Što aditivna tehnologija jest i po čemu se razlikuje od svega što joj je prethodilo, kako je norma uredila njezino nazivlje i podijelila postupke, te kojim je putem u četiri desetljeća došla od laboratorijskog pokusa do dijelova koji lete u mlaznim motorima.
Aditivna tehnologija skupni je naziv za postupke u kojima predmet nastaje dodavanjem materijala, sloj po sloj, prema podatcima iz računalnog modela. Naziv dolazi od latinskoga additivus — onaj koji se pridodaje. Upravo je u toj jednoj riječi sadržana cijela razlika prema svemu što joj je u proizvodnji prethodilo.
Klasične postupke obradbe dijelimo u dvije velike skupine. Kod odvajanja čestica polazi se od komada materijala većega od predmeta i s njega se skida sve što ne pripada gotovom dijelu — tokarenjem, glodanjem, bušenjem, brušenjem. Obradak se time smanjuje, a razlika između ulaznoga komada i gotova dijela odlazi u odvojenu česticu, dakle u strugotinu. Kod preoblikovanja materijal se ne skida nego se sili da poprimi zadani oblik: lijevanjem u kalup, prešanjem, savijanjem, kovanjem, injekcijskim prešanjem. Masa ostaje ista, mijenja se samo raspored. Aditivni postupak ne radi ni jedno ni drugo. On gradi: počinje od ničega i na podlogu nanosi točno onoliko materijala koliko gotov dio ima.
Ta razlika nije samo opisna. Iz nje slijedi niz posljedica koje mijenjaju način na koji se o proizvodu uopće razmišlja, i zato se ovim odjeljkom otvara cijeli program.
Kod glodanja svako dodatno udubljenje znači novi zahvat, drugi alat, novo stezanje obratka i dulje vrijeme. Kod lijevanja svaki podrez traži složeniji kalup, jezgru ili razdvojnu plohu na neugodnome mjestu. U klasičnoj proizvodnji cijena dijela raste sa svakim dodanim obilježjem, pa se konstruktor uči pojednostavnjivati: umjesto zaobljenoga kanala radi ravan provrt, umjesto rešetke pun blok.
Kod aditivnoga postupka stroj u svakome sloju ionako prelazi cijelu površinu presjeka. Njemu je svejedno je li taj presjek pravokutnik ili rešetkasta struktura s dvjesto provrta — trajanje sloja ovisi o duljini putanje i površini, a ne o broju obilježja. Zato se u struci kaže da je kod aditivne proizvodnje složenost besplatna. Rečenica nije doslovno točna, jer složena geometrija često traži više potpora i pažljivije oblikovanje, ali dobro opisuje promjenu u načinu razmišljanja: prvi put se isplati napraviti dio onakvim kakav bi trebao biti, a ne onakvim kakav se može izraditi.
Da bi se injekcijskim prešanjem izradio jedan jedini komad, treba prvo napraviti kalup koji stoji desetke tisuća eura i izrađuje se tjednima. Tek kad kalup postoji, komadi počinju izlaziti po cijeni od nekoliko centi. Cijela je klasična proizvodnja posložena oko te činjenice: cijena po komadu strmo pada sa serijom, pa se isplati praviti mnogo, jednako, dugo.
Aditivni postupak ne treba kalup, kokilu ni napravu — treba datoteku. Prvi komad izlazi iz stroja jednako brzo kao i stoti i stoji otprilike jednako. To znači da je jedinična cijena gotovo neovisna o količini, što je potpuna suprotnost klasičnoj slici. Posljedica je dvojaka: aditivna proizvodnja izrazito je jaka u seriji od jednoga do nekoliko stotina komada, a u seriji od sto tisuća komada gotovo je uvijek skuplja od prešanja. Odluka o postupku time postaje računica, a ne stvar mode.
Svaki aditivni postupak počinje trodimenzionalnim modelom — izrađenim u programu CAD, dobivenim trodimenzionalnim skeniranjem postojećega predmeta ili nastalim iz medicinske snimke. Model se zatim pretvara u zapis koji stroj razumije, najčešće STL, pa u programu za rezanje slojeva razlaže na presjeke i pretvara u G-kod. Cijeli je taj lanac predmet nastavne jedinice 1.3.
Za sada je važna jedna posljedica: izmjena proizvoda izmjena je datoteke. Nema prepravke kalupa, nema nove naprave, nema čekanja na alatnicu. Ali vrijedi i obrnuto — greška u modelu postaje greška u dijelu, bez ijednoga koraka u kojem bi je netko primijetio. Kvaliteta ulaznoga modela time postaje kvaliteta proizvoda.
Odaberi postupak da vidiš kako nastaje isti dio i što svaki od njih traži prije prvoga komada.
Struka govori kraticama i one su gotovo sve engleske. Klikni kraticu da vidiš od čega je nastala, kako se kaže na hrvatskome i što znači.
Kratice u ovom pojmovniku nisu ukras nego radni alat. U ponudi dobavljača, u naslovu datoteke i u nazivu stroja gotovo se nikada ne piše puni naziv postupka. Tko zna razliku između SLS-a i SLM-a, iz naziva stroja odmah zna hoće li iz njega izaći poliamidni ili metalni dio — i kolika će biti cijena.
Sve aditivne postupke, koliko god se međusobno razlikovali, povezuje nekoliko zajedničkih obilježja. Ona vrijede jednako za stolni pisač od tisuću eura i za industrijski stroj koji tali titanov prah snopom elektrona u vakuumu. Tko ih jednom razumije, lakše će predvidjeti kako će se ponašati postupak koji još nikada nije vidio.
Predmet nastaje kao niz tankih presjeka naslaganih jedan na drugi. Debljina sloja kreće se otprilike od 0,016 mm kod fotopolimernih postupaka do 0,3 mm kod istiskivanja materijala, a kod nekih postupaka s prahom određena je i veličinom zrna praha. Iz slojevitosti izravno proizlaze i najveće prednosti i gotovo sva ograničenja aditivnih postupaka, pa je vrijedi razumjeti prije svega ostaloga.
Aditivno izrađen dio nije jednako čvrst u svim smjerovima. Unutar jednoga sloja materijal je pun i kontinuiran, a između dvaju slojeva postoji spoj koji je uvijek slabiji od samoga materijala. Kod istiskivanja ta razlika zna iznositi i pedeset posto: ista epruveta, ispisana jednom uspravno a jednom položeno, puca pri bitno različitom opterećenju. Kod postupaka koji materijal potpuno tale — poput selektivnoga laserskog taljenja — razlika je manja, ali ne nestaje.
Zato orijentacija dijela u radnom prostoru nije estetska nego konstrukcijska odluka. Opterećenje treba voditi uzduž slojeva, nikako okomito na njih. Ista datoteka, položena na dva različita načina, daje dva dijela različite nosivosti, različite površine, različitoga trajanja ispisa i različite cijene.
Kosa ili zaobljena ploha ne može biti savršeno glatka jer je sastavljena od stepenica visine jednoga sloja. Što je sloj tanji, stepenice su manje i površina bolja, ali je i broj slojeva veći, pa vrijeme ispisa raste gotovo razmjerno. To je stalni kompromis u svakome poslu i o njemu se odlučuje prije svakoga ispisa.
Povuci klizač i promotri kako se mijenja obris kose plohe, broj slojeva i procijenjeno trajanje.
Materijal se ne može nanositi u zrak. Previsi i mostovi iznad određene mjere — kod istiskivanja obično iznad otprilike 45° od okomice — traže pomoćnu građu koja se nakon ispisa uklanja. Potpore troše materijal i vrijeme, ostavljaju trag na površini koju su doticale i ponekad se ne mogu ukloniti iz zatvorene šupljine. Kod nekih postupaka, prije svega kod srašćivanja u sloju praha, potpora u klasičnome smislu uopće nema jer neizgrađeni prah sam nosi dio — pa je i sloboda oblikovanja veća.
Gotovo nijedan aditivni dio ne izlazi iz stroja spreman za upotrebu. Slijedi uklanjanje potpora, čišćenje, pranje, naknadno osvjetljavanje kod smolastih postupaka, toplinska obradba za smanjenje zaostalih naprezanja, pjeskarenje, bubnjanje ili strojna obradba prihvatnih i dosjednih ploha. Kod metalnih postupaka naknadna obradba zna biti skuplja od samoga ispisa, pa je pri procjeni cijene nikako ne treba izostaviti iz računice.
Za razliku od odvajanja čestica, gdje od šipke često ostane manje od polovice mase, aditivni postupak troši gotovo samo materijal koji ulazi u dio, uvećan za potpore. Kod postupaka s prahom neizgrađeni se prah prosijava i većim dijelom vraća u proces, uz nadzor udjela osvježenoga praha. S druge strane, broj materijala provjerenih i certificiranih za aditivne postupke i dalje je neusporedivo manji od onoga što stoji na raspolaganju lijevanju ili prešanju, i to ostaje jedno od glavnih ograničenja tehnologije.
| Značajka | Što omogućuje | Što ograničava |
|---|---|---|
| Sloj po sloj | bilo kakva unutarnja geometrija, kanali i šupljine | vidljive stepenice na kosim i zaobljenim plohama |
| Bez alata | prvi komad jednako brz i skup kao stoti | nema pada jedinične cijene sa serijom |
| Ulaz je model CAD | izmjena proizvoda je izmjena datoteke | greška u modelu postaje greška u dijelu |
| Anizotropnost | usmjerena svojstva ako se svjesno iskoriste | slabiji spoj među slojevima, ovisnost o orijentaciji |
| Potpore | omogućuju previse i mostove | trošak, trag na površini, ponekad se ne mogu ukloniti |
| Ograničen radni prostor | — | veći dijelovi dijele se i naknadno spajaju |
| Uzak izbor materijala | — | daleko manje certificiranih materijala nego kod klasičnih postupaka |
Ista epruveta ispisana uspravno i položeno, s prikazom smjera slojeva i mjesta loma pri vlačnome ispitivanju.
Do kraja prvoga desetljeća ovoga stoljeća nazivlje je bilo posve neuređeno. Svaka je tvrtka svoj postupak zvala svojim imenom, a u literaturi su se usporedo koristili izrazi brza izradba prototipa, slojevita izradba, izradba čvrstih oblika slobodnom formom i 3D ispis. Isti se postupak u dvama člancima zvao dvama imenima, a dva različita postupka istim imenom. Za tehnologiju koja je htjela ući u zrakoplovstvo i medicinu to je bilo neodrživo: bez zajedničkoga nazivlja nema ni norme, ni ispitne metode, ni certifikata.
Godine 2009. pri organizaciji ASTM International osnovan je tehnički odbor F42 sa zadaćom da područje uredi. Rezultat je bila norma ASTM F2792, koja je propisala nazivlje i podjelu. Kasnije, u zajedničkome radu s organizacijom ISO, prerasla je u danas važeću ISO/ASTM 52900 — dokument koji je temelj cijele struke i koji se u ovoj jedinici spominje više puta.
Aditivna proizvodnja postupak je spajanja materijala radi izradbe dijelova iz podataka trodimenzionalnoga modela, uobičajeno sloj na sloj, za razliku od postupaka odvajanja čestica i preoblikovanja.
Definicija je kratka, ali svaki njezin dio nešto isključuje i vrijedi je pročitati po dijelovima.
Norma je propisala i krovni naziv. Službeni je pojam aditivna proizvodnja (additive manufacturing), a ne 3D ispis. Izraz 3D ispis norma priznaje kao neformalni sinonim koji se koristi u svakodnevnome govoru, osobito za jeftinije uređaje i za rad izvan industrije.
Razlog nije puristički. 3D Printing izvorno je bio naziv jednoga posve konkretnog postupka razvijenog na MIT-u 1993. — mlaznoga nanošenja veziva na sloj praha. Kad je taj naziv u javnosti preuzeo cijelo područje, jedan je postupak ostao bez imena, a svi ostali dobili su ime koje ih ne opisuje. Zato u tehničkoj dokumentaciji, u ponudi, u zapisniku o ispitivanju i u normativnome dokumentu ne piše „3D ispis“, nego se navodi kategorija postupka, a po potrebi i točan naziv stroja i materijala.
U razgovoru s kupcem slobodno recite 3D ispis — tako će vas razumjeti. U ponudi, tehničkom crtežu i izvještaju napišite kategoriju postupka po normi, primjerice srašćivanje u sloju praha, poliamid PA12. Prvo je uljudnost, drugo je struka.
Ista je norma uvela i podjelu koja se danas koristi u cijelome svijetu. Postupci su razvrstani u sedam kategorija, a mjerilo podjele nije ni materijal ni namjena nego način na koji materijal prelazi iz sirovine u učvršćeni sloj. Zato se u istoj kategoriji nađu postupci koji rade s posve različitim materijalima, a razdvoje se oni koji na prvi pogled rade isto.
Dobar je primjer par SLS i SLM: jedan sinterira poliamidni prah, drugi tali metalni, ali oba to rade laserom u tanko razgrnutome sloju praha, pa su u istoj kategoriji. Nasuprot tome, SLA i PolyJet oba skrućuju fotopolimer svjetlom, ali jedan ga skrućuje u kadi, a drugi ga prethodno kapa mlaznicama — i zato su u dvjema različitim kategorijama.
Klikni kategoriju da vidiš načelo rada, tipične materijale, prednosti i ograničenja te gdje se obrađuje u ovome programu.
Kad se ova podjela jednom usvoji, komercijalni nazivi prestaju biti problem. FDM je zaštićeni naziv tvrtke Stratasys, a FFF je isti postupak pod slobodnim nazivom koji je uveo projekt RepRap kad je patent istekao. SLM, DMLS i LaserCUSING tri su komercijalna naziva za srašćivanje metalnoga praha u sloju. Kategorija određuje svojstva dijela; naziv je stvar marketinga.
Praktična vrijednost podjele vidi se pri odabiru postupka. Kad je zadatak poznat — koliko komada, kolika točnost, koje opterećenje, koji materijal, do kada — kategorija se najčešće odredi u nekoliko rečenica, a tek onda slijedi izbor konkretnoga stroja i dobavljača. Obrnut redoslijed, u kojem se prvo odabere stroj pa se zadatak prilagođava njemu, redovit je izvor skupih pogrešaka.
Shematski prikaz sedam kategorija postupaka s naznačenim izvorom energije, oblikom sirovine i načinom nanošenja sloja.
Povuci klizač ili klikni točku na crti. Trake iznad osi pokazuju kako se mijenjala svrha tehnologije — od prototipa do gotova proizvoda.
Zamisao da predmet nastane slaganjem tankih presjeka mnogo je starija od strojeva koji su je ostvarili. Već potkraj devetnaestoga stoljeća postoje postupci izradbe zemljovida s reljefom u kojima se slojevi izrezuju iz ploča i lijepe jedan na drugi, a početkom dvadesetoga stoljeća prijavljuju se i patenti za slojevito oblikovanje kalupa. Ono što je nedostajalo nije bila ideja nego tri tehnička preduvjeta.
Prvi je bilo računalo dovoljno jako da pohrani i obradi trodimenzionalni model i razloži ga na presjeke. Drugi je bio laser, odnosno izvor energije čiji se snop može precizno voditi po ravnini. Treći su bili fotopolimeri — smolasti materijali koji skrućuju pod ultraljubičastim svjetlom. Sva su se tri uvjeta poklopila potkraj sedamdesetih godina, i tehnologija je postala moguća gotovo istodobno na trima kontinentima.
Prvi je uređaj 1981. opisao Hideo Kodama u Nagoyi. Njegov je sustav ultraljubičastim svjetlom skrućivao fotopolimer sloj po sloj i radio je. Kodama je o njemu objavio i znanstveni rad, ali je propustio rok za prijavu patenta, pa je rad ostao bez zaštite i bez tvrtke koja bi ga razvijala. U povijesti tehnologije to je čest obrazac: prvi nije onaj tko je prvi napravio, nego onaj tko je prvi zaštitio i prodao.
Tri godine kasnije, 16. srpnja 1984., francuski tim — Alain Le Méhauté, Olivier de Witte i Jean-Claude André — prijavljuje patent za postupak skrućivanja fotopolimera, tri tjedna prije Amerikanca Chucka Hulla. Njihovi poslodavci ubrzo obustavljaju postupak jer, kako je kasnije zabilježeno, nisu vidjeli tržišnu primjenu. Patent je napušten, a s njim i francuski prvenstveni položaj u tehnologiji koja će četrdeset godina kasnije vrijediti milijarde.
Chuck Hull prijavu je predao 8. kolovoza 1984. i patent dobio 1986. Postupak je nazvao stereolitografijom. Uz njega je osmislio i zapis STL — jednostavan opis vanjske površine modela mrežom trokuta, koji je i danas, četiri desetljeća kasnije, standardni ulaz u gotovo svaki program za rezanje slojeva. Iste je godine osnovao tvrtku 3D Systems, a 1987. na tržište je izašao SLA-1, prvi stroj za aditivnu izradbu koji se mogao kupiti. Svrha mu nije bila proizvod nego prototip u danima umjesto u tjednima — otud i naziv brza izradba prototipa, koji će obilježiti cijelo prvo razdoblje.
Kraj osamdesetih donosi dva postupka koja će obilježiti sve što slijedi. Scott Crump razvija taložno srašćivanje — termoplastičnu žicu koja se tali u mlaznici i nanosi trag po trag — i 1989. s obitelji osniva Stratasys. Iste godine Carl Deckard na Sveučilištu u Teksasu patentira selektivno lasersko srašćivanje, prvi postupak kod kojega potporne strukture uopće nisu potrebne jer neizgrađeni prah sam drži dio. Godine 1993. na MIT-u nastaje postupak 3DP, mlazno nanošenje veziva na sloj praha — izvorni nositelj naziva koji će poslije preuzeti cijelu struku.
U devedesetima tehnologija izlazi iz laboratorija u razvojne odjele velikih tvrtki. Osnivaju se EOS u Njemačkoj, Arcam u Švedskoj, Z Corporation u Sjedinjenim Državama, a broj postupaka raste brže od broja naziva za njih. Svrha je i dalje prototip: cilj je skratiti razvojni ciklus, provjeriti oblik i sklopivost, a ne proizvesti komad koji će nositi opterećenje.
Prijelaz se događa kad se u proces uvedu metali. Postupci DMLS i SLM omogućuju izradbu nosivih metalnih dijelova, pa se umjesto o brzoj izradbi prototipa počinje govoriti o brzoj izradbi alata i brzoj proizvodnji. Osobito je važna izradba umetaka za kalupe s konformnim kanalima za hlađenje — kanalima koji prate oblik šupljine umjesto da budu izbušeni u pravcu. Takav se umetak ne može izraditi bušenjem, a skraćuje ciklus prešanja i po nekoliko desetaka posto. Prvi put aditivna proizvodnja ne zamjenjuje klasičnu, nego radi ono što klasična ne može.
Prvi ozbiljni korisnici su zrakoplovstvo i medicina — dvije grane u kojima je dio malen, skup, geometrijski složen i izrađen u maloj seriji, dakle točno ono što aditivnoj proizvodnji odgovara. U medicini se pojavljuju i prve kirurške vodilice i implantati izrađeni prema snimci pojedinoga pacijenta, čime serija po definiciji postaje jedan komad.
Godine 2005. Adrian Bowyer na Sveučilištu u Bathu pokreće projekt RepRap, sa zamišlju da napravi pisač koji izrađuje vlastite plastične dijelove i time se sam umnaža. Projekt je otvoren: nacrti, popisi dijelova i programska podrška svima su dostupni, a zajednica ih razvija dalje. Prvi stroj, nazvan Darwin, izlazi 2007.
Kad 2009. istekne Crumpov patent na taložno srašćivanje, brana puca. Postupak postaje slobodan, a cijena stolnoga pisača u nekoliko godina pada s desetaka tisuća na oko tisuću eura. Tada nastaje i naziv FFF, jer je kratica FDM ostala zaštićena — dva imena za isti postupak, od kojih jedno postoji samo zbog prava intelektualnoga vlasništva. Godine 2012. pojavljuje se Prusa i3, otvoreni dizajn koji postaje svjetski uzor i uvodi tehnologiju u škole, radionice i male pogone.
To je razdoblje donijelo i val pretjeranih očekivanja: najavljivalo se da će svako kućanstvo imati pisač i da će proizvodnja prestati biti industrijska djelatnost. Do toga nije došlo, i dobro je znati zašto. Stolni je pisač alat, a ne čarolija — traži znanje o materijalu, o oblikovanju za ispis i o parametrima procesa. Upravo je to znanje predmet ovoga programa.
Vremenska crta razvoja s prikazom karakterističnih strojeva pojedinoga razdoblja: SLA-1, prvi uređaj tvrtke Stratasys, RepRap Darwin i Prusa i3.
Godina 2015. dvostruka je prekretnica. Objavljena je norma ISO/ASTM 52900, koja uvodi jedinstveno nazivlje i sedam kategorija, a General Electric u proizvodnju pušta mlaznicu goriva za zrakoplovni motor LEAP: dvadeset zavarenih dijelova zamijenjeno je jednim aditivno izrađenim, osjetno lakšim i višestruko izdržljivijim. Prvi put je aditivno izrađen dio ušao u serijsku proizvodnju u grani u kojoj je zahtjev na pouzdanost najstroži što ga industrija poznaje.
Iste godine tvrtka Carbon predstavlja postupak CLIP, kod kojega se fotopolimer skrućuje kontinuirano, bez zaustavljanja između slojeva, i koji je red veličine brži od klasične stereolitografije. HP uvodi Multi Jet Fusion, postupak usmjeren na serijsku izradbu polimernih dijelova, a niz proizvođača razvija mlazno nanošenje veziva na metalni prah kao put prema još većim serijama. Zajednički im je nazivnik jedan: više se ne natječu s prototipom, nego s kalupom.
Nosivi i toplinski opterećeni dijelovi kojima je masa presudna: mlaznice, izmjenjivači topline, nosači, dijelovi turbina. Manja masa izravno znači manju potrošnju goriva kroz cijeli vijek zrakoplova.
Implantati i kirurške vodilice oblikovani prema snimci pojedinoga pacijenta, zubna protetika, modeli za planiranje zahvata. Serija je po definiciji jedan komad, pa je izostanak alata presudna prednost.
Naprave, prihvatnice, zahvatnici, stezni pribor, zamjenski dijelovi na zahtjev i umetci za kalupe s konformnim hlađenjem — najšire područje primjene i obično prvo u koje tvrtka ulazi.
Pretežno razvoj, provjera sklopivosti i izradba alata, uz sve češću primjenu u maloj seriji i u obnovi starih vozila, gdje dio više nitko ne proizvodi.
Ispis zidnih elemenata i manjih objekata betonskom smjesom, izradba oplata složena oblika i arhitektonskih maketa. Područje u brzome rastu, ali još bez ustaljene normativne osnove.
Škole, veleučilišta i razvojni odjeli, gdje je vrijednost u brzini povratne veze: zamisao se navečer modelira, a ujutro se drži u ruci i mjeri.
Granica koja tehnologiju i dalje najviše ograničava nije stroj nego materijal. Broj materijala provjerenih i certificiranih za aditivne postupke i dalje je neusporedivo manji od onoga što je dostupno klasičnoj proizvodnji. Uz to, svojstva aditivno izrađenoga dijela ovise o parametrima procesa mnogo jače nego kod lijevanja ili prešanja: promijeni li se snaga lasera, brzina skeniranja, temperatura komore ili serija praha, mijenjaju se i mehanička svojstva dijela koji izgleda posve jednako.
Zato se težište razvoja posljednjih godina preselilo s brzine strojeva na ponovljivost, nadzor procesa u stvarnome vremenu i certificiranje — dakle na dokazivanje da je stoti dio jednak prvome, i da se ta jednakost može izmjeriti i dokumentirati. Strojevi sve češće imaju kamere i pirometre koji prate svaki sloj, a uz dio se isporučuje i zapis o tome kako je nastao.
Drugo veliko pitanje jest trošak. Cijena metalnoga praha, cijena stroja, trajanje ispisa i cijena naknadne obradbe zajedno određuju granicu iznad koje se aditivni postupak više ne isplati. Ta se granica svake godine pomiče, ali ne nestaje — i posao inženjera nije da je ignorira, nego da je zna izračunati.
Za onoga tko danas ulazi u struku to znači jedno: pitanje više nije može li se nešto ispisati. Gotovo sve se može. Pitanje je isplati li se — a odgovor na njega traži poznavanje postupaka, materijala i pravila oblikovanja, čemu su posvećene preostale jedinice ovoga modula i moduli koji slijede.
Primjeri današnje primjene: mlaznica goriva motora LEAP, titanski implantat izrađen prema snimci pacijenta i zahvatnik izrađen za pojedini radni komad.
Odgovor se zaključava nakon prvoga klika, uz objašnjenje zašto je točan.