Poznejte možnosti 3D tisku s použitím polymerních materiálů

Plastové ložisko. Obrázek byl publikován se svolením společnosti SMB Bearings Plastové ložisko. Obrázek byl publikován se svolením společnosti SMB Bearings

Technologie 3D tisku ložisek má před sebou velmi slibný vývoj.

Autor sci-fi literatury Arthur C. Clarke je považován za prvního člověka, který popsal základní funkce 3D tiskárny, což bylo v roce 1964. První funkční 3D tiskárnu však zkonstruoval až Chuck Hull v roce 1987 v rámci svého působení ve společnosti 3D Systems.

Technologie 3D tisku se za poslední roky významně posunula kupředu, přičemž velká část výzkumného úsilí byla vynaložena v oblasti nauky o materiálech. Spolu s průkopníky v daném oboru vstupuje stále více chemických společností do odvětví 3D tisku, což urychluje možnosti tohoto výrobního procesu. Tyto kroky umožnily vývoj řady vysoce výkonných polymerů s požadovanými mechanickými vlastnostmi, jež se hodně podobají těm, které známe u kovových materiálů.

Očekává se, že trh s technologií 3D tisku dosáhne do roku 2025 hodnoty 63,46 miliardy USD, přičemž v letech 2020 až 2025 poroste složenou roční měrou růstu (CAGR) o 29,48 %. Aditivní výroba (AV) disponuje širokou škálou průmyslových aplikací a hraje klíčovou roli v automobilovém, elektronickém, leteckém, kosmickém, obranném a zdravotnickém odvětví.

S využitím 3D průmyslových tiskáren se nejčastěji setkáme v rámci tvorby prototypů a nástrojů v různé fázi jejich konstrukčního návrhu. Avšak situace kolem AV se mění a technologie 3D tisku se nesoustředí pouze na výrobu prototypů, leč pomalu, ale jistě se přesouvají do hlavního proudu výroby. V minulosti se kvůli vysokým pořizovacím nákladům dostávali menší výrobci mimo hru, jenže v současné době je k dispozici řada cenově dostupných 3D tiskáren. Rostoucí odbornost, nové materiály, rychlejší procesy výroby, schopnost vyrábět větší předměty a inovativní způsoby povrchové úpravy činí z tohoto pokročilého výrobního procesu atraktivní nabídku pro mnoho výrobců. Pojďme se v rámci tohoto článku zaměřit na možnosti vývoje a výroby ložisek prostřednictvím 3D tisku s použitím polymerních materiálů.

Flexibilita konstrukčních možností

Každý proces AV ovlivňuje mikrostrukturu materiálu, včetně velikosti, tvaru a orientace zrn nebo krystalů. Tyto skutečnosti nás staví před různé výzvy a na druhou stranu skýtají netušené příležitosti. Například pomocí metody zvané stereolitografie (SLA) jsme schopni získat hladký povrch, avšak součásti pak mají tendenci být méně odolné než součásti vyráběné jinými aditivními technologiemi.

Jelikož je proces 3D tisku široce přístupný a nevyžaduje pořizování drahých nástrojů a příslušenství, mají výrobci ložisek možnost experimentovat s designem ložisek a přizpůsobit si jednotlivé prvky; tím přispívají ke zvyšování jejich účinnosti. Jedná se o natolik flexibilní možnosti, které by u konvenčních metod výroby ložisek nebyly vůbec ekonomicky životaschopné. Odstraněním ekonomické bariéry jsou proto výrobci schopni poskytovat nákladově efektivní maloobjemovou výrobní službu, a to dokonce i u objednávek začínajících na deseti kusech daného ložiska.

Kromě toho mají výrobci ložisek k dispozici stále rozmanitější škálu materiálů. Například vlastnosti materiálů získaných pomocí 3D tisku s vyztuženými polymery se shodují nebo jsou dokonce lepší než u konvenčních materiálů, což otevírá zcela nové možnosti konstrukčních řešení. Společnost Bowman International, výrobce ložisek se sídlem ve Velké Británii, aplikovala technologii Multi Jet Fusion (MJF) k výrobě válečkové klece s použitím nylonu PA11. Díky použití speciální struktury materiálu je uvolněn prostor pro další dva až čtyři válečky, což umožňuje 70% zvýšení nosnosti ložiska, včetně vyšší úrovně pružnosti, odolnosti a funkčnosti.

Hromadná výroba ložisek metodou 3D tisku ještě není úplně běžná, avšak technologie 3D tisku s použitím polymerových materiálů má velký vliv na zrychlení výroby prototypů. Například v rámci různých projektů v odvětví letectví či kosmonautiky může být 3D tisk použit k promptní výrobě vizuálně atraktivních prototypů. Tím je zajištěno, že i nejmenší mechanické prvky, jako jsou ložiska, mohou fungovat v souladu s celým systémem.

PLE2010 MAG SMB Bearings Tradional plastic bearingsTradiční ložiska vyrobená z plastu. Obrázek byl publikován se svolením společnosti SMB Bearings

Výhody odlehčeného designu

V různých průmyslových odvětvích, např. v leteckém či v automobilovém průmyslu nebo v medicínském prostředí, můžeme díky odlehčené konstrukci určitého výrobku dosáhnout vyšší úrovně bezpečnosti jeho fungování a zároveň podstatných úspor výrobních nákladů. Tam, kde si můžeme dovolit nižší zatížení a rychlosti otáček, je možné výhodně použít plastová ložiska, jelikož pro aplikace tohoto typu nabízejí vynikající výkonové charakteristiky a jsou až pětkrát lehčí než jejich protějšky z oceli.

Mnoho průmyslových odvětví se možná historicky rozhodlo spoléhat na inovační řešení konstrukcí ložisek z odlehčených kovů, jako je např. jehlové válečkové ložisko s kuželovou axiální klecí od společnosti Schaeffler XZU. Dalším příkladem jsou ložiska z hliníkových slitin vyrobená metodou 3D tisku, jež byla navržena německou společností Franke GmbH. U tohoto konkrétního typu ložiska byla vyžadována maximální hmotnost 800 g, protože ložisko je určeno pro použití v konstrukci záchranných vrtulníků.

Můžeme jít dál a pokusit se úplně odklonit od použití kovových materiálů a pomocí metody 3D tisku s aplikací polymerních materiálů navrhovat součásti v maximálně odlehčených verzích. V rámci tohoto designu jsou používány voštinové struktury; těch by bylo obtížné a časově náročné dosáhnout prostřednictvím tradičních obráběcích procesů. Kromě toho vysoce výkonné termoplasty používané v oblasti 3D tisku, jako jsou uhlíková vlákna a polyetheretherketon (PEEK), nabízejí přiměřenou alternativu ke kovovým materiálům.

Zvolíme-li pro výrobu válečkové klece technologii 3D tisku s použitím nylonu (PA66) nebo jiného polymerového materiálu, snížíme tak významným způsobem hmotnost celého ložiska. Nylon vyztužený uhlíkovými vlákny představuje jednu z nejoblíbenějších kombinací materiálů v rámci 3D tisku. Nabízí velké množství stejných výhod jako standardní nylon, včetně vysoké pevnosti a tuhosti, a navíc s možností výrazně odlehčené konstrukce dané součásti.

Snížení koeficientu tření

Ložisková klec vyrobená technologií 3D tisku s použitím polymerových materiálů rovněž přispívá ke snížení opotřebení valivých prvků ve srovnání s běžnou ocelovou klecí. Studie proveditelnosti z roku 2018 hodnotila třecí vlastnosti kuličkového ložiska s hlubokou drážkou (6004), které bylo vytištěno pomocí technologie 3D tisku. Pro výrobu ložiska byl aplikován proces Multi Jet Printing (MJP) s použitím materiálu, jehož hlavní strukturu tvoří plast, k němuž se přidává tavící se voskový materiál, což zlepšuje celkové vlastnosti produktu. Výsledek prokázal vyhovující životnost kuličkového ložiska (vyrobeného pomocí uvedené technologie) při nízké zátěži a rychlostech otáčení.

Nedávno společnost Igus vyvinula patentované iglidové tribovlákno, které je až 50krát odolnější proti opotřebení než běžné materiály používané v oblasti 3D tisku a je jako první na světě vylepšeno o tribologické vlastnosti. Tento typ nového vlákna integruje mazivo do samotného plastu, díky čemuž je odolnější v rámci aplikací, kde se součásti vzájemně pohybují či rotují. Tyto vlastnosti jsou zvláště výhodné u ložisek. Pokud není velikost tření účinně kontrolována, ložiska s vysokým točivým momentem zvyšují výkon potřebný k překonání odporu a k následnému pohonu zařízení. Tato skutečnost nakonec vede k vyšším nákladům na přemístění zátěže a k většímu energetickému výdeji potřebnému k provozu zařízení.

Kontrola kvality

Stejně jako u tradičně vyráběných součástí musejí i plastová ložiska vyrobená s použitím technologie 3D tisku podléhat stejně přísným testovacím postupům, aby bylo zajištěno, že jsou vhodná pro daný účel. To je obzvlášť důležité pro součásti, které mají zásadní význam pro bezpečnost, jako jsou ložiska.

Rozhodující je, že v rámci experimentování s inovativními novými designy a vylepšenými vlastnostmi materiálů je nezbytné pečlivě zvážit prostředí konečné aplikace, což znovu potvrzuje význam specialistů na ložiska v průmyslu.

Přijetí standardů ke zmírnění a řízení rizik a také k dosažení konzistentnější kvality je důležitým krokem pro budoucnost 3D tisku s použitím polymerních materiálů. Nové materiály, které splňují standardy stanovené organizacemi, jako jsou Americký úřad pro kontrolu potravin a léčiv (FDA), Mezinárodní organizace pro normalizaci (ISO) a Americká společnost pro testování a materiály (ASTM), představují důležitý krok pro širší využití technologie 3D tisku.

I když ložiska vyrobená technologií 3D tisku nejsou zcela běžným jevem, je zřejmé, že se jejich používání v budoucnu významně rozšíří a doplní tradiční výrobní techniky ložisek, což umožní rychlou výrobu prototypů s vyššími charakteristikami výkonu.

Chris Johnson je jednatel ve společnosti SMB Bearings. Problematice výroby ložisek a jejich mazání se věnuje více než deset let.

 

Řízení a údržba průmyslového podniku

Časopis Řízení a údržba průmyslového podniku již přes 10 let patří mezi neodmyslitelný zdroj informací v oblasti průmyslové údržby a diagnostiky. Část obsahu je z pera licenčních autorů Plant Engineering z USA.

www.udrzbapodniku.cz