Nepretržité inovácie technológií 3D tlače a značný pokrok v materiáloch používaných pre 3D tlač urobili z aditívnej výroby kompletnú metódu na výrobu rôznych typov dielcov. Zavedenie 3D tlače do prototypovej výroby podstatne zlepšilo procesy vývoja produktov a urobilo z neho životaschopnú alternatívu pre CNC obrábanie, ktoré je doteraz kľúčovým pilierom výroby. Aditívne technológie sú už dokonca niekedy vnímané ako možná náhrada CNC obrábania. Do akej miery je takéto tvrdenie správne?
Môže 3D tlač v inteligentných továrňach zajtrajška vytesniť trieskové obrábanie? Napriek všetkému čaru a sľubným vyhliadkam treba povedať, že 3D tlačiarne nedokážu úplne zastúpiť CNC stroje ako dominantnú technológiu vo výrobe kovových dielcov. Aditívna výroba však bude mať veľmi silný vplyv na celé spektrum výrobných metód.
Veľmi zjednodušene povedané, výrobok vytvára 3D tlačiareň, aj CNC stroj po jednotlivých vrstvách. Aby sme si ukázali, ktorý z týchto prístupov je efektívnejší, porovnajme ich hlavné benefity.

Prínosy výrobných technológií
Materiály obrobkov – kým pri CNC obrábaní je primárnym materiálom kov, v 3D tlači – napriek značne rastúcemu využívaniu kovov – dosiaľ prevláda spracovanie nekovových materiálov. Pokroky v práškovej metalurgii umožnili tlačiť z ťažko obrobiteľných materiálov, ako sú superzliatiny na báze niklu, čo pre aditívnu výrobu otvára nové obzory využitia.
Fyzikálne vlastnosti – Kovy sú izotropné, takže ich vlastnosti zostávajú rovnaké. Oproti tomu vytlačené výrobky sa vyznačujú výraznou anizotropiou, keď je ich pevnosť v rovine vrstvy vyššia ako v kolmom smere. Pri posudzovaní výrobkov z 3D tlačiarní sa výpočtári dostávajú do problémov, keď majú svoje zavedené výpočtové nástroje a skúsenosti fungujúce pri izotropných dielcoch aplikovať na posudky štrukturálneho správania výtlačkov. Zavádzanie aditívnej výroby kritických kovových dielcov je teda z pochopiteľných dôvodov pomalé a CNC obrábanie u takýchto komponentov naďalej dominuje.
Generované tvary – CNC obrábanie má množstvo obmedzení spôsobených predovšetkým limitovaným prístupom rezného nástroja k obrábanému povrchu – obzvlášť vo vnútorných častiach. Tu má navrch 3D tlač, ktorej sa prakticky žiadne tvarové obmedzenia netýkajú, a tak zásadne posúva hranice možností pri výrobe zložitých tvarov.
Rozmery – CNC obrábaním možno opracovávať dielce s rozličnými rozmermi, pričom priestor v 3D tlačiarňach je obvykle oveľa skromnejší. Rozmerné súčiastky síce možno 3D tlačou vyrobiť tak, že sa výrobok rozdelí na sériu menších kusov, ktoré budú zostavené do celku až po vytlačení. Taký proces však predlžuje čas výroby a vedie k pochybnostiam o pevnosti a tuhosti takto vytvorených výrobkov.
Presnosť, opakovateľnosť a kvalita povrchov – Rozmerová presnosť súčasných 3D tlačiarní sa pohybuje okolo 0,25 mm, čo je dvakrát až trikrát horšia hodnota, než akú dokáže ponúknuť CNC obrábanie. To je spoľahlivejšie aj z hľadiska opakovateľnosti a kvality obrobených povrchov.
Udržateľnosť – Výsledkom obrábacieho procesu sú triesky považované za recyklovateľný odpad. 3D tlač ako nízkoodpadová metóda využíva materiál efektívnejšie, a tým šetrí aj energiu.
Ekonomické aspekty – Napriek veľkej rozmanitosti CNC strojov a 3D tlačiarní, ktoré sa odlišujú v cenách podľa svojich vlastností, sú 3D tlačiarne všeobecne oveľa lacnejšie ako bežné CNC stroje.
Procesom rezania materiálu vznikajú triesky – určené na recyklovateľný odpad. Udržateľná, nízkoodpadová 3D tlač využíva materiál efektívnejšie, a preto šetrí energiu.

Stopková fréza ISCAR z radu BALLPLUS s vymeniteľnou hlavičkou MULTI-MASTER s jednou vymeniteľnou doštičkou so segmentom kruhového oblúka.

Aditívna výroba má zrejmú ekonomickú výhodu v obmedzení výrobných sérií, najmä pri prototypovaní. Pri veľkoobjemovej výrobe je CNC obrábanie stále ešte rýchlejšie a nákladovo efektívnejšie. Mohli by sme pokračovať v analýze ďalších vlastností, ako sú možné štruktúrne chyby, tepelná integrita, obsluha, požiadavky na pracovisko, flexibilita atď. Naša analýza však stačí na vyvodenie záveru, že v dohľadnom čase 3D tlač nemôže CNC obrábanie úplne nahradiť.
V kovoobrábaní môže aditívna výroba predstavovať efektívny a rýchly spôsob výroby presných dielcov, ktoré veľmi blízko zodpovedajú požadovanému konečnému tvaru, najmä pokiaľ ide o tvarovo zložité obrobky. Výroba takých dielcov potom vyžaduje dodatočné CNC obrábanie s minimálnym množstvom odobraného materiálu na dosiahnutie presnosti a povrchovej kvality, aké sa od vyspelých obrábacích technológií očakáva. 3D tlač taktiež umožňuje rýchle a presné výsledky výroby prototypov a skracuje cenný výrobný čas pri dosahovaní optimálneho riešenia.

* * * * *
Metódy 3D tlače CNC obrábanie nenahrádzajú, ale dopĺňajú. Subtraktívne a aditívne výrobné procesy sa už dokonca stretávajú v moderných strojoch, ktoré kombinujú 3D tlač a presné viacosové obrábanie. Výraz, ktorý najlepšie vystihuje vzťah medzi 3D tlačou a CNC obrábaním preto znie „spoločne“, nie „miesto toho“.
* * * * *

3D tlač motivuje k inováciám
Rozmach 3D tlače v oblasti kovoobrábania bude mať vplyv na výrobcov obrábacích nástrojov. Ovplyvnené budú konkrétne frézy používané na obrábanie tvarovo zložitých dielcov, dôsledkom reakcie na vzrastajúce požiadavky na vysokú účinnosť, presnosť a spoľahlivosť. Zaručenie tejto trojice špičkových charakteristík sa ukazuje ako zrejmý predpoklad, avšak pokročilé riešenia na obrábanie kovov vyžadujú techniky, ktoré sú prispôsobené menšiemu odberu obrábaného materiálu.
Keď je prídavok na obrábanie malý, treba na udržanie veľkého množstva odobraného materiálu zvýšiť posuv a rýchlosť, čo možno docieliť využitím vysokorýchlostného obrábania (HSM). Frézovacie nástroje, ktoré sa otáčajú vysokými otáčkami, musia byť vyvážené, aby bol zaručený stabilný a pokojný rez pri zvýšených odstredivých silách a zároveň sa minimalizoval počet priechodov. Ideálnym výsledkom je dosiahnutie parametrov drsnosti povrchu pri jedinom priechode, čo si vyžaduje vysoko presné rezné nástroje. Dospejeme tak k tomu, že prvou voľbou na presné a produktívne obrábanie zložitých tvarov s minimálnym úberom materiálu sú monolitné karbidové stopkové frézy, zložené nástroje s vymeniteľnými hlavičkami a presné kopírovacie frézy s jednou doštičkou.

3D tlač kovov – funkčný prototyp telesa frézy, vrátane zložitého tvaru lôžka, vyrobený laserovou technológiou využívajúcou kovy vo forme prášku

Optimalizovanie nástrojov vďaka synergii
Výrobcovia rezných nástrojov zohľadňujú obrábanie aditívne vyrábaných dielcov pri vytváraní svojich produktových portfólií a strategicky pripravujú pokročilé riešenia na úsporu nákladov.
Prispôsobenie nástrojov podľa želaní zákazníka je dobrým príkladom potvrdzujúcim synergiu medzi 3D tlačou a CNC obrábaním vo výrobe zložitých variantov špeciálnych fréz s vymeniteľnými doštičkami. Napriek obmedzeniam sa tu anizotropné vlastnosti tlačených produktov ukazujú ako výhoda. 3D tlač umožňuje kvantový skok v konštrukcii nástrojov a optimalizuje konfiguráciu tela frézy, obzvlášť pri navrhovaní a výrobe vnútorných plôch a chladiacich kanálikov na presné smerovanie chladiacej kvapaliny.
Napríklad špecialisti z oddelenia výskumu a vývoja v spoločnosti ISCAR považujú aditívnu výrobu za mocný nástroj pri hľadaní najlepšieho riešenia pre špeciálne a novo vyvíjané produkty zohľadňujúce maximálnu udržateľnosť. Hlavný posun dopredu sa týka 3D tlače karbidových doštičiek. Výroba prototypov rezných doštičiek prostredníctvom aditívnych metód sa zaobíde bez lisovacích foriem a umožňuje vyskúšanie rôznych verzií doštičiek. Táto metóda významne skracuje čas vývoja, znižuje výrobné náklady a minimalizuje odpad.

* * * * *
Doterajšie skúsenosti ukazujú, že 3D tlač dnes, ani zajtra nenahradí CNC obrábanie, avšak symbióza týchto dvoch technológií predstavuje budúcnosť kovoobrábania, v ktorom sa obe stanú štandardom.
* * * * *

(Pripravené v spolupráci so spoločnosťou ISCAR, redakčne upravené)