• Strona główna
  • Blog
  • PRODUKCJA ADDYTYWNA W TECHNOLOGII SLS w obliczu kryzysu epidemiologicznego COVID-19
  • Poprzedni: BIBUS MENOS podczas pandemii SARS-CoV-2
  • Następny: Webinarium "Masowa indywidualizacja wyrobów..." - edycja druga
Data dodania: 29 kwietnia 2020

PRODUKCJA ADDYTYWNA W TECHNOLOGII SLS w obliczu kryzysu epidemiologicznego COVID-19

W jaki sposób drukowanie 3D może wpłynąć na przerwane łańcuchy dostaw w czasie kryzysu spowodowanego przez epidemię COVID-19?

Światowa pandemia potęguje problemy transportowe, zwłaszcza w sektorach takich jak produkcja i logistyka. Rozprzestrzenianie się koronawirusa spowodowało zakłócenia w wielu zakładach, zerwało łańcuchy dostaw i uniemożliwiło produkcję w wielu fabrykach. Czas globalnego kryzysu zmusza większość przedsiębiorstw do weryfikacji swoich obecnych procesów i rozważenia możliwości wdrożenia nowych narzędzi i technologii. Jedną z nich może być druk 3D. Zapraszamy do zapoznania się z poniższym raportem, przygotowanym przez naszego partnera – firmę Technology Applied.

ŁAŃCUCHY DOSTAW

Rosnąca liczba nowych przypadków w praktycznie wszystkich krajach szybko przeciąża możliwości systemu opieki zdrowia. Szpitale zgłaszają problemy dotyczące braków podstawowego sprzętu ochrony osobistej jak rękawiczki, maski, przyłbice, czy kombinezony. Jednym ze źródeł takiego stanu rzeczy jest oparcie dostaw sprzętu na chińskich producentach, głównie z prowincji Hubei, najbardziej dotkniętej epidemią. Pandemia COVID-19 obnażyła wiele słabości współczesnych łańcuchów dostaw, m. in.:

Koncentracja – Rosnąca koncentracja produkcji nie tylko w jednym kraju, ale w jednym regionie, w obliczu jego zamknięcia odcięła świat od dostaw niezbędnych dóbr.
Sztywność – Tradycyjne metody produkcyjne nie mogą dynamicznie zmieniać produktu, który wytwarzają. Etap przygotowań trwa nawet kilka miesięcy. Produkcja addytywna pozwala na produkcję różnych elementów w jednym procesie.
Koszt – Uruchomienie produkcji tradycyjnymi metodami wymaga wysokich kosztów początkowych w postaci stworzenia narzędzi. Druk 3D tych kosztów nie wymaga wcale.

foto: Technology Applied

PRODUKCJA ADDYTYWNA W PLANOWANIU

foto: Technology Applied

Produkcja addytywna okazała się odpowiedzią na te słabości łańcuchów dostaw w sposób bardzo zdecydowany i namacalny. Wierzymy, że produkcja addytywna powinna stać się stałym elementem współczesnych łańcuchów dostaw oraz powinna być włączona do planów kryzysowych państwowej administracji, żeby wspomagać, uzupełniać, a w wielu przypadkach, zastępować tradycyjne metody produkcji, szczególnie w tak krytycznym obszarze jak ochrona zdrowia, gdyż jest:
Rozproszona – Wyłączenie jednego podmiotu przez awarię lub katastrofę nie zatrzyma produkcji.
Elastyczna – Brak kosztów początkowych związanych z niezbędnym oprzyrządowaniem do wykonania wyrobu oraz dowolność w modyfikowaniu kształtu detalu.
Lokalna – Bliskość produkcji sprawia, ze dostawa jest szybsza i tańsza.
Szybka – Brak konieczności przygotowania narzędzi pod konkretny detal sprawia, że do produkcji można przystąpić natychmiast.

W dalszej części tekstu prezentujemy przykłady zastosowań szeroko opisywane w mediach

TECHNOLOGIA SLS

foto: Technology Applied

Technologia SLS (Selective Laser Sintering) pozwala na druk 3D nawet kilkuset części, modeli bądź też gotowych produktów jednocześnie. Brak konieczności stosowania podpór sprawia, że wydrukowane modele nie wymagają późniejszej obróbki i mogą służyć jako produkt końcowy już po procesie druku 3D. Dzięki tej zalecie projektanci oraz inżynierowie mogą projektować modele o skomplikowanych geometriach bez potrzeby szczególnego dostosowywania modelu do procesu druku 3D.

Do zalet wykorzystania tej technologii możemy zaliczyć:

  •  tworzenie skomplikowanych geometrii obiektów (np. z wewnętrznymi kanałami chłodzenia, strukturami ażurowymi),
  • możliwość produkcji krótko, średnioseryjnej w jednym cyklu produkcyjnym (nawet kilkaset sztuk na raz),
  • szybkość (od momentu złożenia zamówienia pracuje się nad wyrobem, który ma być wykonany – nie jest potrzebne tworzenie oprzyrządowania/formy do produkcji aby rozpocząć proces wytwarzania),
  • ekologiczność – możliwość ponownego wykorzystania proszku w kolejnym procesie technologicznym.

TECHNOLOGIA SLS – porównanie

Kolejnym bardzo istotnym elementem, odróżniającym przemysłowe technologie druku 3D takie jak SLS, DMLS czy SLA od technologii hobbystycznych FDM (mowa o niskobudżetowych drukarkach do zastosowań domowych, a nie o przemysłowych wersjach opisywanego sprzętu) jest szczelność wykonywanych detali. Jest ona szalenie istotna w przypadku produkcji detali takich jak rozdzielacze do respiratorów, półmaski ochronne, adaptery do masek wszelkiego rodzaju. Technologia FDM ze względu na naturę wykonywania detali tj. nakładania plastycznego tworzywa na wykonywany detal o już niższej temperaturze, powoduje gorsze wiązanie warstw detalu.
fdm vs sls

foto: www.pinshape.com

W kwestii mechanicznej owocuje to spadkiem o około 30% wytrzymałości detalu w osi budowy (oś. Z) w stosunku do pozostałych osi (X i Y) i to w przypadku sprzętu przemysłowego tego typu. Nieznane są wartości w różnorodnym sprzęcie hobbystycznym. Należy jednak zakładać, że niewystandaryzowany proces może powodować większe niż 30% osłabienie detalu. W przypadku części mechanicznych wiedza ta była powszechna i należało ją brać pod uwagę w trakcie projektowania detalu. W większości przypadków natomiast nie była brana pod uwagę przepuszczalność aerozoli przez detale co w wypadku stanu epidemiologicznego ma ogromne znaczenie.

TECHNOLOGIA SLS – kluczowe parametry

foto: Technology Applied

Wykonywanie rozgałęziaczy, adapterów i masek w technologii FDM daje złudne poczucie ochrony przed wirusem. W pewnych wypadkach może to być gorsze niż świadomość braku takiej ochrony. Technologia SLS natomiast ze względu na proces polegający na selektywnym wtapianiu laserem warstwy w warstwę poliamidu oraz przetapianiem materiału na skraju jego temperatury mięknienia powoduje wytworzenie detalu o znacznie lepszych parametrach mechanicznych ale też o znacznie lepszych parametrach przepuszczalności i higroskopijności. W standaryzowanych warunkach testy przepuszczalności płynów na technologii SLS przy zastosowaniu materiału PA2200 wykazały, że zachowując ściankę grubości 2mm oraz stosując ekspozycje lasera polegającą na pogrubieniu konturów wytwarzanego detalu. Detal taki nie przepuszcza cieczy pod ciśnieniem 6 barów. Jest to ciśnienie znacznie przekraczające ciśnienie wydychanego przez człowieka powietrza. Pozwala to sądzić, że detale wykonane w tej technologii zachowują szczelność na aerozole i stanowią ochronę zarówno przy ciśnieniu wydychanego powietrza jak i przy sile wdychanego powietrza. W przeciwieństwie do technologii FDM, która po prostu takiej szczelności zagwarantować nie może. Stąd wniosek, że detale o kluczowym znaczeniu takie jak maski, adaptery czy rozgałęziacze powinny być wykonywane w technologii SLS.

ZASTOSOWANIE – medycyna

Medycyna jest jednym z obszarów, w której swoje zastosowanie znalazła technologia SLS, gdzie jest wykorzystywana do produkcji protez, ortez oraz przedoperacyjnych modeli anatomicznych. Epidemia Covid-19 skróciła wiele łańcuchów dostaw, a w szpitalach zabrakło odpowiedniego sprzętu, aby przeciwstawić się pandemii. Technologie SLS wykorzystano do produkcji elementów zaworów, rozdzielaczy i adapterów do respiratorów oraz do masowej produkcji przyłbic, masek oraz uchwytów na klamki aby ograniczyć kontakt z elementami przez wiele osób. Maszyny pracujące w technologii SLS firmy EOS przetwarzające poliamid PA12 nadają się do wykonywania elementów dla branży medycznej.

“Materiał poliamid PA12 posiada certyfikat biozgodności oraz kontaktu z żywnością (dopuszczenie do kontaktu z żywnością zgodnie z dyrektywą europejską 2002/72/EC (z wyjątkiem wyrobów alkoholowych) oraz jest biokompatybilny (zgodnie z EN ISO 10993-1 i USP/level VI/121 °C). Ten materiał jest przystosowany do sterylizacji w autoklawie parowym, co jest niezwykle istotne w kontekście zachowania wymagań stawianych w medycynie.” – mówi Manager Produktu EOS Michał Pęczek.

foto: Tarakum Photography www.tarakum.pl

IMPLEMENTACJE – zawory i rozdzielacze

Pierwszym powszechnie znanym przykładem zastosowania druku 3D w trakcie epidemii było stworzenie zaworów do respiratorów. Dotychczasowy dostawca nie mógł dostarczać ich na czas. Włoska firma odpowiedzialna za tę inicjatywę zaprojektowała oraz wydrukowała 100 sztuk zaworów w ciągu 24 godzin.

Organizacja pozarządowa Prisma Health otrzymała zgodę na użycie stworzonego przez nich rozdzielacza pozwalającego użyć jednego respiratora dla aż czterech pacjentów. Zamówienia na podobne adaptery zaczęły również składać Polskie szpitale.

foto: www.prismahealth.org

IMPLEMENTACJE – przyłbice, maski i gogle

Produkcja tych elementów była najczęściej opisywana w Polskich mediach. Do tej pory Polska nie zanotowała wysokiego wzrostu liczby chorych wymagających intensywnej opieki, a zatem nie było potrzeby dostarczania komponentów do respiratorów. Odmienna sytuacja ma miejsce w przypadku sprzętu ochrony osobistej. Wspomniana wcześniej zależność od dostaw z Chin sprawiła, że te podstawowe produkty ochrony osobistej bardzo szybko stały się towarami deficytowymi. W przeciągu kilku dni projekty tych produktów pojawiły się w sieci, a już gotowe produkty zaczęły trafiać do szpitali. W ramach inicjatywy „Drukujemy dla Medyków” wydrukowano 22 000 przyłbic w ciągu 14 dni.

foto: Tarakum Photography www.tarakum.pl

IMPLEMENTACJE – klamki

Klamki w miejscach publicznych/miejscach pracy/szpitalach są dotykane przez wiele osób. Istnieje obawa, że w wyniku dotykania klamki możemy na nią przenieść drobnoustroje takie jak wirus. Jest na to rozwiązanie w postaci specjalnej nakładki, która służy do otwierania drzwi osłoniętym przedramieniem. Celem stosowania takich nakładek jest zapobieganie rozprzestrzenianiu się koronawirusa (może on przeżyć kilka godzin na klamce). Nakładka składa się z dwóch elementów skręcanych ze sobą za pomocą śrub i nakrętek. W technologii SLS możliwe jest wydrukowanie kilkuset takich zestawów na raz.

foto: Technology Applied

IMPLEMENTACJE – respiratory i maski CPAP

Konsorcjum składające się z HP, Seat, Airbus i innych stworzyło projekt respiratora, który może być bardzo szybko wyprodukowany przy wykorzystaniu druku przestrzennego. Podobne konsorcjum, o nazwie „Ventilator Challenge UK” powstało w Wielkiej Brytanii. Brytyjski rząd zamówił ok. 10 000 respiratorów.

foto: źródło www.3dprintingindustry.com

Poza respiratorami powstał również projekt adaptera pozwalający na wykorzystanie masek do nurkowania firmy Decathlon jako masek CPAP. Należy podkreślić, że zaprojektowanie, przetestowanie oraz wyprodukowanie takich adapterów przy użyciu tradycyjnych metod produkcji zajęłoby znacznie więcej czasu. Wykorzystanie druku 3D w takim procesie pozwala na wdrożenie w zaledwie kilka dni oraz przez cały czas dopóki masowa produkcja nie została jeszcze uruchomiona.

foto: Tarakum Photography www.tarakum.pl

MOŻLIWOŚCI Technology Applied

foto: Technology Applied

Możliwości Technology Applied sp. z o.o. dla branży medycznej (dostosowanie procesu wytwarzania w technologii SLS wraz z materiałem poliamid PA12 do wyrobów medycznych):

Dostępne maszyny: EOS P395 o polu roboczym 340 x 340 x 600 mm EOS P396 o polu roboczym 340 x 340 x 600 mm

„Materiał Poliamid PA12 (PA2200) posiada certyfikat biozgodności oraz kontaktu z żywnością (dopuszczenie do kontaktu z żywnością zgodnie z dyrektywą europejską 2002/72/EC (z wyjątkiem wyrobów alkoholowych) oraz jest biokompatybilny (zgodnie z EN ISO 10993-1 i USP/level VI/121 °C). Ten materiał jest przystosowany do sterylizacji w autoklawie parowym, co jest niezwykle istotne w kontekście zachowania wymagań stawianych w medycynie.”

Maszyny pracujące w technologii SLS firmy EOS przetwarzające poliamid PA12 nadają się do wykonywania elementów dla branży medycznej ze względu na posiadane certyfikaty oraz parametry procesu.

DANE – przewaga kosztowa oraz czasowa

technology applied wydruk

foto: Technology Applied

Sprawne zaopatrzenie w komponenty ma znaczący wpływ na produkcję w każdej firmie. Zakłócenia w łańcuchu dostaw mogą spowodować spowolnienie produkcji wyrobów. Wiele firm nie może sobie na to pozwolić. Znalezienie nowego lokalnego dostawcy, w sytuacji kryzysowej, może być dużym wyzwaniem i tutaj mamy sporą przewagę, w sytuacji gdy trudno o jakiś komponent, ale nadaje się on pod drukowanie 3D, to możemy pójść tą drogą.

Zastosowanie technologii druku 3D może pomóc w zachowaniu ciągłości produkcji. A co więcej, może ona utrzymać płynność finansową. Dzięki technologiom przyrostowym możemy wyprodukować brakującą część lub komponent we własnej firmie w ciągu jednego dnia lub zamówić go u nas jako usługa druku 3D. Technologie addytywne coraz częściej zastępują nam krótko oraz średnioseryjne produkcje części.

Poniższy wykres przedstawia porównanie druku SLS do tradycyjnej metody produkcji, czyli formowania wtryskowego. Poniżej pewnej liczby elementów druk ma ogromną przewagę kosztową. Wynika ona przede wszystkim z braku kosztów narzędziownia.

foto: www.scuplteo.com

Powyższa zaleta jest dodatkowo wspierana przez kolejną ważną cechę druku 3D, szczególnie w kontekście szybkiego reagowania w obliczu kryzysu, mianowicie czas. Poniżej zaprezentowany jest czas realizacji w obu technologiach.

foto: www.scuplteo.com

Idąc trochę dalej technologia druku 3D umożliwia wykonanie dowolnego rodzaju elementów, które wchodzą w skład większości mechanizmów, np. obudów silników, obudów sprzętu elektronicznego, czy też zoptymalizowanych chwytaków pneumatycznych. Drukarki 3D dają możliwość przygotowania w krótkim czasie nawet najbardziej nietypowych i trudno dostępnych elementów wykonanych na zamówienie. Dzięki takiemu rozwiązaniu nie jesteśmy uzależnieni od dostawców zewnętrznych, co jest dużym atutem w czasach aktualnego kryzysu.

W przypadku, gdy dostawca naszych części zawiedzie, możemy sami produkować te same części bez utraty ich właściwości. Wbrew powszechnemu przekonaniu, możemy mieć dostęp do szerokiej gamy materiałów. Wiele komponentów używanych w maszynach i urządzeniach można zastąpić elementami drukowanymi 3D. Zastosowanie wysokowydajnych materiałów do druku 3D takich jak PEEK, PA12 czy PC pozwala na uzyskanie elementów o bardzo dobrych właściwościach mechanicznych. Co więcej, mamy też możliwość drukowania z metalu ale tutaj musimy być ostrożni jeśli chodzi o ekonomiczne aspekty takiej alternatywy.

PODSUMOWANIE

foto: Tarakum Photography www.tarakum.pl

Firma BIBUS MENOS wspólnie z Technology Applied wyrażają podziw dla wielu posiadaczy drukarek 3D, którzy tak licznie zaangażowali się w produkcję wielu z opisanych elementów. Mimo to należy być świadomym ryzyka związanych z aż tak dużym rozproszeniem takiej produkcji. Tysiące osób dysponujących drukarkami w swoich domach oraz w małych niewyspecjalizowanych przedsiębiorstwach operują na bardzo różnym, często amatorskim sprzęcie (hobbyści). Sprawia to, że parametry tych wydruków nie mogą być utrzymane, zaś sama liczba producentów nie pozwala na monitorowanie pochodzenia wydruków, co w przypadku zarażenia jednej z takich osób oraz przeniesienia wirusa na wydrukach staje się niepotrzebnym ryzykiem. Wierzymy, że najpierw należy wykorzystać potencjał wyspecjalizowanych przedsiębiorstw.

Dzięki inicjatywie wykorzystania technologii addytywnych jako metody szybkiego wytwarzania na własnych oczach przekonaliśmy jak druk 3D pozwala na przygotowanie i opracowanie koncepcji pierwszych wyrobów czy wytwarzanie partii średniej wielkości w walce z koronawirusem COVID-19. Na podstawie zebranych informacji, wykonanych testów z użyciem drukarek 3D moglibyśmy przejść do projektowania rozwiązań pozwalających na masową produkcję (formowanie wtryskowe) i udostępnić sprawdzone rozwiązania potrzebującym.

DALSZE KROKI - WSPÓŁPRACA

foto: Technology Applied

„Wierzymy, że produkcja addytywna powinna stać się stałym elementem współczesnych łańcuchów dostaw oraz powinna być włączona do planów kryzysowych państwowej administracji, żeby wspomagać, uzupełniać, a w wielu przypadkach, zastępować tradycyjne metody produkcji, szczególnie w tak krytycznym obszarze jak ochrona zdrowia.”

BIBUS MENOS oraz Technology Applied wyrażają gotowość do podjęcia dyskusji na temat zbudowania Polskiej sieci produkcji addytywnej w celu zdefiniowania potrzeb nie tylko służby zdrowia, ale również innych krytycznych obszarów funkcjonowania Państwa.