Čo firma, to vlastný príbeh. No jedno majú všetky spoločné. S dobrým nápadom musí prísť konkrétny človek. Alebo viacerí ľudia. A to bol prípad aj firmy Printy. Ladislava a Radoslava Behulovcov doplnil Martin Kniha. Každý z nich predtým pôsobil v inej priemyselnej sfére a práve svoju synergiu chceli využiť ako základ budúcej podnikateľskej aktivity. A nie hocijakej. Preskočili fázu domácich „kutilov“ a rovnými nohami sa vrhli na jednu z tých technológií, ktoré sa v súčasnosti často označujú ako exponenciálne – priemyselnú aditívnu výrobu, bežne nazývanú 3D tlač. Podstatný rozdiel oproti zvyčajne dostupným 3D tlačiarňam je v tom, že Printy vlastní zariadenia na priemyselnú 3D tlač, ktoré dokážu prostredníctvom tlačového procesu Metal Binder Jetting (MBJ) tlačiť rozmerovo najväčšie predmety, aké je dnes možné touto technológiou vytlačiť.
Technológia, ktorá dospela
Motiváciou ísť podnikať do oblasti 3D tlače bolo to, že pred približne štyrmi rokmi sa na trhu začali objavovať technológie a zariadenia, ktoré začali poskytovať nové možnosť 3D tlače z kovových práškov. Jednou z najdôležitejších inovácií týchto technológií bolo zvýšenie výrobnej kapacity za akceptovateľnú cenu porovnateľnú s malosériovou výrobou využívajúcou tradičné postupy. Druhým faktom bolo prekonanie obmedzení, čo sa týka dizajnu finálnych výrobkov, ktorý bolo možné tradičnými postupmi dosiahnuť len veľmi ťažko a nákladne alebo vôbec. „Snažíme sa na Slovensko priniesť moderné technológie, aby sme podporili inovačný potenciál našej krajiny a mali k dispozícii lokálnu kapacitu na takéto moderné spôsoby výroby,“ vysvetľuje na úvod nášho stretnutia R. Behul.
Inšpirácie hľadali aj za veľkou mlákou, kde navštívili špecializované veľtrhy zamerané na aditívnu výrobu a 3D tlač. „Tam sa nám potvrdilo, že pre výrobu menších sérií a špecifických produktov, ktoré sa využívajú v rôznych priemyselných odvetviach, sú tieto technológie budúcnosťou,“ dopĺňa M. Kniha. Odborníci z tejto oblasti sa v západných krajinách spájajú v rámci rôznych združení a komunít, kde si vymieňajú skúsenosti, v spolupráci s výrobcami technológií hľadajú inovatívne riešenia a vytvárajú navzájom obchodné príležitosti. Spoločnosti sa podarilo doviesť na Slovensko najväčšie tlačiarne tzv. Binder Jet na svete. Ak doteraz boli na trhu dostupné tlačiarne Binder Jet s objemom tlačového priestoru 25 litrov, Printy má tlačiareň s objemom 160 litrov (800 x 500 x 400 mm). A nie jednu, ale hneď dve!
Po dokončení inštalácie všetkých potrebných zariadení, ktorá sa začala v septembri minulého roku, má Printy za sebou tlač prvých overovacích sérií produktov. „Našou snahou je na začiatku analyzovať obmedzenia, mapovať nedostatky, ale aj ukázať možnosti a kvalitu tohto spôsobu výroby produktov. Sme takpovediac priekopníci v tejto oblasti, úzko spolupracujeme s výrobcom 3D tlačiarne, ktorý od nás zbiera skúsenosti a na druhej strane nám zabezpečuje výbornú podporu v našich aktivitách. Ak chceme čo najskôr uspieť na trhu a u zákazníkov, musíme vychytať všetky, aj tie najmenšie detaily, aby sme boli pripravení na široké spektrum požiadaviek, ktoré už pomaly, ale isto začínajú prichádzať,“ konštatuje M. Kniha.
Výrazné zvýšenie rýchlosti tlače
Technológia Binder Jet vznikla v roku 1993 na univerzite MIT v USA. Prvých 25 rokov sa táto technológia skúšala len v akademickom prostredí, a to s obdobnými tlačovými hlavami, aké boli vtedy známe z atramentových tlačiarní. Objem tlačového priestoru týchto prototypov tlačiarní Binder Jet bol jeden liter. Práve autori prelomového článku z MIT o technológii Binder Jet prvýkrát použili slovné spojenie 3D tlač, ktoré sa v súčasnosti zaužívalo pre široké spektrum rôznorodých technológií tlače. „Len nedávno sa začali objavovať tlačiarne využívajúce technológiu Binder Jet, ktoré mali už väčší tlačový priestor – od 8 do 25 litrov. Sme však prví na svete, kto má k dispozícii tlačiareň s tlačovým objemom 160 litrov,“ konštatuje s dávkou hrdosti R. Behul. Vďaka takémuto zväčšeniu tlačového objemu sa podarilo výrazne zvýšiť aj rýchlosť tlače.
Jadrom aditívnej výroby v Printy je 3D tlačiareň X1 160Pro™ od spoločnosti ExOne. Binder Jet je jednou zo siedmich hlavných technológií aditívnej výroby, ktoré uvádza norma ISO/ASTM 52900: 2015. Všeobecne je považovaná za jeden z najrýchlejších a najflexibilnejších spôsobov 3D tlače. Pretože technológia počas tlače materiál neroztaví, je mimoriadne vhodná aj na tlač z keramických materiálov, ako je piesok, z recyklovaných materiálov, práškového betónu a iných druhov odpadu. Na rozdiel od akejkoľvek inej metódy aditívnej výroby možno v rámci Binder Jet tiež nastaviť pórovitosť alebo hustotu 3D tlače.
Vstupom na výrobu dielu na 3D tlačiarni je digitálny súbor vo formáte STL alebo CAD súbor. Vstupom môže byť aj samotný funkčný alebo chybný diel, ktorý v spoločnosti Printy dokážu naskenovať a previesť do požadovanej digitálnej podoby vhodnej pre 3D tlačiareň.
Tlač do „kopy kovového prášku“
Samotný proces tlače je založený na vrstvení kovového prášku, pričom sa vytláča spojivo (živica), ktoré čiastočky kovového prášku spojí. Takto sa vytvárajú jednotlivé 2D vrstvy. Po vytlačení každej vrstvy sa uskutočňuje proces jej sušenia. Výhodou technológie Binder Jet je, že finálny výrobok sa tlačí do súvislého tlačového boxu, resp. „kopy kovového prášku“, keď nanášanie spojiva len na určité časti v tejto kope v konečnom dôsledku vytvára samotný finálny produkt. Takýmto spôsobom nie je potrebné vyrábať žiadne podpory na previsnuté časti produktu, ktoré sú nevyhnutné pri iných technológiách 3D tlače, pretože tie drží nespojený kovový prášok.
Po nanesení a vysušení poslednej vrstvy sa celý tlačový box prenáša do druhého zariadenia nazývaného vytvrdzovacia pec. Tu sa celý tlačový box zohrieva šesť hodín pri teplote 150 °C. Tekutá zložka spojiva sa v peci odparí a zostane vysušený polymér, vďaka ktorému finálny výrobok získava pevnosť. Po vytvrdení sa tlačový box prenáša do zariadenia podobného pieskovacej kabíne a začína sa proces vyberania finálnych dielov z „kopy“ kovového prášku. „Vyzerá to veľmi podobne, ako keď sa archeológovia snažia oddeliť zo zeme nájdené skameneliny. Používame pri tom rôzne štetce, vysávač, stlačený vzduch, čím sa odstránia aj tie najmenšie čiastočky kovového prachu. V tejto fáze máme produkt, ktorý interne nazývame zelený diel a ktorý má 60 % hustotu, pričom zvyšných 40 % sú póry,“ vysvetľuje R. Behul. Takýto diel sa následne umiestňuje do sintrovacej pece a zahrieva na teplotu tesne pod bodom tavenia kovu presahujúcu 1 300 °C, z ktorého je diel vyrobený. Póry sa začnú uzatvárať, dielec sa zmrští v osiach x a y približne o 15 % a v osi z o 17 % a zároveň sa dosiahne finálna hustota na úrovni 98 – 99 % zliatiny kovu, ktorý bol v podobe prášku použitý na vstupe do tlačiarne. „Uvedené rozmerové zmeny sa už kompenzujú vo fáze digitálneho návrhu dielca a pri príprave tlačového boxu. Rozmerová odchýlka je vo výsledku ±2 %, pričom po niekoľkých iteráciách možno dosiahnuť odchýlku pod 1 %. Následne sa môžu na takomto dielci robiť ďalšie potrebné úpravy, ako pieskovanie, leštenie, zváranie, dielec možno opracovávať v rámci CNC na dosiahnutie požadovaných rozmerov,“ konštatuje R. Behul.
Ak sa pozrieme na pevnosť a tuhosť 3D tlačených produktov technológiou Binder Jet, tu je na mieste porovnanie s kategóriou iných technológií práškovej metalurgie, nakoľko technológia Binder Jet ako taká nemá zatiaľ definované normy a štandardy. Najčastejšie sa využívajú štandardy a normy týkajúce sa technológie Metal Injection Moulding (MIM), kde sú stanovené minimálne požiadavky na rôzne parametre, ktoré produkty vyrobené týmto technologickým postupom musia spĺňať. Binder Jet v mnohých prípadoch tieto hodnoty presahuje.
Okrem spomínaných štyroch hlavných zariadení sa pri tlači Binder Jet používajú aj ďalšie pomocné zariadenia. Z tohto hľadiska je potrebné spomenúť aspoň jedno – zariadenie na homogenizáciu prášku. Po vytlačení dielov sa zvyšný kovový prášok, ktorý sa nachádza v tlačovom boxe, rekondicionuje, t. j. preosieva a upravuje tak, aby bol znovu použiteľný na vytlačenie nových produktov. „Ak si teda odmyslíme minimálnu časť prášku, ktorá sa odfúkne pri konečnom čistení a nepredstavuje ani jedno percento z použitého objemu prášku, tak technológia Binder Jet neprodukuje žiaden odpad,“ vysvetľuje R. Behul.
Kontrola kvality
V najbližšom čase by mali do procesu tlače pribudnúť ďalšie funkcionality týkajúce sa monitorovania priebehu tlače. „S naším dodávateľom by sme radi otvorili otázku zakomponovania systému na spracovanie obrazu a ďalších podporných technológií, ktoré by nám dokázali v reálnom čase dať informáciu o priebehu tlače, možných odchýlkach či nedostatkoch, aby sme čo najskôr dokázali urobiť patričnú nápravu,“ hovorí R. Behul. Vyššou úrovňou by mali byť systémy, ktoré dokážu autonómne, bez zásahu človeka odhaliť, že niečo sa v danej vrstve nepodarilo spraviť presne a v ďalšej vrstve si to systém automaticky „dorovná“. Spomenuté riešenia sú v rámci akademického výskumu dotiahnuté a zrealizované, čaká sa na ich prechod do reálnej praxe.
Kontrola kvality sa teda zatiaľ v prípade spoločnosti Printy realizuje prostredníctvom tzv. testovacích kupónov – 20 kociek s rozmerom 20 x 20 mm rozmiestnených na rôznych miestach v rámci tlačového boxu. Tie sa podrobujú testom na kontrolu niekoľkých fyzikálnych parametrov. Až po kladnom výsledku testu tlačových kupónov možno konštatovať, že aj ostatné tlačené produkty budú mať požadovanú kvalitu. Po skončení tlače každej série výrobkov prebehne ich rozmerová kontrola, ktorá má potvrdiť deklarovanú rozmerovú presnosť tlače na úrovni už spomínaných ±2 %. V rámci testovania kvality spolupracuje Printy aj s Technickou univerzitou v Košiciach, kde využíva zariadenia na skenovanie vnútra tlačených produktov.
Kapacita aj pre sériovú výrobu za prijateľnú cenu
Za posledné roky sa vyvinuli dva hlavné prúdy kovovej 3D tlače. Obidva sú založené na tom, že sa po vrstvách ukladá kovový prášok. Rozdiel je však v tom, že pri jednom spôsobe sa jednotlivé vrstvy spekajú pomocou laseru a pri technológii Binder Jet sa vrstvy vytvárajú pridaním spojiva (živice). Druhá spomínaná technológia je z hľadiska tvorby finálneho produktu podstatne rýchlejšia. Zatiaľ čo laser akoby vykresľuje vrstvu ceruzkou a jeho kapacita sa pohybuje na úrovni cca 200 cm3/hod., tlačiarne Binder Jet inštalované v Printy majú tlačovú kapacitu cca 5 000 cm3/hod. „To nám umožňuje vyrábať od kusových zákaziek až po sériovú výrobu bežne požadovanú v priemyselných odvetviach. Nemenej dôležitý je aj fakt, že pri približne rovnakej cene laserovej technológie a technológie Binder Jet je ich kapacita neporovnateľná. Aj preto dokážeme ponúknuť podstatne lepšiu cenu za produkt vytlačený technológiou Binder Jet ako laserovou technológiou,“ konštatuje R. Behul. Navyše pre laserovú 3D tlač sú na vstupe špeciálne kovové prášky, zatiaľ čo do tlačiarne Binder Jet možno dať štandardný kovový prášok, ktorý je štyrikrát lacnejší. „Pri našich prepočtoch z hľadiska kapacity dvoch tlačiarní, ktoré máme v našej firme, sme sa dostali k číslu 50 ton kovových dielov, ktoré by mala každá z nich vyprodukovať za rok,“ konštatuje R. Behul. To by pri menších až stredne veľkých dieloch predstavovalo kapacitu rádovo stovky tisíc až milióny kusov ročne.
Už tlačia pre Porsch
Na tlač Binder Jet sa dá pozerať z troch uhlov pohľadu. Prvým je typ materiálu, z ktorého možno diely tlačiť. „Tu máme v súčasnosti k dispozícii tri druhy kovov, z ktorých sme schopní v našej spoločnosti diely tlačiť. Ide o nehrdzavejúcu oceľ 316 L triedy 17, nástrojovú oceľ M2 triedy 19 a striebro. Perspektívne by sme chceli zaradiť do nášho portfólia aj prášky medi, hliníka a titánu. Všade tam, kde sa vyžadujú výrobky z týchto materiálov, vieme zabezpečiť ich výrobu až do rozmerov 800 x 400 x 500 mm,“ vysvetľuje M. Kniha.
Na 3D tlač sa možno pozrieť aj z pohľadu jednotlivých priemyselných odvetví. Na Slovensku je množstvo strojárskych firiem, ktoré vyrábajú diely tradičnými výrobnými metódami opracovania, odlievania a pod. pre rôzne priemyselné odvetvia. Tu je priestor práve na rýchlu a cenovo efektívnu 3D tlač.
A tretí pohľad je ten, že 3D tlač sa uskutočňuje bez potreby použitia foriem a nástrojov. „Stále sme na začiatku procesu etablovania 3D tlače v slovenskom priemysle a zatiaľ nemáme vyhranených konkrétnych zákazníkov či odvetvia, ale mnohé veci doteraz vyrábané štandardnými spôsobmi vieme realizovať 3D tlačou za veľmi výhodných podmienok,“ dodáva M. Kniha. Nehovoriac o voľnosti z hľadiska práce vývojárov a generatívneho dizajnu, keď 3D tlač poskytuje takmer neobmedzené možnosti, čo sa pri klasických výrobných postupoch nedá zďaleka dosiahnuť.
Za relatívne krátky čas svojej existencie má Printy za sebou aj prvé skúsenosti s 3D tlačou pre spoločnosť Porsche Werkzeugbau, s. r. o., z Hornej Stredy, ktorá plánuje nahradiť výrobu menších nástrojov vyrábaných lisovaním práve 3D tlačou. Veľkým segmentom pre 3D tlač je aj výroba náhradných dielov pre rôzne strojné a technologické zariadenia či automobily veterány alebo lode, ktoré už na trhu nie sú dostupné. Pritom môže ísť nielen o funkčné, ale aj dekoratívne prvky. „Pre každého, kto potrebuje vyrobiť dielec do veľkosti cca basketbalovej lopty v počte kusov jeden až niekoľko desaťtisíc, je 3D tlač vhodným riešením,“ dopĺňa R. Behul.
Ďalším partnerom, ktorý využíva výhody aditívnej výroby, je Bratislavská mincovňa. „Zberateľská minca vytlačená 3D tlačou bola jedným z prvých produktov, kde sme sa snažili ukázať možnosti našej technológie,“ hovorí R. Behul, ktorý vidí potenciál na využitie 3D tlače využívajúcej kovový prášok nielen v mincovníctve, ale napr. aj klenotníctve.
Spoločnosť zatiaľ ponúka 3D tlač ako službu, ale časom plánuje aj výrobu vlastných výrobkov.
Výhody a obmedzenia
Technologická zložitosť finálnych produktov nepredstavuje pre tlač Binder Jet žiadne obmedzenia. To sa odrazí aj na efektívnosti z hľadiska nákladov na výrobu takýchto konštrukčne zložitých dielov, ktoré by pri tradičných výrobných postupoch boli niekoľkonásobné, prípadne by sa také diely nedali ani vyrobiť. „Vývojári tak dostávajú veľký priestor na realizáciu, keď svoje návrhy už nemusia obmedzovať vyrobiteľnosťou, ale môžu sa sústrediť na výkon a funkčnosť,“ vysvetľuje výhody R. Behul.
Ďalšou výhodou pri 3D tlači Binder Jet je to, že v porovnaní s odlievaním alebo opracúvaním produktov možno znížiť ich hmotnosť tým, že sa materiál nenanesie na miesta, kde nemusí byť. A to bez kompromisu z hľadiska mechanických vlastností či funkčnosti produktu. Navyše produkty, ktoré sa doteraz vyrábali z niekoľkých samostatných dielov, sa pomocou 3D tlače dajú vyrobiť ako jeden kus často s vyššou pevnosťou. Tým sa môže zúžiť aj okruh niekoľkých dodávateľov na jedného.
Prostredníctvom 3D tlače tak možno skrátiť čas na logistické zabezpečenie náhradných dielov a znižujú sa nároky na kapitál viazaný na skladové zásoby.
Výzvou pre Binder Jet je tlač dutých telies. Po výrobe treba odstrániť prebytočný prášok z dutín, na čo je potrebný otvor, cez ktorý by sa prášok dal vyfúknuť, vyplaviť a pod. Ten však nie je vždy k dispozícii. V takom prípade možno diel vytlačiť z dvoch kusov a po odstránení prebytočného kovového prášku ich v sintrovacej peci spojiť. „Procesom tavenia sa kovové častice spoja podobným spôsobom ako pri zváraní, čím sa vytvorí pevný spoj, ktorý má parametre minimálne také dobré, ak nie lepšie, ako hociktorá časť povrchu daného komponentu po sintrovaní,“ vysvetľuje M. Kniha.
Svoje obmedzenia má tlač Binder Jet aj z hľadiska hrúbky steny, ktorá by nemala byť menšia ako 2 mm. „Keď tlačíme menšie hrúbky, je ťažšie vybrať finálne diely z tlačového boxu bez toho, aby sa nepoškodili, nezlomili,“ hovorí R. Behul.
Vízia centra aditívnej technológie na Slovensku
O tom, že technológia 3D tlače má svetlú budúcnosť, svedčí aj reakcia niektorých slovenských škôl na všetkých stupňoch vzdelávania, ktoré zaradili do svojich učebných plánov aj túto oblasť. „Je pozitívne, že mladí ľudia začínajú objavovať tému 3D tlače, a to nielen z hľadiska hobby, ale idú do hĺbky aj z hľadiska samotnej technológie, materiálov a pod. Za pár rokov bude mať Slovensko niekoľko desiatok odborníkov v oblasti 3D tlače a my chceme byť pripravení ponúknuť im profesionálne zázemie a možnosti praktického rozvoja ich teoretických vedomostí,“ konštatuje M. Kniha.
Jednou z výziev do najbližšieho obdobia bude aj zmena zmýšľania vývojárov a konštruktérov produktov a zariadení. „Máme veľa šikovných vývojárov, ktorí riešia zaujímavé projekty. Práve im chceme dať možnosti 3D tlače do povedomia, aby sa nebáli vysokých nákladov za tlač produktov pomocou 3D tlače a využili konštrukčnú slobodu pri inovatívnych návrhoch,“ konštatuje M. Kniha.
„Radi by sme sa časom stali centrom aditívnej výroby na Slovensku so zameraním na technológiu Binder Jet, ktoré by dokázalo spájať rôzne subjekty z tejto oblasti, prepájať ich aktivity a vzájomne niektoré postupy koordinovať,“ uzatvára naše stretnutie M. Kniha.
Ďakujeme spoločnosti Printy za možnosť realizácie reportáže a R. Behulovi a M. Knihovi za poskytnuté informácie.
