Vy kreslíte, oni vyrábějí

18. 5. 2005

Na bojišti i v laboratořích se z 3D tiskáren se stávají minitovárny

Designéři pořád ještě nejsou schopni zabránit různým elementárním technickým poruchám, které po tisíciletí trápí armády. Chybějící šroub může zastavit konvoj. Ohnutý stojan kulometu může způsobit to, že vojáci budou zranitelní nebo že bojové vozidlo nebude možné použít.
Vojenští technici však vyvinuli špičkovou technickou metodu, jak tyto poruchy odstraňovat za chodu. Americká armáda použila v Iráku a Kuvajtu továrnu, která se vejde do kontejneru dopravovaného letecky. Jmenuje se mobilní opravna dílů (Mobile Parts Hospital – MPH) a technici v ní používají pracovní stanice a automatizované obráběcí stroje k výrobě součástek za chodu. V další fázi lasery „vytisknou“ práškový kov po vrstvách, čímž vytvoří plně funkční náhrady. Doslova na čas: tento způsob může ušetřit měsíce čekání na dodávku náhradních dílů. Navíc stejně jako v případě zařízení M*A*S*H, podle nichž byly vytvořeny, mobilní opravny zachránily životy, jak píše v jednom e-mailu Bruce Neighbor, poručík 1486. transportní roty v Iráku.
Nasazení MPH je pro armádu historickou událostí a může znamenat začátek nového typu výroby. Z trojrozměrných tiskáren, které byly nástroji designu, se stávají minitovárny pro každodenní využití, schopné přeměnit digitální design v plastovou, keramickou nebo kovovou realitu. Jak se tyto systémy stávají levnějšími, všestrannějšími a menšími, „rychlá výroba“ patrně přemění dodavatelské řetězce, protože sníží potřebu velkých zásob dílů, a tím pádem skladovacích prostorů stejně jako nákladních aut na dopravu součástek. Mohla by také pomoci zahájit éru přizpůsobování výrobků specifickým požadavkům zákazníka. „Naléhavá poptávka po věcech, které nejsou k dostání v hypermarketu, vychází od lidí vymýšlejících bizarní osobní vynálezy,“ uvádí Neil Gershenfeld, autor knihy FAB: The Coming Revolution on Your Desktop – From Personal Computers to Personal Fabrication (FAB: Blížící se revoluce na vašem stole – od osobních počítačů k osobní výrobě) a ředitel Centra pro bity a atomy v Massachusettském technologickém institutu (MIT).

Klub kamarádů.

Vybuzený růst je příznakem toho, že odvětví trojrozměrného tištění se mění. Ačkoli kamarádský klub firem, který pečuje o tyto technologie od osmdesátých let 20. století, kdy byly přihlášeny první patenty, je ještě malý, rychle roste. Předpovídá se, že 3D tiskárny, potřeby a služby letos vyskočí o 31 procent a přiblíží se miliardě dolarů. To je třeba připočítat k třiatřicetiprocentnímu růstu celého odvětví v roce 2004 na 705 milionů dolarů.
Prodejům v odvětví dominuje trio amerických společností. Na špičce jsou 3D Systems, Stratasys, a Z Corp., za nimi následuje německá firma EOS a pak několik desítek menších specializovaných nových firem z Evropy a Japonska. Z velkých nadnárodních společností vyvíjejí na trhu činnosti, které stojí za povšimnutí, jen Sony a DuPont.
Poptávka zatím vychází většinou od společností, jež vytvářejí jednorázové 3D modely. Takzvané „rychlé prototypování“ může urychlit práci designérů a snížit náklady tím, že omezí chyby ve finálních projektech. Ovšem přechod na rozvinutou rychlou výrobu nastává přirozeně. „Výrobci si uvědomují, že jejich konstrukční prototypy jsou stejně trvanlivé jako tradičně vyrobené součástky,“ konstatuje Scott Crump, generální ředitel společnosti Stratasys se sídlem v minnesotském městě Eden Prairie. Během čtyř let opravdu procento společností s 3D tiskárnami, které hlásí, že se v té či oné míře zabývají rychlou výrobou, vyrostlo prakticky z nuly zhruba na osm procent. Terry Wohlers, zakladatel firmy Wohlers Associates, zabývající se poradenstvím v oblasti výzkumu trhu a sídlící v coloradském Fort Collinsu, uvádí, že „přechod od jedné tiskárny vytvářející prototypy ke mnoha zařízením produkujícím desítky nebo stovky předmětů je skutečně rychlá výroba“. Jak dodává, rychlá výroba se stane nejvýznamnější aplikací celého odvětví.
Armádní MPH je předobrazem toho, co přijde. Přes nedávná obrovská vylepšení se americké ozbrojené síly pořád ještě potýkají s problémy, jak udržet válečné stroje v chodu. Vzhledem k tomu, že poblíž frontových linií nejsou žádné kamiony FedExu pro expresní přepravu, všechno, co není na skladě, se musí posílat přes pomalé vojenské zásobovací kanály. I dodání obyčejné závlačky, pokud není na skladě, může trvat celé týdny.
Místo posílání náhradních součástek je teď mobilní opravna dílů (MPH) schopna vyrobit něco z toho, co se porouchá. MPH se vejde do dvou šestimetrových kontejnerů, které jsou dostatečně úzké na to, aby se vtěsnaly do standardního vojenského transportního letounu C-130 nebo na korbu kamionu. Když se objeví rozbitý díl, technici stáhnou přes internet specifikace o náhradě z knihovny technických dat uložených v systému Windchill pro řízení výrobních dat společnosti PTC na automobilovém a vyzbrojovacím velitelství americké armády (Tank-automotive & Armaments Command – TACOM) v michiganském Warrenu. Když data nejsou k dispozici, jak se často stává u starších kusů, pracovníci používají laserové skenery k pečlivému změření porouchané součástky, míry vloží do počítačové pracovní stanice a opraví digitální verzi.
Jakmile jsou hotovy 3D nákresy, pracovní stanice je okamžitě pošle do výrobního modulu MPH. Automatizované frézy a soustruhy tam během pár hodin vyřežou z výchozích kovových tyčí použitelné tvary – cokoli od opěrek střelných zbraní ve tvaru písmene U až po válcovité tažné vidlice přívěsu.
Další vylepšení MPH, které se plánuje do roka nebo dvou let, je ohromující. Technici automobilového, výzkumného a technického střediska americké armády (Tank-automotive Research, Development & Engineering Center – TARDEC) v michiganském Warrenu vylepšují patentovaný postup přesného laserového tváření zvaný Laser-Engineered Net Shaping. Ve skříni velikosti ledničky nanáší počítačem řízená tryska jemnou vrstvu práškové oceli, přičemž kopíruje řadu řezů vznikajícího dílu. Trysku stopuje laser, který taví kovové částice, vrstvu po vrstvě. Nový díl vzniká tempem asi devět krychlových centimetrů materiálu za minutu.
Vyrábět součástky po jedné je drahé, ale americká armáda se domnívá, že zisky v logistice a provozuschopnosti to víc než vynahrazují. Podle Todda Richmana, manažera odpovědného za program MPH ve středisku TARDEC, zařízení už nemusí být bezpočet měsíců v nečinnosti. Po více než čtyřech letech vývoje MPH, do něhož bylo investováno přes šestnáct milionů dolarů, soupravy v Kuvajtu a Iráku vyrobily téměř třináct tisíc dílů. Třetí minitovárna má být v červnu dodána do Afghánistánu. Richman odhaduje, že jedna opravna dílů, která je celá přepravovaná v kontejneru, stojí milion dolarů.
Soukromým společnostem mohou rychlí výrobci nabídnout velké úspory předem. Produkce složitých dílů vyžaduje drahé matrice – formy, do nichž se lije nebo tiskne kov či plast. Ty stojí tolik, že je výroba malých sérií nového produktu obvykle nemyslitelná. Avšak s využitím postupu rychlé výroby britský autovýrobce MG Rover ušetřil loni šest týdnů a přes 80 tisíc dolarů tím, že „vytiskl“ 1800 plastových svorek.
Další vhodnou oblastí jsou práce, které se běžně přizpůsobují konkrétním přáním zákazníků. Společnost Diebold z ohijského Cantonu využívá systém firmy Stratasys při výrobě zakázkových plastových čel bankomatu, který prodává bankám. Kryty bankomatu musí vydržet zimní noc v Minnesotě i horký letní den ve Phoenixu. Vhodné, vysoce odolné plasty byly nedávno přidány na seznam materiálů, s nimiž stroje firmy Stratasys dovedou pracovat.
Nové materiály pomáhají rychlé výrobě v tom, že nacházejí využití i v medicíně. Firma Medical Modeling z coloradského Goldenu pracuje s daty z počítačové tomografie k vytváření 3D modelů, které chirurgům pomáhají plánovat složité výkony. Therics z newjerseyského Princetonu, stoprocentní dceřiná společnost firmy Tredegar, vyrábí specializovanou 3D tiskárnu, jež vrstvu po vrstvě vytváří keramickou kostní náhradu, kterou kost dobře snáší. Při tomto postupu vznikají velice jemné kanálky, které pomáhají vtáhnout do materiálu krev a nové kostní buňky, jak tvrdí Thomas J. Bradbury, ředitel Thericsu pro technický rozvoj. Během šesti až dvanácti měsíců vlastní kost vyroste a nahradí syntetickou keramiku. Federální úřad pro potraviny a léky (FDA) loni kostní výplň společnosti Therics schválil. V současnosti firma zkoumá způsoby, jak vyrábět implantáty na přání zákazníků.
Možná 3D tiskárny nikdy nesplní sci-fi představu stolní skříňky vyrábějící všechno, co si člověk bude přát. Ovšem vzhledem k tomu, že jsou stále více využívány výrobními podniky, je snadné si představit, že z takového zařízení v nejbližší autoopravně budou vypadávat náhradní brzdové destičky pro vaši hondu. Nebo že vám u zubaře udělají nový můstek na počkání. Nebo že si v nejbližší tiskárně FedEx Kinko's děti budou tisknout držáky iPodů podle svých představ. Ať se to bude odehrávat jakkoli, výroba už nikdy nebude vypadat jako dřív. Výroba za chodu 3D tiskárny se stávají čím dál všestrannějšími
PLASTY Průhledné a velmi pevné plasty v mnoha barevných odstínech se používají v lékařských modelech a hotových výrobcích.
KERAMIKA Keramický prach může být tvarován do složitých forem, které se osvědčují jako zubní a kostní implantáty.
KOV Ocelové a hliníkové díly se taví z kovového prachu laserem. Svatým grálem je lehký titan.