Druk 3D w technologii Multi Jet Fusion a obróbka CNC

Tomasz 27 lipca 2022

Hubert Gleba
Ekspert współpracujący z FPPP

CNC jest dobrze znaną i powszechnie wykorzystywaną technologią wytwarzania elementów. Multi Jet Fusion zaś szturmem zdobywa przemysł wytwórczy w wielu branżach, dzięki nowatorskiemu podejściu do seryjnej produkcji addytywnej oraz uzyskiwanym efektom końcowym. Opisujemy najważniejsze różnice między tymi dwoma technologiami wytwórczymi.

Kiedy mówimy o produkcji bardzo dokładnych elementów, często jako pierwsza wybierana jest technologia CNC, czyli obróbka skrawaniem. Wynika to z powszechnego przekonania, iż druk 3D/technologie addytywne nie spełnią oczekiwań, ponieważ:

  • istniejące drukarki nie są uważane za urządzenia w pełni przemysłowe,
  • paleta materiałowa jest niewielka,
  • rozwój nowych materiałów jest powolny,
  • brakuje wystarczającej przewagi w produktywności,
  • jakość powierzchni w druku 3D jest dużo gorsza niż w obróbce CNC,
  • dokładność wymiarowa nie odpowiada obróbce CNC,
  • wytrzymałość elementów wykonanych za pomocą druku 3D nie jest wystarczająca.

Mimo to branża produkcyjna wciąż mówi o produkcji przyrostowej/addytywnej czyli druku 3D, a większość producentów OEM przeznacza dla niej specjalne miejsce w swoich planach strategicznych. Coraz powszechniejsze wykorzystanie technologii addytywnych często obala powyższe mity i potwierdza, że możemy stosować druk 3D do wytwarzania finalnych elementów. Bywa nawet, że modele wykonane addytywnie przewyższają swoimi parametrami te, które zostały wykonane w standardowych technologiach wytwórczych.

Poniżej postaram się opisać najważniejsze różnice między tymi dwoma technologiami wytwórczymi. CNC jest dobrze znaną i powszechnie wykorzystywaną technologią wytwarzania elementów. Multi Jet Fusion zaś szturmem zdobywa przemysł wytwórczy w wielu branżach, dzięki nowatorskiemu podejściu do seryjnej produkcji addytywnej oraz uzyskiwanym efektom końcowym.

Jak wytwarzane są elementy w technologii Multi Jet Fusion?

Na stół roboczy za pomocą tzw. rolki kładziona jest warstwa termoplastycznego proszku (najczęściej są to różne odmiany poliamidu) o grubości 80 mikronów. Następnie selektywnie nakładane są specjalne środki chemiczne, tzw. agents. Dzieje się to przy użyciu technologii atramentowej, opracowanej przez HP ponad trzydzieści lat temu i rozwijanej do dnia dzisiejszego. Środek utrwalający jest nakładany tam, gdzie część ma zostać uformowana, a środek wykańczający nakłada się wokół krawędzi, tak aby uzyskać gładką powierzchnię wytwarzanego elementu. Następnie stosowana jest podczerwień, dzięki czemu proszek ze środkiem utrwalającym topi się i utwardza. Czynność ta jest powtarzana dla każdej warstwy o grubości 0,12mm. W ten sposób tworzone są elementy w całej objętości komory roboczej. HP zaprojektowało system modułowo, aby umożliwić jak największą produktywność i możliwość ciągłego drukowania. Drukarka zajęta jest tylko podczas samego procesu druku. Oprócz samej drukarki 3D na cały system składa się stacja procesowa oraz tzw. build unit, czyli jednostka budująca (ruchoma komora robocza).

Cały proces przebiega szybko w porównaniu z innymi technologiami addytywnymi i działa następująco:

  • Stacja procesowa służy do napełnienia jednostki budującej proszkiem.
  • Jednostka budująca umieszczana jest w drukarce, gdzie pełna komora robocza można zostać wykonana w ciągu 10,5 godziny.
  • Gdy drukarka drukuje, w stacji procesującej znajduje się druga jednostka budująca, w której odbywa się chłodzenie oraz odzysk niewykorzystanego proszku, z którego tworzone są elementy. Dodatkowo następuje mieszanie starego i nowego proszku.
  • Następnie jednostka budująca napełniana jest odpowiednią mieszanką proszku w celu przeprowadzenia nowego procesu wytwarzania addytywnego.
  • Dodatkowymi procesami jest piaskowanie utwardzonych elementów z resztek nieutwardzonego proszku, wygładzanie wibrościerne, barwienie itp. Każdy z tych dodatkowych procesów wymaga dokupienia kolejnych urządzeń peryferyjnych.  

Czym charakteryzuje się obróbka sterowana numerycznie, czyli technologia CNC?

Technologia ta znana jest od ponad 70 lat. Wytwarzanie elementów przebiega według następujących etapów:

  • programowanie,
  • dobór odpowiednich narzędzi i chwytaków do obróbki,
  • kalibracja,
  • wytwarzanie elementów poprzez ubytek materiału.

Praca na obrabiarkach CNC charakteryzuje się tym, że:

  • Jest to sprzęt dedykowany do pojedynczej pracy – w jednym procesie wytwarzany jest jeden element lub płaszczyzna. Jeśli potrzebne jest więcej obrobionych płaszczyzn, często operator musi zmienić położenie części i zacząć od nowa.
  • Części z innej konfiguracji maszyny mogą być niewydajne lub niesprawne.
  • Zmiany materiałowe są bardzo czasochłonne.
  • Geometria części jest ograniczona metodą obróbki.
  • Niska elastyczność w wykonywaniu pilnych realizacji.
  • Krótkie serie są drogie lub produkowane ze stratą.
  • Trudno znaleźć wykwalifikowanych pracowników (do wyprodukowania części potrzebne jest specjalne programowanie).
  • Bardzo wysoka precyzja wykonanych elementów.

Porównanie obu technologii wytwórczych: Multi Jet Fusion vs. CNC

  • Dzięki Multi Jet Fusion wszystkie, nawet bardzo różne, geometrie można wykonać przy użyciu tego samego sprzętu i w tym samym czasie.
  • Multi Jet Fusion jest niezależny od geometrii części – każda z drukowanych części może być inna i istnieje niewiele ograniczeń w zakresie ich geometrii.
  • Produkcja CNC jest sekwencyjna. Im więcej części o różnych geometriach trzeba wykonać, tym dłuższy czas wytwarzania.
  • Pracując z Multi Jet Fusion wybiera się odpowiednie pliki, planuje budowę komory roboczej, przesyła pliki do drukarki dzięki intuicyjnemu i łatwemu w użyciu oprogramowaniu.
  • Użycie MJF nie wymaga skomplikowanego programowania maszyny.
  • Multi Jet Fusion nie wymaga interwencji operatora podczas drukowania – wydajność produkcji jest mniej zależna od jego umiejętności (nie są wymagani wysoko wykwalifikowani pracownicy).
  • W MJF nie ma potrzeby trzymania części przez chwytaki – jest ona podparta w nieutwardzonym proszku.
  • W Multi Jet Fusion bez problemu można drukować ostre kąty wewnętrzne.
  • W MJF możliwe jest drukowanie podcięć, których geometria jest niemożliwa dla CNC.
  • Drukowanie MJF wywołuje mniejsze naprężenia w części, niż ma to miejsce w CNC.
  • Ze względu na swobodę projektowania, jaką umożliwia Multi Jet Fusion, wiele części można połączyć w jedną, tzw. konsolidacja podzespołów. Daje to kolejne korzyści:
    • ograniczenie problemów związanych z zarządzaniem zapasami i kosztami,
    • redukcja lub eliminacja kosztów montażu,
    • bardziej optymalna wydajność części.
  • Multi Jet Fusion może jednocześnie tworzyć wiele skomplikowanych projektów.
  • W przypadku CNC należy zaplanować pracę wielu odpowiednich maszyn CNC w celu wykonania skomplikowanych zadań.
  • CNC może zapewnić gładsze wykończenie powierzchni i może być bardziej precyzyjne oraz dokładniejsze niż Multi Jet Fusion.
  • Multi Jet Fusion jest obecnie ograniczony do kilku rodzajów materiałów. Są to tworzywa termoplastyczne, które są łatwe w obróbce i nie wymagają chłodziw ani specjalistycznych narzędzi.
  • Jeśli do obróbki dobierze się odpowiednie narzędzia, CNC pozwala na wykonanie elementów z dowolnego materiału.

Produkcja hybrydowa

Trzeba zadać sobie pytanie, czy wszystkie elementy wymagają tak wysokiej precyzji części. Czy precyzja naprawdę musi być dostarczana na wszystkich powierzchniach? Na przykład odlewy metalowe również muszą być obrabiane, ponieważ wychodzą z odchyleniami 2-4 mm.

Produkcja hybrydowa łączy zalety zarówno Multi Jet Fusion, jak i obróbki CNC. Przy jej użyciu można wykonać części, których nie może wyprodukować oddzielnie żaden z procesów . Multi Jet Fusion pozwala wykonać projekty nieosiągalne przy pomocy samego CNC i konsolidować produkcję wielu części tego samego lub różnych kształtów. Dzięki Multi Jet Fusion można wydrukować elementy o kształcie zbliżonym do finalnego, które mogą być następnie obrobione na CNC, aby sprostać wysokim tolerancjom wymiarowym. Pozwala to dostarczać więcej części szybciej i bardziej ekonomicznie.

Opierając się na możliwościach, jakie ostatnio pojawiły się w przypadku nowych produktów i części zamiennych, natychmiastowa okazja wykorzystania Multi Jet Fusion dotyczy części wewnętrznych w danym przedsiębiorstwie, np. na liniach produkcyjnych, takich jak wsporniki, przymiary, efektory ramion robotów itp.

Tabela 1. Jak przebiega proces wyboru części dedykowanych pod druk 3D?

Współpraca z inżynierami R&Didentyfikacja komponentów, które mogą być wykorzystane w oparciu o stawiane im wymagania (parametry wytrzymałościowe, temperaturowe itp.). Ważne jest to, aby zwrócić uwagę nie tylko na części plastikowe, ale także metalowe. Trend usprawniania części lub komponentów wytwarzanych produktów jest bardzo silny, gdyż pozwala uzyskać wymierne korzyści. W lotnictwie lub elektromobilności obniżenie wagi finalnego produktu o 1 kg pozwala uzyskać poprawę wydajności lub oszczędności, które z nawiązką pokryją koszty analizy potrzebne do przystosowania danego elementu do użycia technologii addytywnych.
Analiza technicznajest konieczna, aby upewnić się, że wymagania dotyczące części i wybrany materiał spełniają kryteria zastosowania. Ważne jest też, w jaki sposób obróbka dodatkowa lub przeprojektowanie może poprawić wydajność części, aby spełnić dodatkowe wymagania. Tutaj ważny jest zasób wiedzy i doświadczenie osób biorących udział w procesie. To na tej podstawie można dobrać odpowiednią technologię addytywną, materiał czy sposób finalnej obróbki, tak aby wymagany efekt końcowy został osiągnięty w jak najlepszy sposób.
Analiza ekonomiczna i wykonalnościobejmuje koszty, punkt przerwania i czasy realizacji (np. czas realizacji i minimalna ilość zamówienia w porównaniu druku 3D z obróbką skrawaniem, formowaniem blach itp.). Cykl życia produktów jest coraz krótszy, więc możliwość szybkiego ich wytworzenia ma coraz większe znaczenie. Dodatkowo ma to wymierne korzyści w postaci szybszego wprowadzenia produktu na rynek oraz osiągnięcie nowych zysków przez przedsiębiorstwa. Odpowiedni dobór lub nawet połącznie kilku technologii w procesie tworzenia nowych produktów coraz częściej staje się standardem w Przemyśle 4.0.
Analiza wszelkich dodatkowych korzyści, które mogłyby zostać dodane dzięki zastosowaniu Multi Jet Fusioninteresujące może być użycie części wykonanych w tej technologii, gdy projekt nie jest całkowicie dojrzały, a ostateczną technologią jest formowanie wtryskowe. W takim przypadku produkcja narzędzi może zostać opóźniona do czasu, gdy finalny projekt będzie gotowy, co może pozwolić uniknąć przeróbek narzędzia (formy wtryskowej) i przynieść istotne oszczędności.

Podsumowanie

Wybór odpowiedniej technologii wytwórczej nie jest prostą i szybką decyzją. Tak naprawdę wszystko uzależnione jest od finalnego przeznaczenia danego elementu, wymagań mechanicznych, temperaturowych, środowiska pracy itp. Dzięki świadomości dostępnych różnych metod wytwórczych, zarówno wielu różnorodnych technologii addytywnych, a także standardowych technologii wytwórczych, można dobrać optymalne rozwiązanie. To zaś pozwoli zaoszczędzić czas oraz ograniczyć nakłady finansowe, a zarazem da pewność doboru odpowiedniego rozwiązania tak, by zapewniło oczekiwany efekt finalny. Sam proces kwalifikacji części pod wykonanie w danej technologii powinien być jednym z podstawowych zadań, jakie przedsiębiorstwa aspirujące do Przemysłu 4.0 muszą wprowadzać w swoje procesy produkcyjne.

Należy również pamiętać, że połączenie różnych technologii, czyli tzw. produkcja hybrydowa jest często „złotym środkiem” i bardzo dobrze sprawdza się, jeśli chce się uzyskać w pełni funkcjonalne elementy przy dużych oszczędnościach czasu i funduszy.

W gospodarkach wysoko rozwiniętych technologie addytywne są już mocno zakorzenione w procesach produkcyjnych, gdyż są często lepszym rozwiązaniem niż stosowane dotychczas standardowe technologie wytwórcze. Warto brać je pod uwagę już w trakcie projektowania nowych produktów i jak najszerzej czerpać z dobrodziejstw, jakie oferują. 

Sprawdź też:
Kategorie Artykuły eksperckie

Podobne artykuły

Skip to content