Druk 3D przez lata był opisywany jak technologia, która uwolni projektantów od ograniczeń klasycznej produkcji. W dużej mierze rzeczywiście tak się stało.
Druk 3D miał wyzwolić przemysł, ale sam też wpadł w ograniczenia
Dzięki drukowi 3D możemy tworzyć kanały chłodzące w silnikach rakietowych, ażurowe struktury, implanty dopasowane do pacjenta, elementy z metalu o geometrii, której frezowanie byłoby absurdem ekonomicznym. Pisałem już o tym przy plastikowym silniku rakietowym z druku 3D, gdzie nawet amatorski eksperyment prowadził w stronę bardzo poważnego pytania o chłodzenie, grubość ścianek i wytrzymałość materiału.
Czytaj też: Rewolucja w procesorach. Układy krzemowe 3D przełamują bariery Prawa Moore’a w niskiej temperaturze
Tyle że druk 3D nigdy nie był magicznym przyciskiem “wyprodukuj wszystko”. Im większy element, tym większa drukarka, dłuższy czas pracy, większe ryzyko błędów i trudniejsza kontrola procesu. Przy kompozytach dochodzi jeszcze problem form. Tradycyjne wytwarzanie wielu lekkich, wytrzymałych struktur wymaga przygotowania oprzyrządowania, które samo w sobie bywa drogie, czasochłonne i mało elastyczne. Jeśli produkujemy tysiące identycznych części, można ten koszt rozłożyć. Jeśli potrzebujemy krótkiej serii, prototypu albo pojedynczego, nietypowego elementu, to ten rachunek zaczyna boleć.
Właśnie tutaj wchodzi nowa metoda opracowana przez specjalistów w Oak Ridge National Laboratory. Badacze nie spróbowali po prostu wydrukować większego obiektu. Zmienili sposób myślenia o kolejności produkcji. Najpierw powstaje płaski komponent, a później przychodzi składanie.
Origami w laboratorium, czyli drukowanie płasko, żeby zbudować przestrzennie
Pomysł zaprezentowany przez specjalistów brzmi niemal podejrzanie prosto. Hybrydowe kompozyty są nanoszone na elastyczne podłoże tekstylne, a następnie całość może zostać złożona w przestrzenną formę. Zamiast klasycznej formy, która narzuca geometrię od początku, pojawia się arkusz z zaprogramowanymi strefami sztywności i elastyczności. Innymi słowy, część nie musi od razu wychodzić z maszyny jako docelowa bryła. Może zostać “zapisana” w płaszczyźnie, a dopiero później rozwinąć się w strukturę 3D.
Kluczowe jest tutaj połączenie elastycznych i sztywnych warstw oraz takie dobranie materiałów, żeby zgięcia nie były przypadkową słabością konstrukcji, lecz częścią projektu. W dobrze zaprojektowanej strukturze miejsce zagięcia nie jest awarią. Staje się zawiasem, granicą funkcji albo świadomie zaplanowaną strefą pracy.
W testowym przypadku eliminacja form skróciła czas wykonania unikalnego projektu o 95 procent i obniżyła koszty o 90 procent względem konwencjonalnej produkcji kompozytowej z użyciem form. Tego typu liczby trzeba oczywiście traktować ostrożnie, bo nie oznaczają z automatu, że oto właśnie każda fabryka jutro przyspieszy o 95 procent, a każdy element stanie się nagle niemal darmowy. Takie wyniki dotyczą konkretnego porównania i konkretnego procesu. Mimo tego kierunek jest mocny, bo uderza w jedno z najbardziej dokuczliwych ograniczeń produkcji krótkoseryjnej – czasu oraz kosztu przygotowania narzędzi.
Największy trik polega na tym, że obiekt może być większy od drukarki
Najbardziej przyszłościowy fragment tej historii nie dotyczy samego skrócenia produkcji, lecz zmiany relacji między maszyną a obiektem. Klasyczna intuicja z drukiem 3D podpowiada, że jeśli chcemy wydrukować duży element, to potrzebujemy odpowiednio dużej drukarki. Nowa metoda podsuwa inne rozwiązanie w stylu “wydrukuj płasko, złóż później”.
Takie podejście może pozwolić na tworzenie elementów większych od samej przestrzeni roboczej maszyny. W świecie przemysłu ma to ogromne znaczenie, bo wielkogabarytowe systemy produkcyjne są drogie nie tylko podczas zakupu. Trzeba je utrzymywać, kalibrować, serwisować, zasilać, wkomponować w halę i uzasadnić ekonomicznie. Jeśli część takich zadań można przenieść na płaskie drukowanie arkuszy, a geometrię uzyskać przez późniejsze składanie, to nagle automatycznie znika część presji na rozmiar samej maszyny.
Czytaj też: Dzieła druku 3D nie przestaną mnie fascynować. Teraz przez ten wyjątkowy silnik rakietowy z plastiku
Widzę tutaj podobny rodzaj myślenia jak przy innych dojrzałych zastosowaniach druku 3D. Przy stali projektowanej z pomocą sztucznej inteligencji ważna nie była sama drukarka, ale zrozumienie materiału pod konkretny proces. Przy hodowaniu metalu zamiast jego klasycznego drukowania istotne okazało się zaś samo ograniczenie problemów wytrzymałościowych, które od lat hamują adopcję produkcji addytywnej. Tutaj w centrum stoi zaś sama geometria.
Gdyby tego było mało, proponowana przez ORNL metoda eliminuje część problemu z formami, bo pozwala drukować płaskie komponenty bezpośrednio na materiałach arkuszowych. W dodatku wspiera zarówno materiały termoplastyczne, jak i termoutwardzalne. Termoplasty dają możliwość ponownego uplastycznienia pod wpływem temperatury, a materiały termoutwardzalne po utwardzeniu oferują zwykle wyższą stabilność cieplną i chemiczną. Oba światy mają inne zalety, więc możliwość pracy z nimi w ramach jednej koncepcji zwiększa pole zastosowań.
Taka technologia nie zastąpi wszystkiego, ale może trafić tam, gdzie forma jest wrogiem
Takie rozwiązanie może być atrakcyjne dla prototypowania dużych lekkich struktur, produkcji małoseryjnej, elementów transportowych, osłon, paneli, struktur składanych, komponentów dla robotyki, lotnictwa, infrastruktury tymczasowej czy nawet sprzętu, który musi być łatwy do przewiezienia i dopiero na miejscu osiągać właściwy kształt. Nie wszystkie z tych zastosowań są równie blisko wdrożenia, ale wspólny mianownik jest czytelny. Chodzi o sytuacje, w których płaski etap produkcji, transportu lub magazynowania daje przewagę przed uzyskaniem finalnej bryły.
Czytaj też: Ten dziwny stan nie jest ani 2D, ani 3D. Kwantowe czary w wykonaniu chińskich fizyków
Warto też pamiętać, że samo origami w całym sektorze inżynierii nie jest czymś nowym. Składane struktury od dawna interesują projektantów satelitów, robotów, urządzeń medycznych i elementów pochłaniających energię. Powód jest prosty – płaska postać ułatwia przechowywanie i transport, a przestrzenna forma daje funkcję. Nowa metoda wpisuje się w ten sam sposób myślenia, ale łączy go z produkcją addytywną i kompozytami.
Źródła: ORNL
