Awaria uchwytu, osłony lub elementu pozycjonującego nie zawsze wymaga zamawiania kosztownej części od producenta maszyny. W wielu przypadkach wydruki przemysłowe pozwalają przywrócić pracę stanowiska w ciągu kilku dni, nawet gdy dokumentacja techniczna nie istnieje, a oryginalny detal jest niedostępny. Warunek jest jeden: część musi zostać poprawnie rozpoznana pod względem funkcji, obciążeń, materiału i tolerancji.
Druk 3D FDM nie zastępuje obróbki CNC, odlewania ani części metalowych w każdym zastosowaniu. Jest jednak skutecznym narzędziem produkcyjnym tam, gdzie liczy się szybkie wykonanie elementu użytkowego, prototypu, oprzyrządowania albo krótkiej serii. Dobrze przygotowany detal może pracować na linii produkcyjnej, ułatwiać montaż i zabezpieczać operatora, a jednocześnie ograniczać czas oczekiwania na dostawę.
Kiedy wydruki przemysłowe są uzasadnione
Największą wartość druk 3D daje wtedy, gdy koszt przestoju jest wyższy niż koszt przygotowania modelu i wykonania części. Dotyczy to zwłaszcza elementów pomocniczych: uchwytów montażowych, prowadnic, dystansów, zaślepek, osłon, adapterów, przyrządów kontrolnych oraz części do podajników i stanowisk zrobotyzowanych. Są to często komponenty o jednostkowym zastosowaniu, dla których wykonywanie formy, zamawianie obróbki lub uruchamianie seryjnej produkcji jest nieopłacalne.
W praktyce szczególnie istotne są trzy sytuacje. Pierwsza to brak części zamiennej lub bardzo długi termin jej dostawy. Druga to modernizacja maszyny, gdy istniejący element nie pasuje do nowego czujnika, siłownika albo osłony. Trzecia to budowa prototypowego stanowiska, na którym geometria komponentów zmienia się po kolejnych testach.
W każdej z tych sytuacji wydruk może być rozwiązaniem tymczasowym albo docelowym. O tym nie decyduje sama technologia FDM, lecz warunki pracy detalu. Część używana sporadycznie jako przyrząd montażowy ma inne wymagania niż prowadnica pracująca przez trzy zmiany, narażona na tarcie, środki chłodzące i podwyższoną temperaturę.
Od pomiaru do gotowej części
Jeżeli klient dysponuje poprawnym modelem CAD, przygotowanie wydruku zaczyna się od analizy geometrii i przeznaczenia komponentu. W wielu zakładach sytuacja wygląda jednak inaczej: istnieje tylko zużyta, pęknięta lub niekompletna część, bez rysunku i bez danych konstrukcyjnych. Wtedy samo zmierzenie kilku wymiarów suwmiarką zwykle nie wystarcza.
Szczególnie problematyczne są powierzchnie swobodne, nieregularne przejścia, mocowania dopasowane do istniejącej maszyny oraz detale o dużych gabarytach. Skanowanie 3D umożliwia zebranie danych o rzeczywistym obiekcie bez jego demontażu i transportu. Pomiar może zostać wykonany bezpośrednio w zakładzie, co ma znaczenie przy ciężkich maszynach, formach, oprzyrządowaniu i elementach, których nie można wyłączyć z procesu na wiele dni.
Kolejnym etapem jest modelowanie CAD. Skan nie powinien być traktowany automatycznie jako gotowy model produkcyjny. Siatka pomiarowa odwzorowuje stan rzeczywisty obiektu, także jego zużycie, odkształcenia i przypadkowe uszkodzenia. Konstruktor musi określić powierzchnie bazowe, osie, otwory, płaszczyzny montażowe oraz miejsca, w których należy zachować nominalną geometrię albo świadomie ją poprawić.
To właśnie na tym etapie zapada decyzja, czy odtwarzany detal ma być kopią oryginału, czy ulepszoną wersją. Pękający zaczep można pogrubić, prowadnicę wyposażyć w żebra, a uchwyt dostosować do aktualnie stosowanego czujnika. Modelowanie powierzchniowe w przemysłowym oprogramowaniu CAD pozwala przygotować geometrię do dalszej produkcji, nie tylko do jednorazowej wizualizacji.
Materiał jest częścią projektu
W rozmowie o druku 3D często skupiamy się na wymiarach. W zastosowaniach przemysłowych równie ważny jest dobór tworzywa. Popularne PLA może sprawdzić się w prostym modelu poglądowym, ale rzadko jest właściwym wyborem dla części pracującej przy maszynie. Niska odporność cieplna i ograniczona trwałość mechaniczna wykluczają je z wielu zastosowań technicznych.
Dla części użytkowych częściej analizuje się PET-G, ABS, ASA, PA lub materiały wzmacniane. PET-G bywa dobrym rozwiązaniem dla osłon, uchwytów i elementów narażonych na umiarkowane obciążenia. ABS oraz ASA oferują lepszą odporność temperaturową, przy czym ASA jest korzystne w zastosowaniach zewnętrznych. Nylon sprawdza się w detalach wymagających większej wytrzymałości i odporności na ścieranie, ale jego zachowanie zależy od wilgoci oraz kierunku druku.
Nie ma materiału uniwersalnego. Część sztywna nie zawsze będzie częścią trwałą, a materiał odporny mechanicznie może mieć ograniczenia przy kontakcie z chemią procesową. Dlatego przed wykonaniem warto określić temperaturę pracy, rodzaj obciążenia, częstotliwość użytkowania, kontakt z olejami lub detergentami oraz wymagania dotyczące powierzchni.
Kierunek druku i wypełnienie mają znaczenie
Element wykonany metodą FDM ma właściwości zależne od orientacji warstw. W uproszczeniu, detal jest najmocniejszy w płaszczyźnie pojedynczej warstwy, a słabszy w kierunku prostopadłym do ich łączenia. Jeżeli uchwyt będzie obciążany na rozwarstwienie, zmiana jego orientacji na stole roboczym może znacząco wpłynąć na trwałość.
Wypełnienie także nie jest parametrem ustawianym automatycznie na najwyższą wartość. Zbyt duże wypełnienie zwiększa czas i koszt wykonania, ale nie zawsze rozwiązuje problem wytrzymałości. Często skuteczniejsze jest zwiększenie liczby obrysów, zmiana grubości ścianek, dodanie żeber lub przeprojektowanie miejsca koncentracji naprężeń. Wydruk przemysłowy powinien być zaprojektowany pod funkcję, a nie jedynie przygotowany do wydruku.
Gdzie kończą się możliwości druku FDM
Są zastosowania, w których druk 3D z termoplastów nie będzie właściwą technologią. Dotyczy to przede wszystkim części przenoszących bardzo duże siły, elementów pracujących w wysokiej temperaturze, komponentów wymagających certyfikacji materiałowej albo precyzyjnych tolerancji pasowań na całej geometrii. Wały, koła zębate pracujące pod wysokim momentem, części ciśnieniowe i elementy bezpieczeństwa wymagają odrębnej analizy, a często wykonania z metalu.
Ograniczeniem może być także wykończenie powierzchni. Warstwowa struktura FDM nie zawsze nadaje się do kontaktu ślizgowego, szczelnego prowadzenia płynu czy powierzchni wymagającej bardzo niskiej chropowatości. Czasem wystarczy zastosować tuleję, łożysko, wkładkę gwintowaną lub obróbkę wybranych powierzchni. Innym razem lepiej wykorzystać wydruk jako wzorzec, przyrząd lub etap poprzedzający wykonanie docelowej części inną metodą.
Cztery etapy sprawnej realizacji
Aby uniknąć wykonania detalu, który wygląda poprawnie, ale nie działa w maszynie, warto prowadzić projekt w uporządkowany sposób. Pierwszym krokiem jest przekazanie zdjęć, wymiarów, modelu lub uszkodzonej części oraz opis jej funkcji. Na tej podstawie można szybko określić zakres prac i przygotować wycenę.
Drugi etap to pomiar lub skanowanie 3D, jeśli brakuje wiarygodnej dokumentacji. Trzecim jest przygotowanie i uzgodnienie modelu CAD, z uwzględnieniem materiału, tolerancji oraz planowanych warunków pracy. Czwarty etap obejmuje produkcję FDM, kontrolę kluczowych wymiarów i przekazanie gotowego wydruku lub plików CAD, zależnie od potrzeb klienta.
Taki proces ogranicza ryzyko przestojów i nie wymaga angażowania kilku niezależnych wykonawców. 3D STEP realizuje cały ciąg działań: od mobilnego pomiaru obiektu, przez opracowanie geometrii, po wykonanie fizycznego komponentu. To ważne zwłaszcza wtedy, gdy część trzeba odtworzyć szybko, a osoba zgłaszająca problem nie ma kompletnej dokumentacji konstrukcyjnej.
Wydruk nie musi być zamiennikiem każdego elementu w zakładzie. Może natomiast być najszybszą drogą do sprawdzenia rozwiązania, przywrócenia funkcji stanowiska albo wykonania komponentu, którego nikt nie produkuje w małej serii. Dobrze zdefiniowany problem techniczny, właściwe dane 3D i świadomy dobór materiału zamieniają druk FDM z narzędzia prototypowego w realne wsparcie produkcji.