Kov, plast nebo umělé dřevo? Plzeňský kraj a 3D tisk si rozumí

Oblast aditivních technologií je jednou z těch, v nichž se přirozeně propojují věda, praxe, školství a další sféry. Vznikají tak nové spolupráce, nápady a plány pro budoucnost.

Skupina lidí stojí před strojem, který na šířku zabírá takřka celou místnost a ke stropu mu příliš neschází. Od 3D tiskáren domácích kutilů se tato liší i materiálem, s nímž pracuje. Je totiž v hale Vědeckotechnického parku COMTES FHT v Dobřanech, kde se specializují na 3D tisk z kovu. Konkrétně tato tiskárna, respektive stavební komora, v níž výrobky tvoří, patří v ČR k těm největším.

Návštěvníci, kteří právě zaujatě poslouchají výklad, přijeli z Akademie věd ČR. Je to významná, i když nijak neobvyklá návštěva, protože Dobřany mají díky 3D tisku dobré jméno nejen u nás, ale i ve světě. V Plzeňském kraji v tom navíc nejsou samy.

Nedaleko Mýta u Rokycan se společnost TGS věnuje jinému odvětví. Velkoformátovému 3D tisku. V hale se tyčí více než dvoumetrová struktura z „umělého dřeva“. Její přesný účel tají smlouva, ale co TGS umí, dokazuje výmluvně.

Velkoformátovou tiskárnu v Mýtě poprvé spustili vloni v srpnu, tehdy jako první v republice. Stačilo ale tři čtvrtě roku, aby se ukázalo, že se sázka na obohacení portfolia metod o novou vyplatila. TGS už má i následovníky, o velkoformátovém tisku pořádá workshopy a stejně jako COMTES se dívá do budoucnosti, jež je 3D tisku, zdá se, nakloněna.

 

Co čeká 3D tisk

Odvětví 3D tisku zažívá velký rozvoj. Kupředu postupuje tak rychle, že brzy bude lépe používat jen souhrnný termín „aditivní technologie“, protože tři rozměry nebudou stačit. V hledáčku vývojářů už je 4D, 5D a 6D tisk.

Dobře to vědí v Národním centru kompetence pro průmyslový 3D tisk, které od roku 2023 funguje při Technické univerzitě v Liberci. Vytvořilo silné konsorcium téměř třicítky partnerů z celé republiky, podle manažera centra Jana Kočího s předpokladem, že „bude mít nejen velmi dobrý přehled o stavu výzkumu v daném tématu obecně ve světě, ale také přehled konkrétního potenciálu pro uplatnění výsledků daného výzkumu v České republice, přehled českého kontextu, možností a rizik“.

Jedním z důležitých cílů centra je podílet se na tvorbě strategií a koncepcí ČR.  I proto vznikly vloni na podzim Expertní předpovědi pro 3D tisk pro období 2024-2034. Dokument, který dal dohromady názory expertů na 3D tisk na trendy pro následující dekádu. Co z něj vyplynulo?

„Perspektivní výzkumná témata je vhodné hledat v souvislosti s následujícími zásadními trendy a směry vývoje v oblasti průmyslového 3D tisku: udržitelné materiály, End-to-end proces (E2E), kyber-bezpečnost, 3D tisk ve vesmíru, legislativní otázky P3DT, vysoko-rychlostní 3D tisk, 3D tisk objektů v nanoměřítku, velkoplošný 3D tisk, integrace nanočástic při 3D tisku a 3D bio-tisk,“ shrnuje Jan Kočí.

Někteří experti podle dokumentu vidí do budoucna slibný potenciál ve velkoformátovém 3D tisku, jiní se obávají, že počáteční nadšení z 3D tisku a velká očekávání nevydrží a společnosti budou mít problémy, někteří apelují na využití umělé inteligence, která bude předvídat problémy a zvyšovat kvalitu a také efektivitu tisku, pro jiné je stále otázkou, zda se 3D tisk může „skutečně vyvinout v technologii hromadné výroby“. Kromě tisku v dalších rozměrech vyhlížejí také 3D tisk ve vesmíru.

Mimochodem jedním z partnerů Národního centra kompetence pro průmyslový 3D tisk je společnost GZR plast z Chrástu u Plzně, která se zaměřuje na granulaci, zpracování a regeneraci plastů.

 

Dobrá praxe, vzdělávání, inspirace

A jak je na tom s tiskem Plzeňský kraj? Podle Kateřiny Podané, ředitelky Klastru MECHATRONIKA, zdejší prostředí aditivním technologiím přeje.

„V současnosti víme o několika výzkumných organizacích i firmách které nabízejí komerčně kovový tisk. Jsou zde také podniky zaměřené na výrobu prototypů i podniky s kapacitou sériové výroby pomocí 3D tisku,” říká s tím, že díky silné průmyslové tradici, kvalitní technické infrastruktuře a úzké spolupráci mezi podniky a akademickou sférou v kraji vznikají příznivé podmínky pro inovace v oblasti 3D tisku. „Přítomnost vědecko-technologických a inovačních center rovněž podporuje začínající i zavedené firmy, které chtějí tuto technologii integrovat do svých procesů,” míní.

Jako součást zmíněného klastru, který sídlí v Dobřanech, vznikla v roce 2019 Česká technologická platforma pro aditivní výrobu (ČTPAV).

„Mnoho našich členů se již tehdy s aditivní výrobou potkávalo a cítili jsme potřebu řešit tyto technologie víc systematicky. ČTPAV není ani tak o výzkumu, na to máme v našem kraji a celé ČR jiné kapacity, je to podpůrná platforma ke sdílení informací, dobré praxe, vzdělávání a inspirace. Je to vlastně naše pracovní skupina, takže všichni členové klastru se mohou podle své potřeby a svých představ zapojit do jejího chodu,” pokračuje Kateřina Podaná.

Pro co nejsnazší sdílení informací vytvořila ČTPAV první ucelenou cestovní mapu aditivní výroby v ČR, která je volně přístupná na jejím webu. Vznikla ve spolupráci s mezinárodní společností ASTM, jež tvoří normy pro průmyslové obory včetně aditivní výroby.

„ASTM tvoří normy, které potřebujeme, aby technologie a výtisky byly bezpečné, především pokud se bavíme o kritických součástech v letadlech nebo zdravotnictví. Snažili jsme se zmapovat stav těchto technologií v Česku a navrhnout směry, kterými se bude dál rozvíjet, a co pro to udělat. Například se věnovat vzdělávání, zahrnout tyto technologie do strategických v rámci Regionální inovační strategie a podobně. Díky kolegům z ASTM jsme myslím měli jedinečný vhled do toho, co je možné a pravděpodobné a co je spíš jen přání. Asi bychom také chtěli tisknout rakety, ale na druhou stranu pro Česko je velmi strategický obor nástrojařina, a tam máme s aditivní výrobou skvělé výsledky. Zmíním třeba opravy nástrojů v COMTES FHT nebo jedinečného Krakena – frézovací hlavu ze Západočeské univerzity v Plzni (ZČU),” dodává Kateřina Podaná.

Kraken a další patenty ZČU

U Krakena ještě zůstaňme. Frézovací hlava připomínající bájného vodního tvora vznikla v Regionálním technologickém institutu Fakulty strojní ZČU. V roce 2018 získala zlatou medaili na Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně, od té doby patří k největším úspěchům univerzity. Manželé Ivana a Miroslav Zetkovi Krakena vloni patentovali. „Fréza má velmi lehkou konstrukci, která je vyrobena pomocí 3D tisku z nástrojové oceli. Tím došlo ke snížení spotřeby materiálu o více než 50 procent oproti konvenční výrobě s minimálním množstvím odpadu,“ vysvětlil přínos Miroslav Zetek.

Krakenem však patentové úspěchy ZČU spojené s 3D tiskem nekončí. Patentovat se podařilo také unikátní systém nanášení kovového prášku při 3D tisku technologií selektivního laserového spékání. „Změnou z tuhého nanášecího prvku na prvek s vyšší poddajností je možné reagovat na nepředvídatelné kolize při spékání dílů, překleneme tak problematická místa bez přerušení procesu tisku, a přitom zachováme  mechanické vlastnosti tištěných komponent,“ doplnila Ivana Zetková.

Třetím patentem výzkumného centra spojeným s 3D tiskem je  vysoce přesný systém chlazení obráběcích strojů zvaný ECHO. Životnost nástrojů umí zvýšit o desítky procent. „Kombinuje výhody 3D tisku s ekonomicky přijatelnou konvenční výrobou. Obsahuje 3D tištěné prvky, které jsou přidány do tělesa nástroje a umožňují efektivní a přesný přívod kapaliny přímo do místa řezu,“ doplnil Luboš Kroft z RTI.

 

Kov z Dobřan

Jak to vypadá v praxi? Lidé, kteří se 3D tisku věnují, jsou do stále tak trochu nového, rychle se vyvíjejícího a mnohé slibujícího oboru opravdu nadšení. Halou dobřanské společnosti COMTES FHT nás stejně jako předtím skupinu Akademie věd provedl specialista Matěj Rott.

V Dobřanech se 3D tisku věnují sedm let. „COMTES je původně firma zaměřená na materiálový a aplikovaný materiálový výzkum, na konkrétní komponenty, případy, případové studie. S 3D tisku jsme začali, protože jsme chtěli pokrýt co nejširší portfolio technologií. Nejprve jsme se dostali ke zkoumání mikrostruktur a vlastností jinde vytištěných dílů, aniž bychom měli vlastní tiskárnu, ale po pořízení první tiskárny DED jsme začali dělat vlastní vzorky a komponenty. Porovnávali jsme jejich vlastnosti s těmi, které jsme jen testovali, tisk se rozjel, kromě základního jsme se pustili i do aplikovaného výzkumu. A protože jsme už z předchozí historie firmy byli spojeni s oblastmi kovárenství, tváření a těžšího strojírenství, vrhli jsme se na to, co je dodnes jedním z našich největších úspěchů, a to na depozici střižných ran a opravy střižných tvářecích nástrojů,” popisuje Matěj Rott.

Nástroje, o nichž je řeč, jsou často různé druhy střižníků a střižnice, zápustky na kování nebo kovací přípravky. Mohlo by se zdát, že potištění jejich poničeného povrchu novým je „pouze” opravárenství, ale pravda je jiná.

”Vybudovali jsme si totiž know how nejen na to, jak nástroje opravovat, ale i na to, jak ještě zlepšovat jejich vlastnosti. Naučili jsme se takové nástroje i konstruovat a dnes jsme schopni nástroj od základu vymyslet a vyrobit tak, aby zákazník ušetřil nejen náklady na výrobu, ale také provozní náklady. Jednomu velmi úspěšnému střižníku jsme natiskli funkční povrch, a tím jsme zvýšili jeho životnost téměř dvacetkrát. Byl to nástroj velmi složitý na výměnu, prostřihoval plechy v automobilovém průmyslu, a časová i finanční úspora byla pro zákazníka zásadní,” říká Matěj Rott.

COMTES má dnes čtyři 3D tiskárny. Každá je jiná. „Můžeme pokrýt široké portfolio materiálů i toho, jak velké komponenty jsme schopni tisknout. Máme malou tiskárnu s prostorem 15 x 15 cm, ale také otevřený systém drátového navařování, který tiskne i na komponenty mnohem větší, než jaké odpovídají velikosti stroje. Toho lze využívat například pro opravy rotorů nebo turbinových lopatek.  Je to naše nejproduktivnější zařízení. To největší, co jsme zatím vytiskli technologií PBF, bylo oběžné kolo ve spolupráci s plzeňskou Škodovkou. Mělo v průměru 320 nebo 330 milimetrů. Největší výtisk o maximálním rozměru 550 milimetrů máme z práškového DED, což je navařovací technologie,” provází nás Matěj Rott.

 

Měď, letectví, vesmír?

Tři tiskárny v Dobřanech využívají jako vstupní materiál prášek, jedna drát. Každá má jinou produktivitu a hodí se na něco jiného, některá tiskne s větší přesností, některá na více osách. „Používáme je podle zakázek,” vysvětluje Matěj Rott, kterého těší, jak se o 3D tisku začalo přemýšlet. „Od toho, jestli může nahradit konvenční technologie, se posouváme jiným směrem, pro co konkrétně je 3D tisk vhodný. Můj názor je, že se hodí pro specifické aplikace, například k výrobě dílů se složitými vnitřními strukturami, které jinak vyrobit neumíme. Mohou to být různé chladiče nebo indukční cívky. Ale nevěřím, že by 3D tisk kdy mohl nahradit standardní technologie. Funguje prostě vedle nich, doplňuje je,” míní.

Jednou z věcí, kterým se COMTES v současné době věnuje, je tisk z mědi. Nejde o nic jednoduchého, protože čistá měď nemá ideální vlastnosti, ale o to větší výzvu výzkumníkům nabízí. Zatím pracují se slitinou s malou příměsí chromu.

„Začínali jsme s vlastními pokusy, po nich se jsme přesunuli například ke konkrétním návrhům indukčních cívek. Tiskli jsme je pro ZČU, která je bude následně zkoušet a porovnávat s konvenčně vyráběnými. Výsledky pak budeme prezentovat v rámci projektu,” říká Matěj Rott a partnerství s akademickou sférou ještě zdůrazní: „Já sám jsem absolventem ZČU. Univerzita má vlastní oddělení 3D tisku, úzce spolupracujeme v rámci projektů i výměny know how, pořádání odborných akcí, spoluautorství vědeckých článků… Lokální vědecká sféra je pro nás velmi důležitá. Spolupracujeme ale také s univerzitami po celé ČR a máme i zahraniční partnery z Německa, Istanbulu nebo jižní Koreje.”

Kam dál? COMTES se chystá pořizovat třeba zajímavou technologii binder jet. „Je vhodná nejen pro tisk nejen kovů, ale například i keramik, a to v hodně vysokém rozlišení. Pokud jde o aplikace, naše jádro je sice ve strojírenském průmyslu, ale nebojíme se ani ostatních odvětví. Rádi bychom se zaměřili například na biomedicínský nebo letecký průmysl či vesmírný program. Jsou to nejen v aditivních technologiích významné obory, do kterých není snadné se dostat, a já myslím, že na to máme,” dodává Matěj Rott.

 

Velký formát z Mýta 

Necelých 40 km od Dobřan a slabou půlhodinu jízdy po dálnici D5 najdeme v hale společnosti TGS v Mýtě u Rokycan úplně jiný druh 3D tisku, kterým se může Plzeňský kraj chlubit. Velkoformátovému tisku o maximální rozměrech 3 x 1 x 2,5 m se věnují jako jedni z mála v republice, začínali s ním dokonce jako úplně první. Také oni se pro technologii rozhodli kvůli rozšíření nabídky služeb. Tisknou především z plastu, ale nejen z něj.

„TGS je technologická obchodní společnost, která vytváří celý výrobní proces na míru zákazníkovi. Dodáváme stroje, nástroje, technologii, poté zajišťujeme i servis. 3D tisk se zatím asi do každého našeho obchodu nepromítne, ale našli jsme v něm možnost rozvoje a náhrady tradiční výroby, která by trvala déle,” říká za Projektové oddělení 3D tisku TGS Michaela Duchková.

Tiskařské zázemí TGS tvoří zatím jeden stroj, jehož tiskovou hlavu lze vyměnit za frézovací a pomocí ní pak výrobky dotvořit. „Začínali jsme vloni v srpnu a vytištění prvního dílu trvalo opravdu dlouho, testovali jsme každý materiál, který jsme chtěli používat. Jako první jsme v listopadu vytiskli pro jednu společnost jaderník, což je součást slévárenské formy k výrobě odtokových kanálků,” popisuje.

V Mýtě během krátkého času zjistili, že jejich doménou mohou být formy pro tvarování, výrobu nebo zpracování materiálů při nízkých teplotách. „První takovou jsme vyráběli, byla pro AVEO Příbram, kde dělají světelné systémy. Byla to formu pro světelný systém helikoptéry, která létá v New Yorku, vytiskli i ofrézovali jsme ji za tři a půl dne, stejně jako později i druhou. Teď jsme dostali poptávku na třetí formu, takže si myslím, že se nám to podařilo,” říká spokojeně Michaela Duchková.

Velký vytištěný objekt ve tvaru kanystru, který se v hale tyčí, připomíná na první pohled dřevo, a dokonce i tak voní. Je z ekomateriálu, kterému se někdy umělé dřevo skutečně říká – ze směsi PLA, vyráběné z kukuřičného nebo bramborového škrobu či z cukrové třtiny, a celulozového vlákna. „Když tisknete, voní to tak, materiál se dá brousit, natírat, můžete s ním zacházet opravdu jako s dřevem. Nejčastěji ale tiskneme z PETG, to v případě forem pro nízkoteplotní aplikace, a z polykarbonového a karbonového vlákna,” pokračuje Michaela Duchková s tím, že ani TSG nejsou cizí experimenty: „Testovali jsme materiál TIDE švýcarského výrobce, který sbírá PET lahve z moře na Bali nebo v Indii, drtí je do granulek, a ty jsou pak určené pro velkoformátový tisk. Dá se z nich tvořit například nábytek.”

 

Opatrnost, zkouška, překvapení

S kolegou z Dobřan se Michaela Duchková shodne v tom, že 3D tisk se určitě nehodí na všechno: „Někdy se ovšem opravdu vyplatí, ale tak je to s každou technologií. Je to oblast, ve které je a bude pořád co objevovat, a v ČR je na jedné straně řada zatím opatrných zákazníků, ale také tu jsou ti, kteří jsou 3D tisku otevření maximálně, jako třeba AVEO. Chtějí to vyzkoušet, a pak jsou překvapeni, jak velká může být časová i cenová úspora.”

I proto se TGS zaměřuje také na osvětu. První workshop pro odbornou veřejnost pořádali, když 3D tisk zahajovali, teď už chystají další. V březnu společnost také čeká tradiční 5osý veletrh, letos na téma řídící systémy.

„Chceme ukázat ostatním, co jsme 3D tiskem získali, jaké jsou jeho možnosti i limity. Vyvíjí se totiž dál a dál, někdy až nepředstavitelně, když se dozvíte, že můžete tisknout například matriály s meruňkovým aroma,” usmívá se Michaela Duchková.

V TGS se zaměřují i na to, co s vytištěnými výrobky udělat, pokud doslouží. „Když jsme s tiskem začínali, přemýšleli jsme, co s prvními nepovedenými výrobky. Do plastu je dát nemůžete, je v nich přidané skleněné vlákno. Výrobci tiskáren, například CEED, už ovšem vyvíjejí drtičky, které by umožňovaly výrobek rozdrtit a znovu použít. Existují ale také materiály, do kterých žádné vlákno přidávané není, což je třeba zmíněný TIDE z PET lahví,” dodává.

V současnosti má TGS před sebou výrobu svařovacích přípravků a dalších forem. Chodí ovšem i kuriózní požadavky, kterým – zatím – vyhovět nelze. Kvůli velkému množství různých detailů nemohli vytisknout sochu nebo kořenový systém stromů. Detaily by museli vyfrézovat, což by výrobek velmi prodražilo.

Neznamená to však, že si velkoformátový 3D tisk s designem nerozumí. „Vyrobili jsme křesla, která s úspěchem prezentujeme na veletrzích, ale protože jsme hlavně strojaři, v designu jinak příliš silní nejsme. Navázali jsme ovšem spolupráci s Fakultou designu a umění Ladislava Sutnara ZČU, jejíž studenti navrhovali v rámci studia krásné věci. Vymysleli balanční desku, navrhli včelí úl, modulární poličky, ambientní osvětlení… Tři nejlepší jsme vytiskli. Jednoho studenta jsem pak oslovila s návrhem stříšky nad vchodové dveře do TGS. Už ji máme připravenou, osadíme ji a budeme moci zároveň testovat odolnost materiálu vůči povětrnostním vlivům nebo UV záření. Je to ideální příležitost,“ uzavírá Michaela Duchková.

 

Plzeňský kraj, 3D tisku ráj

Klastr MECHATRONIKA aktuálně řeší projekt AM SURF: Potenciál optimalizace povrchu 3D tištěných kovových komponent. Plzeňský kraj díky němu propojuje s Bavorskem. „Díváme se na díly pro speciální aplikace, u nichž můžeme pomocí nastavení samotného tiskového procesu ovlivnit výslednou kvalitu povrchu tak, aby byl co nejvhodnější pro další použití nebo aby se snížila nutnost dalších úprav, což celý proces výrazně zjednoduší a zlevní. Dali jsme dohromady tři významné výzkumné organizace podél česko-bavorských hranic, z nichž každá má k tomuto tématu co říct. Pravidelně pak naše výsledky prezentujeme také širší veřejnosti. Příští akce bude 9. dubna v Dobřanech,” zve ředitelka klastru Kateřina Podaná.

Samotný rozvoj aditivních technologií v Plzeňském kraji by podle ní šlo shrnout i slovy Pořád se děje něco nového. Názorným příkladem může být opět COMTES FHT. „Postupně se věnují různým technologiím kovového 3D tisku a zkouší to i s vlastním materiálem, který vyvíjejí pro specifické aplikace a umí ho v tuhle chvíli nejen tradičně odlít a vykovat, ale také z něj i táhnout drát, ze kterého tisknou. Pěkné by bylo, kdyby se podařilo do Plzeňského kraje přivézt také výrobce prášků, které se pro tisky používají. Snažíme se o to,” říká.

Nové příležitosti by podle ředitelky přineslo také větší prosazování aditivních technologií ve zdravotnictví. „Vyrobíme díky nim kvalitní a specializované kousky na míru uživateli. Částečně už se to v méně regulovaných případech děje, například loni nás oslovila univerzita z bavorského Regensburgu, jestli bychom jí pomohli s projektem pro školení zubních lékařů. Propojili jsme je s šikovnou českou firmou, která se tisku zubních náhrad věnuje,” dodává Kateřina Podaná.

Autor: Pavel Korelus pro GetSmart / Akcelerátor Plzeňského kraje III