Rozwój technologii przemysłowego druku 3D.

Technologia wytwarzania przyrostowego AM (Additive Manufacturing) jest obecnie niezwykle dyskutowanym tematem i przedmiotem badań w środowiskach naukowych i przemysłowych, a także nową wizją współczesnego świata.

Ponadto przyszłość materiałów do wytwarzania przyrostowego AM zmierza w stronę fundamentalnych zmian. Co oznaczałoby, że wytwarzanie przyrostowe będzie trwającą nową rewolucją przemysłową w cyfrowym świecie.

W ostatnich latach technologia wytwarzania przyrostowego (AM) znacznie się rozwinęła i udowodniła, że ma ogromny potencjał w zastosowaniach przemysłowych, biomedycznych i bioinżynierii, farmacji.

Dzięki wielu metodom i technologiom w ostatnich latach poczyniono znaczne postępy w dziedzinie druku 3D. Wytwarzanie przyrostowe AM w postaci druku 3D jako narzędzie nawiązuje do czwartej rewolucji przemysłowej.

Więc, AM i druk 3D zmierzają w stronę piątej rewolucji przemysłowej. Ponadto badania nad wytwarzaniem przyrostowym (AM) są niezbędne do wygenerowania kolejnych osiągnięć, które będą korzystne dla ludzi i życia oraz zrównoważonego rozwoju społeczeństwa przyszłości.

Na przykład rozwój technologiczny AM umożliwia stworzenie gospodarki o obiegu zamkniętym. Gospodarka o obiegu zamkniętym to mechanizm i system mający na celu wykorzystanie odpadów. Koncepcja rozproszonego recyklingu poprzez wytwarzanie przyrostowe obejmuje wykorzystanie materiałów ponownie przetworzonych w łańcuchu procedur AM poprzez odzysk mechaniczny.

Roboty, szybkie sieci danych i wzajemnie połączone urządzenia sprawiają, że czwarta rewolucja przemysłowa zwiększa kreatywność fabryk i lepiej radzi sobie z zadaniami, które wykonują maszyny. Czwarta rewolucja przemysłowa (taka jak AM oraz technologia druku 3D jako narzędzie) zaczyna zmierzać w stronę piątej rewolucji przemysłowej.

Piąta rewolucja rozpocznie się, gdy zaczniesz umożliwiać klientom dostosowywanie twojego produktu do tego, czego on chce.

Piąta rewolucja przemysłowa przenosi ideę personalizacji produktu na wyższy poziom. Co więcej, technologia przyrostowa i druk 3D stwarzają nowe możliwości w zakresie przyszłościowych technologii takich jak z nauki medyczne, farmacja, inżynieria tkankowa nie wspominając o transporcie kołowym, lotnictwie, nauce i przemyśle. Ponadto technologia AM zamierza wkrótce tworzyć inteligentne materiały za pomocą technologii druku 3D.

Siedem najważniejszych zalet AM jest następujących:

1. Koszt wejścia stanie się bardziej przystępny cenowo a dla technologii druku 3D FDM już jest niski.
2. Zmniejsza produkcję odpadów i pozwala zaoszczędzić na kosztach energii.
3. Koszty prototypowania są znacznie niższe niż w przypadku zastosowania technologii ubytkowej.
4. Produkty (detale) jednostkowe oraz małe serie produkcyjne często okazują się szybsze w wykonaniu i tańsze.
5. Nie potrzebujesz tak dużej ilości zapasów do produkcji, dlatego kosztu magazynowania będą niższe.
6. Łatwiej jest rekonstruować i optymalizować stare części (łatwo jest zmieniać lub modyfikować wersje produktu) przy zachowaniu niższych kosztów.
7. Można wydrukować części o wysokim stopniu złożoności lub kształcie niemożliwym do realizacji innymi metodami wytwarzania.

Ponadto AM proponuje korzyści w dziedzinie inżynierii biomedycznej, takie jak inżynieria tkankowa lub dostarczanie leków. Technologia ta wykorzystuje projektowanie cyfrowe w celu zapewnienia wysokiej dokładności produkcji. AM może zaoferować rozwiązania w zakresie budowy naczyń na skalę ludzką. AM jest szeroko stosowany w cyfrowym wytwarzaniu i projektowaniu modeli biomateriałów i systemów dostarczania leków. AM akceptuje użycie i drukowanie trójwymiarowych projektów części metalowych, monokryształów w trudnych warunkach i związków chemicznych specyficznych dla danego miejsca. Przyszłość druku metalowego umożliwi połączenie nauki metalurgii z szybkim rozwojem nowych narzędzi cyfrowych, takich jak uczenie maszynowe do tworzenia modeli mechanicznych. Od projektu produktu po monitorowanie i planowanie procesu, narzędzia te mogą wspomagać rozwój prototypowania części, przyspieszać kwalifikację części i automatyzować kontrolę jakości części.

Zastosowanie druku 3D i AM w zastosowaniach biologicznych, biomedycznych i inżynierii tkankowej.

Być może w przyszłych badaniach możliwa będzie zmiana procesu projektowania inspirowanego biologią, powtarzalnego procesu projektowania mającego na celu tworzenie nowych architektur inspirowanych biologią poprzez wytwarzanie przyrostowe. Wkrótce podobne techniki i metodologia mogą zostać wykorzystane do kierowania dodatkowym postępem w zakresie architektur materiałów magazynujących energię. AM jest szeroko stosowany w dziedzinach medycyny, takich jak technologia in vitro, przemysł farmaceutyczny, dostarczanie leków, druk 4D itp. Oprócz rozwoju zaawansowanych narzędzi inżynierii materiałowej, cyfrowe sterowanie i ciągła automatyzacja metod produkcji będą miały znaczący wpływ na przemysł biomedyczny.

Polimery organiczne odgrywają ogólnie istotną rolę w środowisku medycznym. Aby przetestować te polimery, do rusztowań inżynierii tkankowej wprowadza się komórki lub czynniki wzrostu Aby określić ich rolę kliniczną w rusztowaniu kostnym i działaniu w medycynie, polimery te należy badać metodami wytwarzania przyrostowego AM oraz druku 3D. Możliwe jest rozwiązanie problemu wysokich gradientów fizycznych i biochemicznych w zastosowaniach takich jak inżynieria tkankowa i rozwój sztucznych narządów. Dzięki tej metodzie można zastosować bardziej zaawansowane i inteligentne rusztowania biologiczne. Wysoka liczba badań na ten temat podkreśla znaczenie AM w tworzeniu przyszłości opieki zdrowotnej. Racjonalne jest przypuszczenie, że sektor opieki zdrowotnej może spodziewać się nowych paradygmatów w technologiach wytwarzania przyrostowego oraz druku 3D.

Badania nad wykorzystaniem polimeru pochodzącego z recyklingu w druku 3D (FDM).

Zastosowanie i wykorzystanie materiałów pochodzących z recyklingu w FDM (Fused Deposition Modeling) przyczyni się do istotnego rozwoju tej technologii druku 3D. Utylizacja odpadów polimerowych obejmuje różne podejścia, ale ponowne przetworzenie polimeru termoplastycznego jest skuteczną metodą. Metoda druku 3D (FDM) to niedroga technologia AM, która wykorzystuje stopiony granulat lub włókno termoplastyczne do tworzenia warstw części. Ewolucja FDM prowadzi do zwiększonego wykorzystania polimerów pochodzących z recyklingu do różnorodnych zastosowań. Do zagospodarowania odpadów polimerowych można zastosować FDM. Jednakże zrozumienie właściwości produktów z polimerów pochodzących z recyklingu wytwarzanych w procesie AM jest niezbędne do uzyskania dobrych efektów.

Badania nad wykorzystaniem technologii w druku 3D (FDM) w sektorze lotniczym.

Najnowsze prognozy dowodzą i pokazują pełny potencjał druku 3D i technologii AM w przemyśle lotniczym i innych zastosowaniach. Od pewnego czasu w społeczeństwach przemysłowych znaleziono kilka zastosowań AM. Na przykład Druk 3D jest stosowany w produkcji samolotów, sekcji helikopterów, przy produkcji lżejszych i bardziej wydajnych silników, turbin drukowanych w 3D, niektórych haków itp. Technologie druku 3D zwykle oszczędzają koszty, czas i pieniądze oraz sprawiają, że mocniejsze, bardziej wydajne gotowe produkty działają prawidłowo. Świadczą o tym prace badawcze oraz badania rynku. Wytwarzanie przyrostowe (AM) w przemyśle lotniczym i innych gałęziach przemysłu inżynieryjnego rośnie i rośnie.

Koncepcja możliwości zastosowania nowoczesnych kompozytów oraz druku 3D do morfingu konstrukcji lotniczych.

Skrzydła samolotu odgrywają bardzo ważną rolę w powstawaniu siły nośnej. Wiemy też, że do budowy skrzydła samolotu dobiera się różne profile lotnicze w zależności od projektowanej funkcjonalności samolotu. Niemniej jednak, aby zoptymalizować osiągi samolotu ważne jest, aby móc zmieniać kształt profilu skrzydła w zależności od fazy lotu. W tym celu stosuje się różne urządzenia i rozwiązania techniczne na skrzydle, zwiększające siłę nośna lub siłę oporu.

Do najbardziej użytecznych urządzeń wpływających na wielkość siły nośnej i oporu montowanych na skrzydłach samolotu należą: lotki, klapy przednie i skrzela (sloty), klapy tylne, spojler, hamulce aerodynamiczne.

Rys. 1 Elementy konstrukcyjne skrzydła samolotu.

Źródło:https://zpe.gov.pl/

Wszystkie te mechaniczne elementy tworzą mechanizację skrzydła a ich konstrukcja jest zwykle oparta o powierzchnie zamontowane przegubowo do konstrukcji skrzydła i wprawiane w ruch siłownikami. Ruch tych powierzchni zmienia kształt i co zatem idzie aerodynamikę skrzydła. Ponieważ te powierzchnie są zamocowane do skrzydła samolotu zwykle przegubowo nie tworzą ze skrzydłem jednolitej powierzchni, którą opływa powietrze.

Nowatorska koncepcja zmiany kształtu skrzydła oparta jest o morfing. Morfing to płynna miana kształtu skrzydła podczas lotu która umożliwia poprawę osiągów samolotu. Morfing oznacza zmianę kształtu powierzchni szydła bez stosowania ruchomych elementów zamocowanych przegubowo.

Zmiana kształtu skrzydła samolotu poprzez morfing może być wykorzystana do sterowania lotem oraz jako zdolność do odtwarzania kształtów docelowych pod wpływem obciążeń aerodynamicznych i bezwładnościowych. Konstrukcje adaptacyjne cieszą się coraz większym zainteresowaniem w przemyśle lotniczym, ponieważ mogą przynieść szereg korzyści samolotom nowej generacji.

Rys. 2 Pełnowymiarowa zmiennokształtna sekcja skrzydła, zawierająca wiele adaptacyjnych urządzeń konstrukcyjnych: opadający nos, zmienny winglet i adaptacyjną krawędź spływu, zaprojektowane zgodnie ze specyfikacjami samolotów odrzutowych nowej generacji. Demonstrator technologii opracowany w ramach SARISTU.

Źródło:https://www.mdpi.com

Rozwój morfingowych elementów konstrukcyjnych otwiera nowe perspektywy projektowania konstrukcji lotniczych o zwiększonej złożoności konstrukcji, przy jednoczesnym znacznym zmniejszeniu ich wagi i kosztów wytwarzania. Redukcja poziomów wibracji pociąga za sobą: zwiększoną żywotność konstrukcji, mniej kontroli integralności konstrukcji, zwiększoną opłacalność projektów końcowych. Istotnymi czynnikami są większy komfort, lepsze osiągi lotu.

Według NASA (National Aeronautics and Space Administration) oczekuje się, że w ciągu najbliższych 20 lat zapotrzebowanie na wysokowydajne systemy lotnicze, które będą coraz lżejsze i bardziej kompaktowe, będzie wymagało szerszego stosowania konstrukcji morfingowych.
Możliwość automatyzacji procesu i bezodpadowej produkcji wskazuje na ogromny potencjał opłacalnych konstrukcji lotniczych. Jest to możliwe dzięki wykorzystaniu koncepcji mechanizmu polegającego na elastycznych elementach konstrukcyjnych zamiast konstrukcji przegubowych.

Podsumowanie.

W tym artykule próbowano przedstawić wyróżniające się, ważne i nowatorskie wyniki w dziedzinie wytwarzania przyrostowego (AM) i druku 3D. Metoda wytwarzania przyrostowego (AM) stanie się pierwszą i najlepszą metodą wytwarzania. Zgodnie z potrzebami przemysłu, normami i kwalifikacjami, przyszłe prace badawcze mogą pomóc w optymalizacji (wydajności i oszczędności) projektowania materiałów (najlepsze właściwości mechaniczne i zachowania materiałów) oraz doskonalenia procesu AM. Ponadto druk AM i 3D stanowią główną podstawę i kluczową bazę dla przyszłych technologii druku 4D.

Mogą to być powody i motywacje do przeprowadzenia badań w zakresie wytwarzania przyrostowego oraz druku 3D. Szczególnie interesująca jest technologia druku 3D FDM ze względu na powszechność, niskie koszty inwestycji oraz rosnącą gamę dostępnych materiałów do druku.

Niektóre wnioski przedstawiono w skrócie w następujący sposób:

• Aby w pełni zrozumieć właściwości zmęczeniowe materiałów AM, konieczne jest pełne zrozumienie charakterystyki wad wytwarzania przyrostowego.
• Wykorzystanie materiałów pochodzących z recyklingu w FDM (Fused Deposition Modeling) przyczyni się do zrównoważonego rozwoju i zmniejszenia wpływu na środowisko. Wśród technologii AM, FDM jest tanią technologią, która wykorzystuje granulat lub włókno termoplastyczne do budowy warstw części.
• Istnieje duże prawdopodobieństwo, że w wyniku wytwarzania przyrostowego w kompozytach powstaną defekty, zmniejszające ich wytrzymałość. Kompozyty włókniste można opracowywać przy użyciu techniki FDM, co może skrócić czas i koszt przetwarzania kompozytu.
• Konstrukcje lotnicze można przekształcać za pomocą nowych kompozytów oraz druku 3D.
• Oprócz szybkiego wytwarzania skomplikowanych kształtów, technologię AM można wdrożyć w zastosowaniach medycznych, zapewnić większą precyzję i szybkość, zapewnić wizualizację i dostosowywanie produktu, dostosowane narzędzia oraz ulepszyć modelowanie, a także zapewnić szeroką pomoc w podejmowaniu decyzji. AM wprowadza nowy rynek, aby pomóc ludzkości w prawdziwym świecie.
• AM w przemyśle motoryzacyjnym jest bardzo przydatny w odpowiednim odtwarzaniu i regeneracji trudno dostępnych części. W rezultacie inżynieria lotnicza i samochodowa, nauki medyczne, elektronika i branże pokrewne będą wkrótce najbardziej obiecującymi możliwościami biznesowymi dla aplikowania wytwarzania przyrostowego.
• Optymalizacja procesu to skuteczna metoda zmniejszania naprężeń szczątkowych i poprawy wiązania pomiędzy warstwami w różnych konstrukcjach.
• Emisje i zapotrzebowanie na energię brutto w przypadku AM są mniejsze niż w przypadku obróbki.
• Przemysł lotniczy wykorzystuje AM ze względu na możliwość wykonania lżejszych konstrukcji w celu zmniejszenia masy, co jest ogólnym celem projektantów samolotów i statków kosmicznych.
• Najszerzej stosowaną stalą w technologii AM jest stal nierdzewna ze względu na jej wysoką wytrzymałość i odpowiednią ciągliwość.
• Ze względu na wysoką zdolność drukowania stali nierdzewnej PH, stal nierdzewna 17–4 PH jest wykorzystywana głównie w AM (produkcja przyrostowa).
• Społeczeństwa przemysłowe mają duże zapotrzebowanie na materiały do druku 4D w przemyśle lotniczym, zaawansowanych urządzeniach przemysłowych, przemyśle wojskowym, obronnym i ogólnie w służbie zdrowia. Druk 4D to stosowany wynik drukowania 3D inteligentnych struktur i materiałów, które reagują na różne stymulatory, tworząc nowe, praktyczne produkty. Metoda i technika druku 4D została wykorzystana w wielu kontekstach, w sekcjach inżynierii komputerowej i większości innych dziedzin inżynierii, takich jak inżynieria mechaniczna i materiałowa, urządzenia medyczne i efektywne przetwarzanie żywności. Ostatnio szeroko komentowano badania poświęcone tematyce drukowania żywności. Na przykład zastosowania druku 4D do żywności skupiają się i mają na celu uzyskanie korzystnych różnych kolorów, kształtów, smaków i właściwości odżywczych materiałów drukowanych w 3D. W najbliższej przyszłości techniki druku 3D wraz z ich innowacjami staną się ważnym działem stosowanych dziedzin przemysłu, obejmującym wytwarzanie wysokiej jakości produktów spożywczych, których nie da się wytworzyć obecnymi metodami przetwarzania

Na koniec kilka słów o zdjęciach do tego artykułu.

Dlaczego samolot Lockheed SR-71 Blackbird ma nawiązywać do druku 3D, technologii 21 wieku, skoro został zaprojektowany w latach 60 poprzedniego wieku?

Za wiele innowacyjnych koncepcji samolotu Lockheed SR-71 Blackbird odpowiadał amerykański inżynier lotniczy Clarence „Kelly” Johnson, szef oddziału Skunk Works w Lockheed Martin Corporation w Burbank w Kalifornii. Określenie „skunkworks” jest używane w biznesie, inżynierii i technice do opisania grupy w organizacji, która ma wysoki stopień autonomii i nie jest skrępowana biurokracją, a której zadaniem jest praca nad zaawansowanymi lub tajnymi projektami. Firma Skunk Works została wpisana do Międzynarodowej Galerii Sław Lotnictwa i Przestrzeni Kosmicznej w Muzeum Lotnictwa i Przestrzeni Kosmicznej w San Diego.

Produkcja samolotów SR 71 Blackbird w Skunk Works. Domena publiczna.

Może dlatego, że ten niezwykły samolot jest ikoną lotnictwa. Nie ulega wątpliwości, że wyprzedził swoją epokę. Zastosowane rozwiązania techniczne oraz możliwości samolotu do dzisiaj budzą szacunek. Żaden samolot zwiadowczy w historii nie operował na całym świecie w bardziej nieprzyjaznej przestrzeni powietrznej i tak całkowicie bezkarnie, jak SR-71, najszybszy na świecie samolot o napędzie odrzutowym. Wydajność i osiągnięcia operacyjne zbudowanego z Tytanu Blackbirda umieściły go na szczycie rozwoju technologii lotniczej.

W ciągu swojej prawie 24-letniej kariery SR-71 pozostał najszybszym i najwyżej latającym samolotem operacyjnym na świecie. Z wysokości 80 000 stóp mógł badać 100 000 mil kwadratowych powierzchni Ziemi na godzinę. 28 lipca 1976 roku SR-71 ustanowił dwa rekordy świata w swojej klasie – absolutny rekord prędkości wynoszący 2193,167 mil na godzinę i bezwzględny rekord wysokości wynoszący 85068,997 stóp.

W ciągu 24 lat czynnej służby w Siłach Powietrznych Stanów Zjednoczonych ten Blackbird, który jest na zdjęciach z czarnym tłem wylatał około 2800 godzin. Podczas swojego ostatniego lotu, 6 marca 1990 r., podpułkownik Ed Yeilding i podpułkownik Joseph Vida ustanowili rekord prędkości, lecąc z Los Angeles do Waszyngtonu w 1 godzinę, 4 minuty i 20 sekund, średnio 3418 kilometrów na godzinę. Po zakończeniu lotu wylądowali na międzynarodowym lotnisku Washington-Dulles i przekazali samolot do National Air and Space Museum w największym na świecie kompleksie muzealnym, edukacyjnym i badawczym Smithsonian Institution.

Może historia powstania tej niezwykłej maszyny, która na zdjęciach wygląda jakby doskonale pasowała do 21 wieku wyzwoli w czytelnikach interesujących się drukiem 3D pomysły i koncepcje, które tak jak to dzieło wyprzedzą swoją epokę i będą trwać długo.