Výuka a výzkum aditivních technologií
Inovativní výrobní technologie nacházejí své místo také v technickém vzdělávání. Do svých osnov je dříve či později zakomponovaly všechny technické vysoké školy. Avšak pořízení nákladných technologií se neobejde bez podpory ze strany průmyslového výzkumu. Na Fakultě strojní ČVUT v Praze nyní disponují úplně novým zařízením M2 cusing pro výrobu dílů metodou DMLS německého výrobce Concept Laser, dnes působící pod značkou GE Additive. Stroj dodala společnost Misan a technologie slouží primárně pro výzkum v leteckém průmyslu.
Výuka aditivních technologií na Fakultě strojní byla ještě před pěti lety do značné míry fragmentována mezi jednotlivé ústavy, kde se každý věnoval této problematice v kontextu svého oboru. Prvním krokem k systematickému vzdělávání v této problematice bylo vytvoření uceleného předmětu v rámci magisterského studia mezi ústavy technologie, materiálového inženýrství, výrobních strojů, biomechaniky a ekonomiky v roce 2015. Od roku 2016 poté začala výuka, která je zajišťována ve spolupráci výše uvedených ústavů. Předmět má za úkol seznámit posluchače s možnostmi aditivních technologií v oblastech rychlého prototypování výrobků i standardních průmyslových výrobních procesů. Studenti jsou seznámeni s funkčními principy aditivních technologií pro zpracování nekovových i kovových materiálů a stejně tak s klíčovými konstrukčními prvky jednotlivých 3D tiskáren, aby chápali jejich limitace. Dále jsou v kontextu jednotlivých technologií seznámeni s výrobou materiálů pro 3D tisk a jejich vlastnostmi, včetně anizotropie mechanických vlastností, která je technologiím 3D tisku vlastní. Nechybí ani náhled na ekonomiku jednotlivých technologií v rámci kontextu průmyslové výroby.
Technologičnost konstrukce aditivně vyráběných dílů
Na základě těchto informací se poté studenty snažíme seznámit se základními pravidly pro konstruování dílů, tedy s technologičností konstrukce pro aditivní výrobu. To je podle našeho názoru základním předpokladem pro efektivní rozšíření 3D tisku napříč průmyslem v masovějším měřítku. Uživatelé již dnes začínají vnímat, že pokud díl navržený pro konvenční výrobní technologie pouze vytisknou, připravují se o značnou část potenciálu 3D tisku. Nepopíráme nesporný přínos 3D tisku v oblasti rychlého prototypování, kdy se vývojovým oddělením výrazně zkracuje cesta k prototypu dílu. Nicméně pořád v technické praxi chybí znalost, jak díly už ve fázi návrhu konstruovat pro aditivní výrobu, tak aby byl skutečně využit potenciál, který tyto technologie nabízejí (nejen v rámci úspory materiálu díky topologické optimalizací vnějšího tvaru dílů podle jejich namáhání, ale i náhradou plných stěn dílu vnitřními strukturami), a zároveň aby se výroba dílů zbytečně nekomplikovala, tedy neprodražovala. Bohužel zvyk je železná košile a není snadné přeorientovat se z technologičnosti konstruování pro obrábění na technologičnost pro 3D tisk – ani pro pedagogy, ani pro konstruktéry v průmyslu.
V rámci cvičení se snažíme studenty vést k jednoduchým projektům optimalizace návrhu a výroby nejčastěji uchopovacích prvků pro kolaborativní roboty, pro projekty automatizace montážních procesů, tak aby si sami udělali obrázek o vhodných a nevhodných konstrukčních řešeních. Ačkoliv fakulta disponuje i různými technologiemi 3D tisku kovových materiálů, jako je spékání prášku laserem, navařování práškových materiálů plazmatem či navařování materiálu ve formě drátu metodou MIG, v rámci cvičení jednoznačně vládnou technologie 3D tisku polymerů, které jsou provozně i cenově přívětivé. V rámci výuky využíváme zejména technologie firem Zortrax, Prusa Research i Stratasys. Od příštího akademického roku se nám podařilo zavést ucelenou výuku aditivních technologií také v rámci bakalářského studia.
Výzkum a vývoj 3D tisku kovů
Stejně tak jako došlo k významným změnám v systematické výuce aditivních technologií, došlo i k významnému posunu v oblasti výzkumu a vývoje 3D tisku kovů na Fakultě strojní ČVUT v Praze. V rámci výzkumného projektu Centrum pokročilých leteckých technologií bylo založeno širší Centrum leteckého a kosmického výzkumu, které bylo reakcí prof. Valáška na poptávku ze strany leteckého průmyslu po vysoce specializované výzkumné infrastruktuře, a v jeho rámci bylo kromě jiného vybudováno pracoviště 3D tisku kovových materiálů metodou DMLS. Pracoviště je vybaveno tiskárnou, práškovým hospodářstvím, vlastní pecí pro tepelné zpracování dílů, výpočetní tomografií a dalším zázemím, které je pro dokončovací operace po 3D tisku potřeba. Celý výrobní proces byl koncipován jako výzkumná základna pro letecký průmysl, kde jsou požadavky na vlastnosti dílů i opakovatelnost a stabilitu výrobních procesů v čase extrémně důležité. Samotná tiskárna M2 cusing od společnosti Concept Laser je vybavena několika užitečnými opcemi navíc. Je to např. opce QM Meltpool 3D, která sleduje tavný bod v reálném čase a umožňuje zaznamenat a následně analyzovat historii výroby každého dílu. Stejně tak CT systém Metrotom 1500 od společnosti Zeiss umožnuje přímou kontrolu dílů – jak z pohledu rozměrových a geometrických tolerancí, tak z pohledu vnitřních struktur a pórozity materiálu. V současné době máme již provedeny technologické zkoušky pro vybrané nereaktivní i reaktivní materiály (AISI 316L, 17-4 PH, Inconel 718, AlSi10Mg, Ti6Al4V ELI) a zpracováváme pro ně základní mechanické zkoušky, abychom věděli, jak vybrané parametry tisku a tepelného zpracování ovlivňují finální vlastnosti dílu. Výhodou zvoleného řešení je relativně rychlá možnost změny jednotlivých tištěných materiálů.
Velkou předností leteckého průmyslu je, že má přísně propracovaný systém práce s tradičními materiály a zároveň klade extrémní důraz na stabilitu výrobních procesů, které používá, aby zaručil plnění přísných specifikací samotných výrobků. To nám dává značný potenciál výzkumu a vývoje, neboť v oblasti 3D tisku kovů jsme ve všech těchto oblastech víceméně na začátku. Z pohledu rozměrových a geometrických tolerancí jsme v současné době s díly na úrovni odlitků dostupných technologií přesného lití, z pohledu textury povrchu jsme poté minimálně o řád pod nimi. V praxi neexistuje jakýkoli systém standardizace práškových materiálů, tzn. že není možné očekávat stejné vlastnosti materiálů mezi jednotlivými dodavateli prášků, stejně tak nejsou přenositelné parametry tisku a mechanické a únavové vlastnosti dílů mezi výrobci jednotlivých tiskáren.
Průmysloví partneři
3D tisk nám sice umožňuje výrobu tvarově složitých dílů, nicméně jejich nízká rozměrová a geometrická přesnost a textura povrchu neustále vyžadují opracovávání (obrábění). Reálně jsme v průmyslu v situaci, že musíme opět řešit přípravky a upínání tištěných dílů, které mnohdy díky bionickým strukturám není jednoduché. Stručně řečeno, v oblasti výzkumu a vývoje technologie 3D tisku je stále co dělat. Mezi naše průmyslové partnery v této oblasti patří zejména společnost Aero Vodochody Aerospace, která nás přizvala jako jednoho z partnerů pro vývoj technologie a procesu na díl v rámci primární struktury letounu. Podle našich znalostí to bude pravděpodobně první společnost v Čechách, která uvažuje o takto kritickém dílu v rámci primární struktury. Dalším zajímavým partnerem z pohledu budoucnosti je společnost GE Additive. Pro ni jsme také jedním z partnerů v připravovaném evropském projektu automatizace a integrace 3D tisku do výrobního prostředí díky ucelenosti naší infrastruktury 3D tisku, kontrole kvality pomocí CT a přímé návaznosti na technologie obrábění pro dokončování dílů do požadovaných specifikací.