FREEDEE BLOG

Az ipari innovációban élenjáró svájci CSEM a hőalapú vezérlőrendszerek teljesítményét növelő, beágyazott szenzorokkal rendelkező csöveket fejlesztő, ezen a nyáron indult és a tervek szerint két év múlva befejeződő uniós AHEAD projektet koordinálja. (Érdekesség: az egy személyre jutó 3DP szabadalmak terén Európában Svájc az első.)

Az „okos csövek” a Genf melletti CERN (Európai Nukleáris Kutatási Szervezet) és az űripar mellett sok más területen hasznosíthatók, és például az ipar 4.0-ban fontos rendszerek melegítő-hűtő mechanizmusait szabályozhatják.

A hővezérlő rendszerek több nagyteljesítményű műszer, eszköz, például műholdak és űrrakéták kritikus alkatrészei. Legtöbbjük nehéz, méretes darab, ráadásul egy csomó kábel kell hozzájuk. Az AHEAD célja a valósidejű adatgyűjtést biztosító és a hatékonyságot növelő olcsóbb, kompakt és vezeték nélküli rendszerek fejlesztése.

A hőmérséklet-szenzorokat és a melegítőelemeket a cső belsejébe integrálják. A rendszerhez a beágyazott elektronikát működtető és a vezeték nélküli automatizált adattovábbítást biztosító energia-visszanyerő eszközt is építenek.

A kutatók az elektronikus alkatrészeket, például kábeleket, konnektorokat és érzékelőket változatos nyomtatott tárgyakba integráló technológiai téglákról beszélnek. Beágyazott szenzorok nélkül ipar 4.0 sincs, és az általuk gyűjtött adatok, mesterséges intelligenciába táplálva, hozzájárulnak folyamatok irányításához, optimalizálásához és a megelőző karbantartáshoz.

Jelenleg két alkalmazáson dolgoznak: az egyik a CERN új részecskedetektora, a másik űrmodulok számára készül.

A CERN mérnökei szilíciumdetektorokat fejlesztenek, amelyek összeütközések során szanaszét szóródott részecskéket fognak azonosítani. Az AHEAD csövének köszönhetően, a detektor hővezérlő rendszerek bonyolult beállítások, kábelek sokasága nélkül, hatékonyabban működik majd.

Az egyik legfontosabb projektpartner, a Thales Alenia Space (TAS) a csövek Nemzetközi Űrállomás (IST) túlnyomásos moduljaiban és a NASA jövőbeni Holdkapu űrállomáson való használata mellett, a telekommunikációs műholdakat is tanulmányozza. A jobb űrbéli hőkontroll minden ottani rendszer számára kritikus tényező.

Az épületnyomtatás egyik legkülönlegesebb területe a hídnyomtatás. A legismertebb Amszterdam piroslámpás negyedében köti össze az egyik csatorna két oldalát, Kínában is több áll, de talán a leginnovatívabb a szintén holland Nijmegen városában található. Jelenleg az utóbbi a földkerekség leghosszabb, 28 méteres printelt betonhídja.

A szoftverfejlesztő Autodesk és a libanoni Dar Al-Handasah tervezőcég közös munkája, az Autodesk Egyetem (AU) szeptember 27. és 29. közötti, New Orleans-ben rendezett konferenciáján bemutatott, gyalogosoknak készült Okos Híd ugyan csak öt méter és egyelőre prototípus, de innovációban túlmutat az eddigieken. A munkát az Egyesült Arab Emírségekben végezték, ahol az Autodesk korábban a dubai Jövőmúzeum és Abu Dhabi Louvre-jának nyomtatásából vette ki a részét.

Az Okos Híd megvalósításához a 3D nyomtatás mellett más csúcstechnológiákat is használtak: mesterséges intelligenciát, robotikát, digitálisiker-technikát. A libanoni tervezőiroda a jelenlegieknél biztonságosabb, fenntarthatóbb és „okosabb” hidat akart kivitelezni.

Az Autodesk Fusion 360 generatív tervezőfunkcióját igyekeztek maximálisan kiaknázni. Eredetileg rosttal megerősített polimerből printeltek kétméteres hidat. Ez volt a kezdet, majd következő lépésben a modernebb ötméteres változatot tervezték meg, amelyhez már újrahasznosítható anyagot használtak. Úgy alakították ki, hogy a szerkezet „viselkedését” folyamatosan lehessen figyelni.

Ebben a fázisban a Dar Al-Handasah már szorosan együttműködött az Autodesk kutatási és gyártási részlegével, és a partnerek elégedettek.

Elmondták, hogy az evolúciós tervezést és az újrahasznosítható anyagokat kombináló szerkezet teljesen egyedi: nagyon alacsony a széndioxid-lábnyoma, és mivel interaktív mesterségesintelligencia-rendszerhez kapcsolódik, a híd állapota nemcsak monitorozható, hanem módosítható is.

A kutatók bizakodnak, hogy a 3D nyomtatás nagyobb szerkezetek kialakításában is el fog terjedni. A generatív tervezésben és az újrahasznosítható anyagokban annyira komoly lehetőségeket látnak, hogy szerintük a tervezés új korszakát vetítik előre.

A fémnyomtatás évről évre fontosabb szerepet játszik, a légjármű-ipartól a medicináig, egyre több iparágban bővülnek vele a lehetőségek. Mindezzel együtt, a fejlődéssel nő a kihívások száma, és egyikre-másikra nem könnyű megoldást találni.

Például a gyártófolyamat közbeni hőmérséklet az egyik legfontosabb tényező. Széles a skála, ráadásul különösen oda kell figyelnünk a szélvészgyorsan felmelegedő és lehűlő anyagokra.

Fémek additív gyártásánál lényegében többmillió apró, porállapotú részecskét „hegesztünk” eggyé nagyteljesítményű eszközökkel, például lézerrel, olvasztjuk folyadékká őket, majd kihűlve, szilárd halmazállapotúvá válnak. A hűlés tempója hihetetlenül gyors, akár másodpercenkénti egymillió Celsius-fok is lehet, és az egyensúlynak ez a szélsőséges hiánya számos mérési kihívást vet fel.

A korrózióval szembeni ellenállása miatt nagyra értékelt acélt a 3D nyomtatás sok területén használják. A gyakran emlegetett rozsdamentes acél vasból, krómból és egy kevés szénből készült ötvözet. Egyes változatai, például a PH 17-4 nagyon ellenállnak a korróziónak, és döbbenetesen kemények is.

Az Egyesült Államok Szabványok és Technológia Nemzeti Intézete ilyem rozsdamentes acélt nyomtatott. Az anyag mindkét főtulajdonságát megtartotta.

A hőmérsékletváltozások gyakran szabálytalanságokat idéznek elő, és miattuk nem egyszerű az óhajtott tulajdonságokkal rendelkező fémtárgyat nyomtatni. A kutatók ezért alaposan utánanéztek az anyagban lévő kristályszerkezetek variációinak. Az elemi részecskéket felgyorsító elektromágneses műszert is használtak, amelyről nyomtatás közben röntgensugarakat küldtek az acélra. A kristályszerkezet fejlődését akarták így nyomon követni. Végül számos, az ötvözet összetételét meghatározó tényezőt sikerült megérteniük.

Az összetétel feletti kontroll az ötvözetek nyomtatásának kulcsa – állítják a kutatók. Csak így képesek az anyag hűlését, megszilárdulását is kontrollálni, és ez tette lehetővé, hogy (ezer és egymillió Celsius-fok/másodperc közötti) nagyon változatos hűlési tempók mellett masszív 17-4 PH rozsdamentes acél lett a végeredmény.

Mivel a hagyományos gyártás egyes hűtési lépéseit kihagyták, az ötvözet 3D nyomtatással történő előállítása könnyebb és olcsóbb.

A lengyel GREENFILL3D startup természetes anyagokon alapuló innovatív megoldásokat dolgoz ki additív gyártási célokra. Céljuk a 3D nyomtatás közbeni „zéró hulladék” elérése, valamint környezetbarát új szabványok kidolgozása mindennapos tárgyak előállítására.

Egymással összefüggő három területen dolgoznak: biológiailag lebomló vagy újrahasznosított anyagokon alapuló, természetes komponensekkel, például búzakorpával kiegészített, környezetbarát termoplasztikus cuccokat dolgoznak fel. Másrészt ezekből az anyagokból 3D nyomtatással készítenek valamit. Harmadrészt saját termékeket terveznek, gyártanak.

Folyamatosan keresik a népszerű műanyagok környezetbarát alternatíváit. Azokra összpontosítanak, amelyeket fizikai és vegyi tulajdonságaik miatt nagyon nehéz vagy lehetetlen helyettesíteni, és nagy valószínűséggel időtlen időkig velünk maradnak, pedig nem kellene, hogy így történjen. Vagy újakat találnak ki helyettük, vagy a használtakat újrahasznosítják.

Nehéz feladatra vállalkoztak, de a hazai szakma máris hálás nekik, mert a 3D nyomtatásra kitalált búzakorpával és más bioanyagaikkal a lengyel élelmiszeripar 2022-es ECOinvestor díját elnyerték.

De mi köze ennek a kajákhoz? Annyi, hogy a búzakorpa a Lubella tészta gyártásának mellékterméke.

A díjat a szakma legnagyobb éves rendezvényén, a Coca Cola HBC Poland által tartott Lengyel Italkongresszuson adták át. Magát a versenyt a Mezőgazdasági és Vidékfejlesztési Minisztérium és a Környezetvédelmi és Vízgazdálkodási Nemzeti Alap szervezte.

A versenyen 2016 óta van ECOinvestor kategória. Cél az élelmiszeripar társadalmi felelősségtudatának elmélyítése, a környezetbarát technológiák promótálása, a területen végzett tevékenységek negatív hatásainak csökkentése, a legjobb élelmiszeripari „zöld” technológiák azonosítása, a legeredményesebb energiahatékony módszerek népszerűsítése.           

A 3D nyomtatás iparrá válásával lassan megjelennek az iparra a kezdetektől legjellemzőbb, emblematikus épületek: a gyárak. Nyilván a posztmodern, posztindusztriális idők üzemei teljesen mások, mint a 18. század végi Anglia füstös és koszos helyiségei, legfőbb rendeltetésük azonban még mindig a gyártás – ha ez digitális is –, azaz termékek előállítása.

Az ipari jellegű additív gyártáson belül a fémnyomtatás egyre meghatározóbb, és ennek megfelelően, nőnek a befektetések, bíztató a jövő.

A szakterület első, úttörő szolgáltatásai a gyors prototípus- és szerszámkészítés voltak. Akkoriban a 3D nyomtatás más technológiák kiegészítőjeként, és nem a legfőbb technológiaként funkcionált. A mai fémnyomtatás viszont jócskán eltér az eredeti céloktól, bár a prototípus- és szerszámkészítés változatlanul jelentős.

Az ezekre specializált cégek általában háromnál kevesebb, kisebb méretű fémprinterrel rendelkeznek, és lehetőségeiket folyamatosan bővítve, kínálatuk a kisszériás gyártással is kiegészült. Sokszor tervezési és konzultációs szolgáltatásokat is nyújtanak.

A három és tíz fémnyomtatóval rendelkező, még mindig a kis- és középvállalatok kategóriájába sorolandó cégek már bizonyos szintű sorozatgyártást is végeznek, többszáz, akár ezer feletti nyomattal évente. A fémnyomtatás mellett polimeralapú, sőt szubtraktív szolgáltatásokat szintén kínálnak. Tökéletesen átlátják a digitális munkafolyamatokat, a legmodernebb mérnöki szolgáltatásokat, utómunkálatokat stb.

Az elmúlt három év nagy nóvuma a teljes méretű additív fémgyárak megjelenése. Jellemzően, minimum tíz fémprintert üzemeltetnek, köztük komolyabb mennyiségű nyomat elkészítésére alkalmas nagyméretű gépeket, rendszereket is.

Jelenleg maximum kéttucat ilyen – tényleges – gyárról beszélhetünk világszerte. A gyártósorok magas szinten automatizáltak, az anyagkezeléstől az utómunkálatokig kevés emberi beavatkozásra van szükség. Akár évi sokezer nyomat előállítására alkalmasak. Szinte bármilyen alkalmazásban kompetitívek, de elsődlegesen a légjármű-, a járműipar, a medicina, a szerszámipar, az energetikai és a fogyasztói szektor számára dolgoznak.

A fémnyomtatás szolgáltatói szegmensének jelentős részét változatlanul kis- és középvállalatok alkotják. A leggyorsabb növekedést a hardvergyártók (ExOne, Digital Metal, 3D Systems, Stratasys) és az outsourcingra (kiszervezés) ráállt szolgáltatók (Proto Labs, Xometry, Materialise, Siemens Materials Solutions) könyvelhetik el. A fémnyomtatás-szolgáltatásokat gyakran teljes digitális gyártócsomag részeként nyújtják, azaz általában polimer-alapú és nem additív gyártást is kínálnak velük együtt.

A legnagyobb 3DP hardveres cégek, a szakterület korai szakaszától főszereplők hamar szolgáltatókká váltak, de vannak köztük újabbak is.

A kínai Bright Laser Technologies például ma már világviszonylatban is az egyik legnagyobb additívgyártó-üzemmel rendelkezik, míg a speciális szolgáltatásokban utazó, szintén kínai Falcontech a hardvergyártó Farsoonnal kötött partneri kapcsolatának köszönhetően vált meghatározó jelentőségű nagyvállalattá.

Más digitális gyártásszolgáltatók, mint a Xometry és a Proto Labs kötelékébe tartozó korábbi 3D Hubs, ma már csak Hubs online gyártóhálózatok létrehozására összpontosítanak. Ezek a cégek a (mesterséges intelligenciával megtámogatott) csúcsalgoritmusok lehetőségeit kiaknázva, egyre pontosabbak a nyomatok költségeinek kiszámításában. A kalkulációk a tömeg, a komplexitás és az anyagtípus alapján történnek.        

Az utóbbi évek – a hardverhez kapcsolódó – szintén fontos trendjeként a legnagyobb nyomtatóanyag-gyártók (GKN Additive, Oerlikon, Hoganas stb.) belső additív fémgyártó üzemeket és gyártórészlegeket alakítottak ki. A Sandvik például azért szerzett részesedést a ma a világon elsőszámú additív fémgyártás-szolgáltatónak számító olasz BEAM-IT-ban, hogy egyes gyártótevékenységeket házon belül végezhessen.

Ezek a befektetések számos előnnyel járnak.

Egyrészt lehetővé válik, hogy „belső” anyagokból előállított, magas hozzáadott értékű nyomatok forgalmazásával kamatoztassák az additív gyártáshoz szükséges speciális porlasztókba stb. fektetett összegeket. Másrészt, ezekkel a munkákkal több fémalapú additív gyártófolyamatban tesznek szert különleges és jól hasznosítható szakértelemre. Ismereteiket az ezekhez a folyamatokhoz kitalált új speciális fémötvözetek fejlesztésére és finomhangolására is használhatják.

A fémalapú additív gyártás élenjáró vállalatai jelenleg a prototípuskészítés, a kisszériás termelés és a digitális sorozatgyártás közötti átmeneti állapotnál tartanak. A sorozatgyártás utáni fázis a tényleges additív gyárakban végzendő tömegtermelés lesz.

Ezekre a folyamatokra rímel, hogy az utóbbi esztendőkben a legnagyobb 3D szoftverfejlesztő cégek (Autodesk, Dassault System, Ansys) és a legnagyobb 3DP szolgáltatók (BEAM-IT, Proto Labs, Materialise, Shapeways) könyvelhették el a legtöbb befektetést, ráadásul a tőzsdén is remekül teljesítettek.

A 3D Printing Media Network a fémnyomtatás piaci lehetőségeiről és trendjeiről készített felméréséből kiderül, hogy az additív fémgyártás szolgáltatói szegmense ugyan még nagyon fiatal és fragmentált, de óriási potenciál rejlik benne.

De kik a kulcsszereplők?

Globális bevételek alapján a 2020-ra vonatkozó felmérésben 142 fémnyomtatás szolgáltatót vizsgáltak, és a leginkább a légjármű-, jármű- és orvosi szektorban aktív olasz BEAM-IT végzett az első helyen: több mint örven fémprinterrel dolgoztak, majd a 3T felvásárlásával tovább erősödtek a pozícióik.

A kínai fémhardver-gyártó L-PBF a második, a kifejezetten drága projekteket is futtató német Toolcraft a harmadik. A negyedik és az ötödik helyen két – pontosabban másfél – „klasszikus” versenyző, a Stratasys és a 3D Systems On Demand Manufacturing áll. Utóbbi, miután a Trilantic North America részvénytársaság felvásárolta, a korábban használt Quickparts márkanév alatt fut.

A kínai Falcontech a hatodik, az Európában és az Egyesült Államokban egyaránt nagyon fontos szereplő, svájci székhelyű Oerlikon a hetedik. A digitális gyártás kiszervezésében (outsourcing) jeleskedő, 35 gépet üzemeltető minnesotai Proto Labs a nyolcadik, a francia 3DP hardvergyártó AddUp által felvásárolt, szintén francia PolyShape a kilencedik. A légjármű- és a védelmi iparban érintett kaliforniai Morf3D a tizedik. Korábban a 2020-ban bukdácsoló, majd a BEAM-IT által felvásárolt brit 3T is az első tízben volt.

A Siemens Material Solutions, a Sauber Engineering és a KAM az első tízből ugyan kimaradt, viszont mindhárom komoly növekedést felmutató, meghatározó szereplő.

A melbourne-i Monash Egyetem kutatói bemutatták, hogyan lehet a legfejlettebb 3D nyomtatóeljárásokkal kereskedelmi forgalmazásra szánt, ultraerős titánötvözetet előállítani. A világpremiernek tekinthető munka fontos lépés a légjármű-, az űr-, a védelmi, az energetika- és a biomedikális iparágak számára.

3D nyomtatással módosítottak egy újszerű mikrostruktúrát, és az így kidolgozott anyag korábban nem tapasztalt mechanikai teljesítményre képes.

Titánötvözetek készítéséhez, a kritikus alkalmazásokhoz nélkülözhetetlen masszívságuk eléréséhez bonyolult öntésre és termomechanikus feldolgozásra van szükség. A kutatók rájöttek, hogy ezek kiválthatók, és hőtanilag stabil és ultraerős nyomatokra alkalmas titánötvözet fémnyomtatással kivitelezhető.

Egyszerű utólagos hőkezelés után megfelelő nyúlás és szakítószilárdság érhető el – derül ki munkájukból. Az 1600 MPa az eddigi legmagasabb szilárdsági szint nyomtatott fémeknél. Ennél fogva, a kutatás kikövezheti a széleskörű alkalmazásokban hasznosítható, kivételes tulajdonságokkal és egyedi mikroszerkezetekkel rendelkező szerkezeti anyagok gyártásához vezető utat.

A légjárműiparban a titánötvözet az egyik legnépszerűbb anyag részek nyomtatásához. A statisztikák szerint viszont a kereskedelmi forgalomban beszerezhető, additív gyártásra használt titánötvözetek tulajdonságai sok szerkezeti alkalmazáshoz nem megfelelők. Legfőbb problémájuk, hogy szilárdságuk nehéz üzemi körülmények között sem szoba-, sem magasabb hőmérsékleten nem elegendő.

A kutatók által kínált teljesen új megközelítéssel készült ötvözet viszont alkalmas bonyolult formájú és terheléstűrő darabok gyártására. Eddig nem volt ilyen, ráadásul hasonló erősségű anyagokkal összehasonlítva, a gyártási költségek is sokkal alacsonyabbak.

A kutatási eredmények a kohászatra is komoly hatással lehetnek.

A 3D nyomtatást egyre többen alkalmazzák az építőiparban. A gyárban és a helyszínen is statikus és mobilrobotok egyaránt nyomtatnak építkezéseken használt anyagokat, például acél- és betonszerkezeteket. Ezekben a projektekben repülő robotokat, azaz drónokat is alkalmaznak. Képesek csoportosan dolgozni, kollektív munkamódszerüket a természet, méhek és darazsak inspirálták.

Az Imperial College London és a Svájci Szövetségi Anyagtudomány és Technológia Labor (Empa) kutatói repülő nyomtatódrónokat fejlesztettek. A gépek légi additív gyártást végeznek, repülés közben építkeznek és javítanak meg szerkezeteket.

A drónok nehezen megközelíthető, veszélyes helyszíneken, például magas épületeken, katasztrófa utáni mentőmunkálatoknál különösen hasznosak lehetnek.

A flotta drónja együttműködnek, és legalábbis laboratóriumi körülmények között csoportosan is képesek dolgozni. Egyetlen terv alapján, technikájukat menet közben, a körülményekhez alkalmazva használják. Repülés során teljesen autonómok, viszont humán irányítók ellenőrzik és vizsgálják a munkájukat. Ha szükség van rá, közbe is avatkoznak. A drónok által szolgáltatott információk alapján döntik el, hogy kell-e, vagy sem.

A technológia méretezhető, a jövőben sok esetben és környezetben nyújthat hatékony segítséget. A gépek a környezeti elemek geometriai változatosságához útvonaltervező programmal alkalmazkodnak.

A flotta az anyagokat repülés közben lerakó építő és a minőséget ellenőrző, az építők munkáját folyamatosan mérő, azokat a következő lépésről értesítő szkennelő drónokból áll.

A tesztekhez négy „testre szabott” cementkeveréket fejlesztettek a drónokhoz, hogy azokkal építkezzenek. Munka közben valós időben értékelték ki a nyomatok geometriáját, majd viselkedésüket úgy módosították, hogy alkalmazkodjanak az építési specifikációkhoz. Öt milliméter pontossággal dolgoznak. Egy 2,05 méter magas, 72 rétegből álló, poliuretán és egy 18 centis, egyedire kialakított cementhenger voltak a tesztprintek.

A jövőben bővülni fognak a lehetőségek, a fejlesztők építészeti cégekkel is együttműködnek, utóbbiak hitelesítik majd a munkájukat.

Átalakították Prága egyik villamosmegállóját, a hetedik kerületi Stromovkát. Az új megálló különlegessége, hogy a pad és a tetőszerkezet egy része 3D nyomtatással készült. A printelési folyamat mindössze 36 óráig tartott. Az átadásra szeptember második hétvégéjén került sor.

Csehországban ez az első (részben) nyomtatott villamosmegálló.

A munkát a prágai So Concrete végezte, és mint a cég neve is elárulja, betonban utaznak. A nyomatokat ingyen bocsátották a város rendelkezésére. A betonból készült kényelmes pad különlegessége, hogy tízszer masszívabb a hagyományos betonnál, azaz valóban ultraerősnek tekinthető.

Adam Scheinherr, a prágai önkormányzat közlekedési szakpolitikusa szerint a 3D nyomtatás sokat adhat a városnak.

„Ennek a betonfajtának és a 3D nyomtatásnak az egyesítése új módszer arra, hogy csak ott használjunk betont, ahol nélkülözhetetlen. A projektekhez való hozzáállás változását jelenti, és a fenntartható fejlődés feltételeinek megfelelő irányvonalat jelöl ki. Ne pazaroljuk az egyre ritkább energiát és erőforrásokat” – nyilatkozta Scheinherr.

Tehát Prágában is megjelent a 3D nyomtatással támogatott környezetbarát és gazdaságilag is hatékonyabb építkezés. A megálló esetében, más eljárásokkal összehasonlítva, az anyagoknak csak a hatvan százalékát használták el, és az emberi munkát is minimalizálták.

A nyomtatás végeztével, a So Concrete szállította a helyszínre a nyomatokat, és ott szerelték össze őket. A 3DP-t nem használták a teljes építési folyamatban, a tervet mesterséges intelligenciával optimalizálták, emberi munkára csak a végső módosításoknál volt szükség.

Karbantartásra sem lesz nagyon szükség, mert a tetőzethez használt anyag sokáig, száz évig vagy még tovább bírja. Tartósságáról árulkodik, hogy gátakhoz használják.

A városvezetés biztos abban, hogy nem ez az utolsó nyomtatott építmény Prágában. Már egy új gyalogoshidat és két meglévő híd felújítását tervezik a technológiával.