Η τρισδιάστατη εκτύπωση προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα σε βιομηχανικές εφαρμογές και πλέον η μαζική παραγωγή αποτελεί το επόμενο βήμα για την επαναστατική αυτή μέθοδο. Υπάρχουν αντικειμενικές δυσκολίες σχετικά με την παραγωγή μεγάλη κλίμακας μέσω τρισδιάστατης εκτύπωσης, αλλά πλέον με τις δυνατότητες που προσφέρουν τα ψηφιακά εργαλεία, η μαζική παραγωγή είναι πιο εφικτή από ποτέ.
Tων κ. Δημήτρη Μπάρκα και Αγαθοκλή Κριμπένη*
Πριν από δέκα χρόνια, η τρισδιάστατη εκτύπωση ήταν πολύ σπάνιο θέμα συζήτησης για την κατασκευή σε κλίμακα, παρά τα εγγενή πλεονεκτήματά της. Οι κατασκευαστές πρέπει να κοιτάξουν ξανά την τελευταία γενιά τρισδιάστατων εκτυπωτών όταν αναζητούν ευέλικτες λύσεις παραγωγής.
Ένα από τα μεγαλύτερα ερωτηματικά στον κλάδο της τρισδιάστατης εκτύπωσης / προσθετικής κατασκευής (additive manufacturing [AM]) είναι η «μαζική παραγωγή». Οι τεχνολογίες που συνθέτουν το οικοσύστημα της προσθετικής κατασκευής έχουν καθιερωθεί για περισσότερα από 30 χρόνια ως η «go to» λύση για τη δημιουργία πρωτοτύπων σε όλους σχεδόν τους κατασκευαστικούς τομείς. Έχουν αποκτήσει ακόμη βάση για εφαρμογές τελικής χρήσης, όπως είναι ανταλλακτικά ή εργαλεία κατασκευής. Το όνειρο της βιομηχανίας, ωστόσο, ήταν πάντα να δει την προσθετική κατασκευή ως μια πραγματική τεχνολογία παραγωγής, ικανή να ανταγωνιστεί τη χύτευση με έγχυση και τη μηχανική κατεργασία για εφαρμογές μαζικής παραγωγής.
Η επίτευξη της ικανότητας παραγωγής δεν είναι εύκολη. Ένας συνδυασμός ποιοτήτων υλικού, επαναληψιμότητας, σταθερότητας διεργασίας, ταχύτητας διεργασίας, ποιότητας εξαρτήματος και κόστους ανά εξάρτημα πρέπει να είναι ανώτερος από τις παγιωμένες παραδοσιακές διαδικασίες. Όταν ανταγωνίζονται τεχνολογίες δεκαετιών ή και αιώνων, αυτοί οι πήχεις είναι πραγματικά πολύ ψηλοί. Ωστόσο, με τις πιο πρόσφατες εξελίξεις, οι κατασκευαστές θα πρέπει τώρα να εξετάζουν την προσθετική κατασκευή σε κάθε στάδιο της διαδικασίας τους, από το σχεδιασμό έως την παραγωγή όγκου.
Εξαρτήματα που παράγονται με P3, με παραδοσιακή χύτευση με έγχυση όσον αφορά το φινίρισμα της επιφάνειας και την αισθητική.
Βελτιστοποίηση της παραγωγής προσθέτων
Με την πλατφόρμα P3 της Stratasys, οι κατασκευαστές μπορούν να λύσουν εκατοντάδες προκλήσεις παραγωγής με ένα μόνο εξαιρετικά ευέλικτο σύστημα. Ενώ αρχικά σχεδιάστηκε ως αντιδραστήρας ανάπτυξης υλικών, η πλατφόρμα P3 απέδειξε ότι είναι μια τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης ικανή για παραγωγή που ανοίγει έναν νέο κόσμο ευκαιριών.
Το P3 είναι μια εξέλιξη της καθιερωμένης εφαρμογής τεχνολογίας ψηφιακής επεξεργασίας φωτός (Digital Light Processing [DLP]) για την προσθετική κατασκευή. Τα αρχεία εξαρτημάτων κόβονται σε φέτες και αυτές οι φέτες προβάλλονται, μία κάθε φορά, σε έναν δίσκο κατασκευής καλυμμένο με ρητίνη. Με το χειρισμό τεσσάρων εξαιρετικά ελεγχόμενων φυσικών παραμέτρων (που είναι το φως, η περιβαλλοντική σταθερότητα, ο πνευματικός διαχωρισμός και η κίνηση) με μια ισχυρή μηχανή λογισμικού, το P3 είναι σε θέση να μεγιστοποιήσει τα εγγενή οφέλη του DLP και να ξεκλειδώσει μεγαλύτερη επιλογή υλικού, υψηλότερη απόδοση και αυξημένη επαναληψιμότητα.
Ταχύτητα
Επειδή η πλατφόρμα P3 προβάλλει μια ολόκληρη «φέτα» ενός τμήματος ως μια ενιαία εικόνα, θεραπεύει ολόκληρη την περιοχή με μία κίνηση αντί να την ανιχνεύει σημείο προς σημείο. Αυτό καθιστά τη διαδικασία εκτύπωσης σημαντικά πιο γρήγορη, ενώ εξακολουθεί να επιτρέπει εξαρτήματα έως 192 x 108 x 370 mm ή πολλαπλά ένθετα μέρη στον ίδιο όγκο.
Ποιότητα ανταλλακτικών
Ένας άλλος ιστορικός περιορισμός της προσθετικής κατασκευής που η τεχνολογική καινοτομία βοηθά να αντιμετωπιστεί είναι το τελείωμα του τελευταίου μέρους. Παραδοσιακά, η χύτευση με έγχυση δεν μπορούσε να νικηθεί όταν επρόκειτο για το φινίρισμα της επιφάνειας. Όμως, μέσω του αυστηρού ελέγχου και της εγγενούς σταθερότητας της διαδικασίας, τα εξαρτήματα παράγονται με χρήση της τεχνολογίας P3 με ανταγωνιστική χύτευση με έγχυση για φινίρισμα επιφάνειας και αισθητική εμφάνιση. Και, φυσικά, μπορούν να παραχθούν σε γεωμετρίες αδύνατες να αναδημιουργηθούν με καλούπωμα.
Υλικά
Πριν από μια δεκαετία, τα διαθέσιμα φωτοπολυμερή υλικά παρεμπόδισαν τη χρήση της προσθετικής κατασκευής (Additive Manufacturing [ΑΜ]) ως τεχνολογίας παραγωγής. Χαρακτηριστικά όπως η αντοχή, η σκληρότητα, η αντοχή στη θερμοκρασία και η ελαστικότητα ήταν ανεπαρκή για πολλές πιθανές χρήσεις.
Αντίθετα, σήμερα, με τις εξελίξεις στην ψηφιοποίηση, μπορούμε πλέον να μετράμε και να ελέγχουμε τη διαδικασία πολυμερισμού σε πολύ μεγαλύτερο βαθμό. Ως αποτέλεσμα, ένας μεγάλος και αυξανόμενος αριθμός εταιρειών εξειδικευμένων υλικών μπόρεσαν να αξιοποιήσουν τη δύναμη της πλατφόρμας P3 για να ωθήσουν την τεχνολογία υλικών σε νέα επίπεδα.
Η BASF, η Covestro, η Henkel και άλλοι έχουν δημιουργήσει μια επιλογή υλικών φωτοπολυμερούς που θα φαινόταν αδιανόητη ακόμη και πριν από μερικά χρόνια. Έτσι βλέπουμε τώρα:
– Εφαρμογές που απαιτούν αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, με θερμοκρασία εκτροπής θερμότητας έως 80°C.
– Βιοσυμβατά υλικά με πιστοποίηση ISO 10993-5 και ISO 10993-10.
– Υλικά με ιδιότητες ανάλογες με το πολυπροπυλένιο, το ABS και τα TPU εμπορικής ποιότητας.
Αυτές οι ιδιότητες υλικών είναι διαθέσιμες μέσω παραδοσιακών μεθόδων κατασκευής, αλλά με την κατασκευή προσθέτων είναι προσβάσιμες με νέα επίπεδα ευελιξίας παραγωγής και ελευθερίας σχεδιασμού.
Λογισμικό για κλίμακα
Επιπλέον, η πρόσφατη δημιουργία από την Stratasys της GrabCAD Additive Manufacturing Platform, μια ανοιχτή και έτοιμη για επιχειρήσεις πλατφόρμα λογισμικού, επιτρέπει στους κατασκευαστές να διαχειρίζονται λειτουργίες προσθετικής κατασκευής σε κλίμακα παραγωγής. Αυτό παρέχει στους κατασκευαστές λογισμικό σχεδιασμένο για τις μοναδικές ανάγκες προσθετικής κατασκευής σε κλίμακα σε ολόκληρο το ψηφιακό νήμα (από το σχεδιασμό έως την παραγωγή), ενώ παράλληλα ενσωματώνεται στην υποδομή Industry 4.0 και στις εταιρικές εφαρμογές.
Πρωτοποριακές περιπτώσεις χρήσης
Υπάρχουν τόσα πολλά πράγματα που μπορούν να κάνουν οι κατασκευαστές με την τεχνολογία P3, αλλά το ερώτημα είναι τι πραγματικά πρέπει να κάνουν. Τέσσερις μεγάλες ευκαιρίες σήμερα είναι οι εξής:
– Ηλεκτρικοί σύνδεσμοι, προσαρμογείς και βραχίονες καλωδίωσης. – Εξαρτήματα βιομηχανικής μηχανής, όπως είναι περιβλήματα, κουμπιά, κλιπ, τσιμούχες και παρεμβύσματα.
– Εξαρτήματα ιατρικών συσκευών.
– Καλούπια για χύτευση χαμηλής πίεσης και χαμηλής θερμοκρασίας.
Πέρα από αυτά τα παραδείγματα, περιμένει ένας κόσμος ευκαιριών. Και με την ανάπτυξη υλικών να συνεχίζεται με εντατικό ρυθμό, η πλατφόρμα P3 θα γίνει πιο ευέλικτη και θα λύσει ακόμη περισσότερες προκλήσεις παραγωγής στο μέλλον. Μόλις το εξάρτημα, το υλικό και η διαδικασία λειτουργούν σε αρμονία, η προσθετική κατασκευή μπορεί πραγματικά να ανταγωνιστεί άλλες τεχνολογίες στην πραγματική παραγωγή.
*O κ. Δημήτριος Μπάρκας είναι μηχανολόγος μηχανικός, καθηγητής ΕΠΑ.Λ. και υπ. διδάκτορας ΕΚΠΑ. Ο κ. Αγαθοκλής Κριμπένης είναι μηχανολόγος μηχανικός και επίκουρος καθηγητής ΕΚΠΑ.
