z dostawami części zamiennych. W tym czasie, na przykład, firma Sulzer Ltd. pozyskała w USA części do pierwszego stopnia pierścieni stojana mającej krytyczne znaczenie turbiny gazowej GE Frame 3 przy użyciu produkcji addytywnej. Konwencjonalne opcje były niedostępne z powodu zamknięcia odlewni. Te poddane inżynierii wstecznej i wytworzone w drodze produkcji addytywnej części zapewniły ciągłość działania turbiny gazowej, utrzymując sprawność infrastruktury krytycznej podczas kryzysu. Podkreśliło to, w jaki sposób produkcja addytywna może zapewnić innowacyjność i elastyczność łańcucha dostaw.
Radzenie sobie z wyzwaniami: kluczowe czynniki wpływające na przyszłość produkcji addytywnej
Podobnie jak wiele innych rozwiązań, produkcja addytywna stoi przed kilkoma wyzwaniami związanymi z wdrożeniem na pełną skalę. Wykorzystanie pełnego potencjału produkcji addytywnej zależy od zajęcia się kluczowymi czynnikami umożliwiającymi jej przyszły rozwój:
1) Opłacalność – inwestycja wymagana do skonfigurowania operacji produkcji addytywnej może być wysoka, zwłaszcza biorąc pod uwagę wszystkie operacje przetwarzania końcowego potrzebne do wykończenia części. Koszt materiałów wykorzystywanych w produkcji addytywnej również może być znaczny. Z drugiej strony, pocieszające jest to, że wprowadzenie większych i szybszych maszyn poprawia ogólną opłacalność produkcji addytywnej.
2) Eliminacja braków umiejętności – aby branża produkcji addytywnej mogła się rozwijać, niezbędna jest edukacja i szkolenie wykwalifikowanych specjalistów. Podczas gdy wiele uniwersytetów i instytutów edukacyjnych oferuje obecnie kursy poświęcone produkcji addytywnej, możliwość zdobycia praktycznego doświadczenia nie jest jeszcze w pełni dostosowana do potencjału wzrostu branży.
3) Własność intelektualna i ochrona danych – własność intelektualna i ochrona danych pozostają tematami szeroko dyskutowanymi w branży. Ze względu na cyfrowy charakter procesu produkcji addytywnej dane są podatne na kradzież lub nieautoryzowane użycie. W miarę jak branża opracowuje takie rozwiązania jak magazyny cyfrowe, czynione są postępy w celu rozwiązania tego problemu. Produkcja addytywna generuje również znaczną liczbę plików cyfrowych w procesie wytwarzania, co wymaga analizy i przechowywania dużych ilości danych. Uczenie maszynowe i sztuczna inteligencja są coraz częściej wykorzystywane do sprostania temu wyzwaniu.
4) Skalowalność, niezawodność i harmonizacja – skalowanie procesów produkcji addytywnej z produkcji małoseryjnej do większych ilości stanowi obecnie wyzwanie ze względu na problemy z przenoszeniem procesów. Dążenie branży do różnicowania maszyn do produkcji addytywnej doprowadziło do problemów z przenoszeniem procesów i brakiem standaryzacji. Harmonizacja między różnymi producentami OEM ma kluczowe znaczenie dla zmniejszenia wysiłków związanych z przenoszeniem i skalowaniem procesów produkcji addytywnej. Chociaż maszyny do produkcji addytywnej są złożonymi systemami, ich niezawodność i dostępność stopniowo się poprawia, ale nadal pozostają w tyle za konwencjonalnymi procesami.
5) Ramy regulacyjne – pierwsi użytkownicy technologii produkcji addytywnej, tacy jak branża lotnicza i kosmiczna, poczynili znaczne postępy w opracowywaniu norm i certyfikacji zgodności dla części i wyrobów wytworzonych w drodze produkcji addytywnej. Międzynarodowe organy normalizacyjne aktywnie pracują nad wyeliminowaniem luk. Obecnie dla użytkowników technologii produkcji addytywnej dostępnych jest kilka norm obejmujących różne aspekty produkcji i certyfikacji wytworzonych przy jej użyciu części. Komitet AMT/8 BSI kierował opracowywaniem kilku norm we współpracy z ASTM i ISO. Niektóre z kluczowych wydanych norm to m.in.:
- BS EN ISO/ASTM 52900 – Wytwarzanie przyrostowe – Zasady ogólne – Podstawy i słownictwo
- BS EN ISO/ASTM 52901 – Wytwarzanie przyrostowe – Zasady ogólne – Wymagania dla kupowanych części wyprodukowanych w procesach wytwarzania przyrostowego AM
- BS EN ISO/ASTM 52904 – Wytwarzanie przyrostowe – Cechy i wydajność: Wytyczne procesu stapiania proszków metali w celu uwzględnienia istotnych zastosowań
- BS EN ISO/ASTM 52925 – Wytwarzanie przyrostowe polimerów – Materiały wsadowe – Kwalifikacja materiałów do laserowego spiekania części w złożu proszkowym
- Seria BS EN ASTM ISO/ASTM 52911 – Wytwarzanie przyrostowe – Projektowanie – Stapianie proszków polimerów za pomocą lasera
Podsumowując, produkcja addytywna jest gotowa zrewolucjonizować przemysł wytwórczy, oferując bezprecedensowe możliwości w zakresie innowacji, personalizacji i zrównoważonego rozwoju. Pełne wykorzystanie jej potencjału wymaga jednak wspólnych wysiłków w celu przezwyciężenia wyzwań technicznych, ekonomicznych i regulacyjnych, przy jednoczesnym wspieraniu kultury innowacji i współpracy między poszczególnymi branżami.
