W dzisiejszych czasach proces projektowo-produkcyjny często korzysta z różnorodnych programów komputerowych wspomagających jego różne etapy. Kluczową rolę w tych pracach pełni przygotowanie dokumentacji technicznej. Wraz z rozwojem oprogramowania CAD (Computer Aided Design - Komputerowe Wspomaganie Projektowania) dokonano rewolucji w sposobie wykonywania tego zadania. Tradycyjna dokumentacja płaska wymagała wyobraźni przestrzennej zarówno od projektanta, jak i wykonawcy. Na początku programy CAD służyły głównie jako elektroniczne narzędzia do rysowania, umożliwiając jedynie tworzenie klasycznych dokumentów rysunkowych. Przełom nadszedł wraz z rozwojem programów CAD w formie trójwymiarowej (3D), co umożliwiło projektowanie modeli przestrzennych, elementów oraz mechanizmów. Zaletą takiej pracy jest możliwość wizualizacji projektowanych obiektów na wczesnym etapie procesu, śledzenie ich geometrycznych zależności oraz symulacja ruchu w celu wykrycia ewentualnych kolizji. Zastosowanie programów 3D pozwala na eliminację wielu błędów już na etapie projektowania, co znacznie przyspiesza cały proces oraz ułatwia tworzenie i modyfikację dokumentacji technicznej.
Wraz z postępem w dziedzinie programów CAD, nastąpił dynamiczny rozwój programów CAM (Computer Aided Manufacturing - Komputerowe Wspomaganie Wytwarzania), służących do komputerowego wspomagania procesu produkcyjnego. Te programy opierają się na modelu bryłowym tworzonych elementów, który jest niezbędny do zaplanowania ścieżki narzędzia oraz programowania obrabiarek CNC (sterowanych numerycznie). Integracja programów CAD i CAM opiera się na wykorzystaniu modelu 3D jako głównej formy zapisu geometrycznego konstrukcji. Model ten staje się standardowym narzędziem zarówno podczas procesu projektowania, jak i produkcji. Dodatkowo, opierając się na modelu 3D, istnieją również specjalistyczne narzędzia wspierające pracę konstruktora, takie jak programy CAE (Computer Aided Engineering - Komputerowe Wspomaganie Inżynierii), które służą do wykonywania obliczeń wytrzymałościowych, analizy kinematycznej oraz symulacji pracy projektowanych wyrobów, co pozwala na przeprowadzanie wirtualnych testów.
Produkcja fizycznych przedmiotów na bazie cyfrowego modelu geometrycznego CAD stała się możliwa dzięki technologii addytywnej - przyrostowej, zwanej potocznie drukiem 3D. Proces ten polega na tworzeniu obiektów warstwa po warstwie, zwykle wzdłuż osi Z, przy użyciu różnych technik przyrostowych. W zależności od wybranej metody, obiekt może być budowany od podstawy do szczytu lub odwrotnie. Materiałami stosowanymi w tego rodzaju produkcji są głównie tworzywa polimerowe, czasem z dodatkiem składników naturalnych (np. drewna), mineralnych (jak kreda, talk) lub metalowych proszków. Istnieją również techniki, w których używa się metali jako materiału spajającego. Te metody wytwarzania są znane pod nazwami rapid prototyping, rapid tooling i rapid manufacturing w literaturze anglojęzycznej.
Z uwagi na rozwój nowych materiałów polimerowych, poprawę dokładności warstw i redukcję kosztów produkcji, techniki te są coraz częściej wykorzystywane nie tylko przez przemysł, ale także przez osoby prywatne. Głównym celem tych technologii jest skrócenie czasu i zmniejszenie kosztów produkcji pojedynczych prototypów, których wytworzenie za pomocą tradycyjnych maszyn produkcyjnych (takich jak wtryskarki czy wytłaczarki) byłoby zbyt kosztowne.
Obecnie technologie te znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu, w tym w medycynie, motoryzacji, lotnictwie, a także w zastosowaniach domowych. Dodatkowo, technologia addytywna umożliwia tworzenie elementów o skomplikowanych kształtach geometrycznych, których produkcja tradycyjna wymagałaby wykonania kilku elementów i ich połączenia, albo nawet byłaby niemożliwa do zrealizowania. Warto zwrócić uwagę, że dzięki tej technice możliwe jest także wytwarzanie przedmiotów zawierających elementy ruchome, takie jak łożyska czy zespoły kół zębatych, ukryte w ich wnętrzu.
Technologie addytywne rozwijają się w kierunku tworzenia urządzeń dedykowanych do użytku osobistego. Dzięki temu, w przypadku pojedynczych wytworów, możliwe jest wyprodukowanie obiektu w kilka godzin, mając jedynie jego cyfrowy model geometryczny. Wykorzystanie tej technologii umożliwia uniknięcie kosztów związanych z transportem pomiędzy różnymi etapami produkcji, co obok kosztów samej produkcji, znacząco wpływa na końcową cenę produktu. Schemat optymalizacji kosztów transportu, począwszy od fazy projektowej do uzyskania gotowego produktu, został przedstawiony na rysunku 1.
Rysunek 1. Schemat optymalizacja kosztów transportu podczas wytwarzania przyrostowego
(Źródło: Klepka T. (red.), Nowoczesne materiały polimerowe i ich przetwórstwo Część 2)
Technologia wytwarzania przyrostowego, jak już wspomniano, opiera się na tworzeniu fizycznego kształtu detalu na podstawie wirtualnej geometrii 3D, która została opracowana za pomocą specjalistycznego oprogramowania. Proces ten składa się z różnych etapów, które są realizowane w środowiskach programowych, na maszynach przyrostowych oraz po zakończeniu procesu wytwarzania. Rysunek 2 przedstawia schemat powstawania wyrobu z podziałem na poszczególne etapy, które wynikają z charakterystyki przygotowania danych dla technologii addytywnych. Obróbka numeryczna danych odgrywa kluczową rolę w procesie druku 3D i w dużym stopniu decyduje o geometrii końcowego wyrobu. Sam proces przyrostowy budowy modelu nie wymaga bezpośredniej interwencji operatora, ponieważ wszystkie parametry technologiczne są ustawiane na etapie przygotowania danych numerycznych.
Rysunek 2. Schemat obróbki danych procesu przyrostowego
(Źródło: Budzik G., Wozniak J., Przeszłowski Ł., Druk 3D jako element przemysłu przyszłości)
Proces wytwarzania każdego wyrobu lub prototypu rozpoczyna się od momentu powstania jego koncepcji, która może wynikać z zapotrzebowania rynkowego lub być inspiracją inżyniera konstruktora lub artysty. W przypadku technologii przyrostowych, koncepcja musi być przekształcona w trójwymiarowy obiekt numeryczny za pomocą oprogramowania 3D-CAD lub poprzez digitalizację, np. za pomocą skanowania 3D. Następnie konieczne jest przygotowanie geometrii w formie numerycznej, która może być odczytana przez oprogramowanie sterujące urządzeniem przyrostowym. Najczęściej stosowanym formatem opisu geometrii jest model STL (ang. Standard Triangulation Language), reprezentujący powierzchnię bryły za pomocą siatki trójkątów.
Rysunek 3 Przykład modelu STL.
(Źródło: https://3dprinteracademy.com/blogs/basics/what-exactly-are-stl-files)
Kolejnym etapem jest weryfikacja i przeniesienie plików do dedykowanego oprogramowania dla konkretnej maszyny pracującej w technologii przyrostowej. To oprogramowanie umożliwia przygotowanie parametrów procesu produkcyjnego, ustawienie modelu w przestrzeni roboczej maszyny oraz oszacowanie czasu druku modelu 3D. Oprogramowanie dzieli geometrię modelu na warstwy, a następnie generuje ewentualne konstrukcje podpierające i mocujące prototyp do platformy roboczej, w zależności od metody druku. Przygotowanie procesu obejmuje także generowanie ruchów nakładania materiału lub ścieżek wiązki lasera. Te czynności, wraz z konfiguracją urządzenia, są częścią operacji przed procesowych, nazywanych także preprocessingiem w kontekście druku 3D.
Następny etap to czynności maszynowe związane wyłącznie z wytwarzaniem przyrostowym wyrobu, które zazwyczaj odbywają się automatycznie bez ingerencji operatora, chyba, że dojdzie do awarii podczas procesu wtedy interwencja operatora jest konieczna. Po zakończeniu drukowania, wyrób jest wyjmowany z przestrzeni roboczej drukarki 3D, a następnie oczyszczany z konstrukcji podpierających i mocujących, a także ewentualnie z niezwiązanego materiału. Są to operacje po procesowe, nazywane także postprocessingiem, czyli ostatnim etapem. Może on obejmować również różnorodne czynności, w zależności od technologii druku, związane z obróbką wykończeniową.
Tak przedstawia się ogólny proces wytwarzania przyrostowego, który może różnić się nieco w zależności od wybranej metody druku 3D. Aktualnie istnieje szereg różnych metod wytwarzania przyrostowego (patrz tabela I), zależnych od materiałów użytych do produkcji oraz sposobu ich przetwarzania. W rozwiązaniach opartych na technikach warstwowych, wykorzystuje się głównie trzy metody spajania materiałów. Pierwsza opiera się na zjawiskach wiązań chemicznych (np. FDM, FFF, SMM, DMD, BPM, TSF, SDM) oraz foto utwardzania (np. SLA, STEREOS, SGC). Druga grupa wykorzystuje zjawisko spiekania materiału (np. SLS, CAM-LEM, EOSNIT, FPM). Trzecia grupa opiera się na zasadach spajania materiału (np. 3DP, SOLID CENTER, LOM, JP5).
Tabela I. Zestawienie najczęściej stosowanych w technice metod wytwarzania przyrostowego
Metody przyrostowe sklasyfikować można także, w oparciu o rodzaj stosowanego materiału (rysunek 4).
Rysunek 4. Klasyfikacja metod przyrostowych z uwagi na zastosowane materiały
W dzisiejszych czasach wiele procesów i założeń w zakresie wytwarzania przyrostowego zostało poddanych normalizacji. Jedną z kluczowych norm dla technologii Additive Manufacturing (AM) jest ISO/ASTM DIS 52900: Wytwarzanie przyrostowe - Zasady ogólne - Terminologia, która definiuje główne terminy i określenia używane w tej dziedzinie. Norma ta wyróżnia siedem podstawowych procesów wytwarzania przyrostowego, obejmujących:
1. Fotopolimeryzacja objętościowa (VPP – VAT Photopolymerization): Proces polegający na warstwowej fotopolimeryzacji realizowanej w określonej objętości za pomocą skoncentrowanej wiązki światła ultrafioletowego.
2. Wytłaczanie warstwowe materiału (MEX – Material Extrusion): Proces, w którym materiał termoplastyczny jest wytłaczany do postaci włókna i układany warstwowo zgodnie z zadaną numerycznie ścieżką.
3. Selektywne spajanie sproszkowanego materiału (PBF – Powder Bed Fusion): Proces, w którym energia cieplna selektywnie stapia warstwy w obrębie objętości złoża proszkowego.
4. Stapianie ukierunkowane dostarczanego materiału (DED – Directed Energy Deposition): W procesie tym skupiona energia stapia warstwowo materiał w trakcie jego osadzania, wykorzystując np. wiązkę lasera, elektronów lub łuk plazmowy.
5. Warstwowy nadruk płynnego materiału (MJT – Material Jetting Additive): Proces, w którym płynny materiał jest nadrukowywany na podstawie kolejnych przekrojów modelu, a zmiana stanu skupienia następuje najczęściej w wyniku zastygnięcia lub fotopolimeryzacji.
6. Spajanie sproszkowanego materiału płynnym spoiwem (BJT – Binder Jetting): Proces, w którym sproszkowany materiał jest spajany poprzez nadruk płynnego spoiwa z głowicy drukującej na podstawie przekroju warstwowego modelu.
7. Laminacja warstwowa przekrojów (SHL – Sheet Lamination): Proces, w którym kolejne przekroje modelu są wycinane z przyklejonych do siebie arkuszy materiału.
Te metody stanowią podstawowy podział dla technik wytwarzania przyrostowego, jednak istnieje wiele wariantów tych technologii, zależnych od stosowanych materiałów, procesów i rozwiązań konstrukcyjnych maszyn addytywnych.