V porovnaní s tradičnou výrobou sa pri aditívnej výrobe produkuje minimálne, skoro až žiadne množstvo materiálové odpadu, čo predstavuje udržateľnejší spôsob technológie, ktorá šetrí a redukuje množstvo vstupujúceho materiálu do výrobného procesu.

* * * * *
Na základe viacerých zdrojov možno konštatovať, že najčastejšie používané filamenty sú PLA (Polylactic acid) ide o termoplastický polyester, ktorého výhodou je to, že je ekologický, ale na druhej strane manipulácia s materiálom po vytlačení je náročnejšia.
* * * * *

Aditívna výroba je efektívny proces výroby komponentov, kde je možné využívať aj recyklované materiály ako filamenty. Pri práci s aditívnou technológiou je možné využívať rôzne druhy senzorov, za účelom získavania podrobnejších informácií týkajúcich sa tlače. Ako ďalšiu výhodu aditívnej výroby možno spomenúť prepojenie so zariadeniami virtuálnej
reality, ako napríklad 3D okuliare.[2]

Súčasný stav riešenej problematiky
Aditívna výroba je proces vytvárania fyzických objektov z digitálnych modelov vrstvením a nanášaním materiálu. Ide o pokročilú výrobnú technológiu, ktorá vytvára 3D objekty na základe výkresov vytvorených v CAD systémoch. Technológia aditívnej výroby je široko rozšírená naprieč celým strojárstvom najmä v oblastiach výroby produktov na mieru, produktov určených pre medicínske účely alebo iné konceptuálne modely určené pre automobilový priemysel.
Aktuálne je na trhu viac druhov systémov aditívnej výroby, patrí tu napríklad (FDM) Fused Deposition Modeling, (DMD) Direct Metal Deposition, (SLS) Selective Laser Sintering, (IJM) Inject Modeling and (SLA) Stereo Litrography. Metóda FDM je najviac rozšírená spomedzi ostatných spomínaných, a to najmä vďaka svojej jednoduchej prevádzke a pomerne nízkej cene.[2], [3] V dnešnej dobe nám trh ponúka nespočetné množstvo materiálov, z ktorých je možné vytvárať rôzne objekty. Každý filament, ktorý predstavuje vstupný materiál do výrobného procesu sa vyznačuje inými špecifikami, ktoré ovplyvňujú proces aditívnej výroby. Na základe viacerých zdrojov možno konštatovať, že najčastejšie používané filamenty sú PLA (Polylactic acid) ide o termoplastický polyester, ktorého výhodou je to, že je ekologický, ale na druhej strane manipulácia s materiálom po vytlačení je náročnejšia.
Druhým najčastejšie používaným filamentom je ABS (Akrylonitrilbutadiénstyrén), ktorý nie je ekologický, ale je možné ho recyklovať, a je v porovnaní s PLA ľahko manipulovateľný. Menej skloňovaným filamentom je PVB (Polyvinyl Butyral), ktorý je veľmi zaujímavou surovinou pre ďalšie spracovateľské činnosti. Polyvinyl Butyrál je špeciálna živica, ktorá sa používa do čelných skiel automobilov. Legislatívne predpisy vyžadujú recykláciu automobilov po skončení životnosti, a tým pádom aj recykláciu čelného skla. Vďaka tomu je možné ľahko získať recyklovaný PVB. Tým pádom vzniká priestor pre rôzne myšlienky ako spracovať a využiť potenciál tohto materiálu (obr. 1). [4]

Obr. 1: Recyklovaný Polyvinyl Butyrál

Vývoj Polyvinyl Butyrálu bol ovplyvnený najmä vývojom automobilového priemyslu a jeho dopytom po bezpečnostných čelných sklách. Polyvinyl Butyrál je termoplastický materiál, ktorého štruktúra a vlastnosti sú silne závislé od samotného obsahu hydroxylu.
Napríklad, v závislosti od množstva hydroxylu v PVB sa odvíja priľnavosť PVB k rôznym povrchom, pozitívne ovplyvňuje vlastnosti chemických látok reaktoplastov nachádzajúcich sa v PVB. Výhodou Polyvinyl Butyrálu je jeho široké využitie vo viacerých oblastiach, ako napríklad, automobilový priemysel, architektúra, dokonca PVB nachádza uplatnenie v solárnych fotovoltaických polymérových paneloch pre zachytávanie solárnej energie, ktorá sa premieňa na jednosmerný elektrický prúd. Zaujímavosťou tohto materiálu je jeho možnosť recyklácie, čiže možnosť opätovného použitia materiálu. Recyklovaný Polyvinyl Butyrál je vo forme granulátu, ktorý je zaujímavou surovinou pre aditívnu výrobu. [5]

Prostredníctvom extrúdera je možné vyrobiť vlastný filament z recyklovaného polyvinyl butyrálu, ktorý môže byť následne použitý ako vstupná surovina pre proces aditívnej výroby. Extrúder predstavuje prenosný nástroj, ktorý prostredníctvom extrúzie (vytláčania) dokáže pôvodný materiál roztopiť za pomoci teploty a tlaku. Jedná sa o technológiu spracovania polymérov, ktorá sa vykonáva nasypaním plastových peliet, granulátu do nádobky, ktorá vstupný materiál dokáže podrviť na menšie časti. Podrvené pelety sú následne teplotou a tlakom roztavené a pomocou závitovky sú vytláčané do výsledného tvaru filamentu (obr. 2). [6]

Obr. 2: Princíp fungovania extrúdera

Väčšina extrúderov obsahuje aj mechanickú brúsku, ktorá dokáže rozdrviť všetky nepotrebné 3D výtlačky, nepodarky alebo akýkoľvek iný odpad pochádzajúci z 3D tlače. Výstupnou surovinou z extrúdera je kvalitné plastové vlákno – filament, ktorý je nevyhnutnou súčasťou aditívnej výroby. S využitím recyklovaných materiálov a možným opakovaním spracovať odpad, ktorý prirodzene pri aditívnej výrobe vzniká, je možné dosiahnuť vyšší stupeň udržateľnosti výroby, čo v konečnom dôsledku podporuje cirkulárnu ekonomiku [6].
Cieľom obehového hospodárstva je odklonenie sa od klasického modelu lineárnej ekonomiky, ktorá funguje na vysokej spotrebe neobnoviteľných zdrojov surovín. Princípom cirkulárnej ekonomiky je uzavretý kolobeh surovín, ktorý zamedzuje vznik odpadu a jeho skládkovanie. Súčasťou pojmu cirkulárna ekonomika je aj materiálová cirkulácia, ktorá zabezpečuje opätovné využívanie materiálov vo výrobe. S pomocou využitia moderných technológií ako napríklad výroba vlastných filamentov s využitím extrúdera je možné sa priblížiť k materiálovej nezávislosti, ktorá je podstatou modelu obehového hospodárstva (obr. 3). [7]

Obr. 3: Princíp Cirkulárnej ekonomiky

Extrúder, ako pomocný nástroj ponúka nielen možnosť opakovaného využitia odpadu, ale aj možnosť výroby nových kompozitných materiálov, ktoré môžu nájsť uplatnenie nielen v strojárstve, ale aj v medicíne prípadne v iných vedných odboroch. Zaujímavou skupinou materiálov, ktoré priťahujú pozornosť sú práve polymérne nanokompozity, ktoré disponujú s veľkým výrobným potenciálom. Polymérne kompozity, ktoré sú vystužené uhlíkovými vláknami zohrávajú dôležitú úlohu v rozvoji a raste viacerých priemyselných odvetví citlivých na hmotnosť. [8,9] Výhodou filamentov, ktoré sú vystužené uhlíkovými vláknami je nižšia hmotnosť, vysoká pevnosť v ťahu, vysoká tuhosť a vysoká teplotná odolnosť. Tým pádom sa pridaním uhlíkových vlákien do klasických PLA filamentom znižuje zmršťovanie materiálu. Špecifickou vlastnosťou kompozitov z uhlíkových vlákien je ich trvanlivosť a odolnosť voči agresívnym podmienkam ako korózia alebo vysoké teploty. Na druhej strane veľkou nevýhodou uhlíkových vlákien je ich energetická náročnosť výroby. Náklady na výrobu sú pomerne vysoké a výroba ako taká, negatívne vplýva na životné prostredie a ľudské zdravie uvoľňovaním emisií. [10]

Prepojenie aditívnej výroby s priemyselným podnikom
Umiestňovanie 3D tlačiarní do výrobných podnikov dnes už nie je žiadnou novinkou. Ale prepojenie 3D tlačiarne s priemyselným počítačom PLC môže predstavovať veľkú pomoc pre pracovníkov vo výrobných závodoch. PLC je programovateľný logický riadič alebo priemyselný polovodičový riadiaci systém, ktorý bol zavedený koncom 60. rokov 20. storočia. Tento priemyselný počítač dokáže prostredníctvom modulárneho programovania miešať, spájať a monitorovať typy vstupov a výstupov zariadení a taktiež automatizovať proces na základe logických rozhodnutí.
Priamo na 3D tlačiareň je možné umiestniť rôzne druhy snímacích jednotiek, ktoré snímajú vybrané parametre, ako napríklad teplota tlačovej hlavy, teplota v miestnosti, úroveň vlhkosti, vibrácie, kvalitu výtlačkov a množstvo spotrebovanej energie potrebnej na samotnú tlač. Tým pádom je možné vyzbierané dáta ukladať do zbernej jednotky – priemyselného počítača PLC, ktorý umožní vyzbierané dáta, archivovať, analyzovať a monitorovať. Vďaka prepojeniu aditívnej výroby s PLC počítačom bude možný opakovaný prístup k akýmkoľvek dátam, ktoré boli v minulosti vyzbierané, čo v konečnom dôsledku zjednoduší prácu každému zamestnancovi. [11]

Záver
Aditívna výroba nie je len o vytváraní 3D objektov, ale aj o výbere a zhotovení materiálu, ktorý predstavuje vstupný materiál pre tlač. Trh ponúka rôznorodý výber bežne používaných a ľahko dostupných materiálov. Zaujímavosťou v danej oblasti je práve výroba nových kompozitných materiálov a opätovné spracovanie materiálu, ktorý bol vyprodukovaný ako odpad, ale prostredníctvom moderných technológií je možné vdýchnuť materiálu druhý život. Čo je v konečnom dôsledku v súlade s princípmi obehového hospodárstva. Cirkulácia surovín je dôležitá súčasť a nosný pilier udržateľnejšieho spôsobu života na tejto planéte.

TEXT/FOTO Rebeka Tauberová a Lucia Knapčíková, Technická univerzita v Košiciach, Fakulta výrobných technológií so sídlom v Prešove

Príspevok lektorovala: Ing. Mgr. Annamária Behúnová, PhD., Technická univerzita v Košiciach, Fakulta BERG

Zoznam použitej literatúry
1. Európska Komisia. Digitálny kompas do roku 2030: digitálne desaťročie na európsky spôsob. 2021. [Online] [cit. 2022-11-03]. dostupné z: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/SK/TXT/HTML/?uri=CELEX:52021DC0118&from=en
2. Mohamed, O. A., Masood, S. H., Bhowmik, J. L. Optimatization of fused deposition modeling process parameters: a review of current research and future prospects. 25 february 2015. DOI 10.1007/s40436-014-0097-7
3. Stansbury, J. W., Idacavage, M. J. 3D printing with polymers: Challenges among expanding options and opportunities. Vol 32 January 2016, https://doi.org/10.1016/j.dental.2015.09.018.
4. Zhang, X., Hao, H., Shi, Y., Ciu, J. The mechanical properties of Polyvinyl Butiral (PVB) at high strain rates. Vol 93, 15 September 2015. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.04.057
5. Olabisi, O., Adewale, K. Handbook of Thermoplastics. 2016. ISBN 978-1-46665-7723-7
6. Byrley, P., Ariel Geer Wallace M., Boyes K. W., Rogers, K. Particle and volatile organic compound emissions from a 3D printer filament extruder. Vol 736 20 September 2020, 139604. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.139604
7. Inštitút Cirkulárnej Ekonomiky. 2022. Cirkulárna ekonomika. [Online] [cit. 2022-11-03]. dostupné z: https://www.incien.sk/cirkularna-ekonomika/
8. Nunna, S., Ravindran A. R., Mroszckok, J., Creighton, C., Varley, R. J. A review of the structural factors which control compression in carbon fibres and their composites. Vol 303, 1 January 2023. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.116293
9. Pakdel, E., Kashi, S., Varley, R. Wang X. Recent progress in recycling carbon fire reinforced composites and dry carbon fibre wastes. Vol 166, March 2021. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2020.105340
10. Alphonsus, E. R., Abdullah, M. O. A review on the application of programmable logic controllerrs (PLCs). Vol 60, July 2016. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.01.025
11. Giles, H. F., Wagner, J. R. Extrusion: The Definitive Processing Guide and Handbook. 2013. ISBN: 9781437734812