Sposoby obniżenia kosztów wytworzenia projektów przeznaczonych do druku 3d

Jeśli planujesz wykorzystywać druk 3d do wytwarzania swojego protytypu bądź po prostu zlecić usługę druku 3d, warto poświęcić chwilę na znalezienie sposobu by obniżyć jego koszty. Jedną z najbardziej rozpoznawalnych zalet technologii przyrostowych jest niski koszt wytwarzania dla jednostkowych i krótkich serii wyrobów. Powyższe zjawisko dobrze opisuje wykres kosztów wytwarzania w funkcji wielkości serii produkcyjnej. Dla każdego produktu, istnieje granica, przy której opłacalne przestaje być wytwarzanie konwencjonalne (np.formowanie wtryskowe), na korzyść wytwarzania przyrostowego.

Charakterystyczny, od razu rzucającym się w oczy na wykresie, jest stały koszt wytwarzania dla druku 3d w zależności od wielkości serii. W przypadku technologii konwencjonalnych koszt rozpoczęcia produkcji jest wysoki (np. przygotowanie formy wtryskowej), wobec powyższego właśnie w zależności od wielkości produkcji ostateczna cena będzie się rozkładać na rosnącą liczbę wyrobów jest to tzw. efekt skali.

Chciałbym zaznaczyć zasady dotyczące obniżania kosztów wytwarzania przy pomocy technologii przyrostowych przedstawione poniżej są ogólne i jest możliwy przypadek, dla którego jedna z nich może nie dać wymiernych korzyści. Ale jak obniżyć koszt usługi druku 3d, zacznijmy od początku.

Każdy projekt jest inny, a co za tym idzie zmieniają wymagania jemu stawiane. Pierwszym kryterium na które warto zwrócić uwagę jest długość serii produkcyjnej. W przypadku ograniczania kosztów musimy mieć na uwadze, że dla danej technologii przyrostowej pasować będzie inna wielkość skali wytwarzania. Przyjrzymy się więc kryterium wielkości serii produkcyjnej, beżpośrednio wpływające na ostateczne koszt usługi druku 3d:

• Jednostkowa (od jednej do kilku sztuk) – W tym wypadku najkorzystniejszy koszt wytwarzania zapewni technologia FDM, gdzie zużycie materiału w procesie wytwarzania występuje wyłącznie na element oraz struktury wspierające. Co istotne, oferowane materiały (termoplasty) są dostępne w wielu kolorach, pozwalając zbliżyć wytwarzany prototyp do produktu docelowego bez dodatkowej obróbki poprocesowej.
• Krótka seria do kilkudziesięciu sztuk – Wcześniej wspominany FDM należy do technologii stosunkowo wolnych oraz bardziej skomplikowanych przy wytwarzaniu szczególnie dużej ilości małych komponentów – ze względu na ograniczone możliwości ułożenia obiektów na platformie roboczej (jedynie na podstawowej płaszczyźnie XY, nie jest opłacane stackowanie obiektów nad sobą). Tutaj z pomocą przychodzą nam technologie proszkowe gdzie niespieczony proszek pełni rolę struktur wspierających. W szczególności warto zwrócić uwagę na technologię SLS, choć i SL czy MJM może być także rozważana.
• Krótka seria do kilkuset sztuk – W wypadku takiej ilości technologia SLS wciąż może być konkurencyjna (w zależności od wielu czynników, takich jak skomplikowanie geometrii, wielkości detalu itp.) w stosunku do wytwarzania konwencjonalnego. Jej wadą jest konieczność barwienia, lakierowania i wykańczania powierzchni, gdy chcemy uzyskać profesjonalny efekt końcowy. Tutaj z pomocą przychodzi nam VC (Vacuum Casting; ang. odlewanie próżniowe w formach miękkich). Jakość wytwarzanych w tej technologii elementów jest bardzo zbliżona (a w wielu przypadkach taka sama), jak w przypadku formowania wtryskowego. Dodatkowo, VC oferuje dużą swobodę w doborze materiału (np. jego właściwości mechanicznych, koloru czy wykończenia powierzchni). Oczywiście aby zacząć pracę z VC należy stworzyć formę odlewniczą na podstawie modelu wzrocowego. Im model wzorcowy będzie dokładniejszy, tym efekt końcowy będzie lepszy. Z tego względu bardzo często wybiera się technologie żywiczne – SL (stereolitografię) bądź MJM (PolyJet) czy odmiany DLP, oferujące bardzo dobrą jakość powierzchni i dokładność wymiarową.

Poza długością serii warto zwrócić na skomplikowanie geometryczne, nie każda z technologii poradzi sobie z pożądaną przez nas geometrią.

Dla modeli, które nie posiadają małych bądź bardzo skomplikowanych cech geometrycznych zdecydowanie polecam technologię FDM. Ponadto warto zwrócić uwagę, iż ta technologia najlepiej sprawdza się dla małych i średnich elementów, ze względu na stosunkowo długi czas wytwarzania spowodowany ograniczeniami mechanicznymi.

Dla elementów bardzo drobnych, z małymi i skomplikowanymi kształtami należy korzystać z wysokiej jakości odtwarzania geometrii, którą zapewni dokładna wysokość warstwy. W tym zagadnieniu królują technologie żywiczne, SL, DLP czy PolyJet, które świetnie sprawdzają się w wytwarzaniu nawet bardzo małych detali. Przy tej okazji warto również wspomnieć o specyficznej technologii przyrostowej jaką jest DODJET (Drop on Demand Jetting). Przy jej pomocy można wytwarzać elementy z wosku. Cechuje ją bardzo duża precyzja wytwarzania (wysokość warstwy rzędu 0.02 mm). Ograniczeniem jest obszar zastosowań modeli DODJET – modele pozytywowe pod technologię odlewania woskiem traconym.  

Najtrudniejszym zadaniem z jakim przychodzi się mierzyć technologiom przyrostowym, są bardzo duże modele. Każdy z takich przypadków należy analizować osobno dlatego najlepiej zdać się na wiedzę ekspertów w dziedzinie technologii przyrostowych, którzy na pewno będą w stanie doradzić jak obniżyć koszty wytwarzania modeli wielkogabarytowych.  

Ze względu na charakter dodawania materiału w procesie wytwarzania przy pomocy technologii przyrostowych geometrię elementów można kształtować z większą swobodą niż w przypadku konwencjonalnych metod wytwarzania. Wobec powyższego usunięcie materiału w miejscach w których nie jest on potrzebny (nie są przenoszone obciążenia, tzn. optymalizacja topologiczna) nie wymaga dodania dodatkowej operacji w procesie wytwarzania, dlatego sam proces ulegnie skróceniu, zużycie materiału zostanie zmniejszone a co za tym idzie cena pojedynczego wyrobu spadnie. Powyższa zasada przynosić będzie efekty szczególnie dla technologii nie wymagających budowania dodatkowych struktur wspierających, takich jak technologie proszkowe (np. SLS, CJP). Oczywiście projektując świadomie w przypadku pozostałych technologii, tzn. przewidując optymalną orientację modelu na platformie roboczej i usuwając materiał tak aby nie spowodował on generowania dodatkowych struktur wspierających otrzymamy również wymierne korzyści.

Szczególnym przypadkiem zmniejszania zużycia materiału i skracania czasu procesu jest skalowanie. Oczywiście nie jest to możliwe w przypadku modeli funkcjonalnych czy prototypów, natomiast jeśli pragniemy ograniczyć koszty podczas wytwarzania modeli pokazowych, koncepcyjnych czy demonstracyjnych takich jak makiety architektoniczne, figurki czy elementów dekoracyjnych warto sprawdzić jak zmienia się koszt wytworzenia modelu nawet podczas niewielkiego skalowania. Dzieje się tak ze względu na to iż objętość, która przekłada się na zużycie materiału, maleje z “sześcianem”, dlatego np. zmniejszając model kostki o 50% powodujemy spadek masy o prawie 90%!

Jest to szczególny przypadek, poniższa zasada najlepsze efekty odniesie dla technologii proszkowych (dodatkowe struktury wspierające nie są potrzebne) oraz takich w którym wykorzystanie materiału z poprzedniego procesu jest możliwe. Według powyższego najlepsze efekty odniesiemy dla CJP, szczególnie iż modele z tej technologii nie będą nam służyć jako funkcjonalne więc obniżenie wytrzymałości poprzez “wydrążenie” modelu nie powinno wpłynąć na jego użyteczność. Tworzenie skorupy jest korzystne ponieważ cały niezwiązany proszek (w przypadku CJP) możemy wykorzystać w kolejnym procesie, nawet jeśli znajduje się on w wnętrzu modelu. Oczywiście niezbędny do uwzględnienia jest otwór drenażowy, przez który wyciągniemy z wnętrza skorupy niezwiązany materiał. Oczywiście, jeśli zależy nam na większej wytrzymałości i wykonamy taki cienkościenny model w technologii SLS, również odniesiemy korzyści w postaci obniżenia kosztów, a to ze względu na skrócenie czasu skanowania (spiekania) przekrojów.

Jeśli zdecydowaliśmy, iż ten krok będzie dla nas korzystny z pewnością przydatnym narzędziem do edycji już wcześniej wykonanego modelu 3d będzie darmowe narzędzie do edycji plików przeznaczonych do druku 3d – Meshmixer. Zaimportowany model należy poddać operacji Hollow (Application menu -> Edit -> Hollow -> Dobór parametrów -> Zatwierdzenie). Zastosowanie powyższej operacji spowoduje utworzenie cieńkosciennego/wydrążonego modelu, nie tracąc geometrii kształtu powierzchni zewnętrznej.

W większości przypadków chcemy, aby w wytworzonych (wydrukowanych) elementach jak najmniej widać było efekt warstwowości. Oczywiście realizuje się to przez zmianę grubości warstwy na niższą, bądź dodatkową obróbkę wykończeniową (która podniesie ostateczną cenę wyrobu). Każda z technologii ma typowe dla siebie zakresy od minimalnej (najniższej) do maksymalnej (najwyżej) grubości warstwy. Polecam, aby przed wyborem technologii oraz możliwej wysokości warstwy skonsultować się z specjalistą, który doradzi nam czy pożądana przez nas dokładność wymiarowo kształtowa może być spełniona na wyższej warstwie, dzięki czemu ulegnie zmianie całkowita liczba warstw dla budowanego modelu, co przekształci się na krótszy czas pracy urządzenia, a więc i ostatecznie na niższy koszt wytworzenia. Dobrym przykładem w tym przypadku jest technologia FDM, gdzie dzięki zastosowaniu głowicy o większym otworze dyszy wytłaczającej możemy podnieść wysokość warstwy nawet do 1mm! Oczywiście spadnie nam jakość odwzorowania geometrii i wzrośnie wielkość najmniejszych cech geometrycznych możliwych do odtworzenia, lecz są przypadki w których typowe dla tej technologii dokładności (0.1mm, 0.2mm) będą generować zbędne koszty, podnosząc cenę usługi druku 3d.

W ramach wpisu przedstawiłem kilka prostych zasad, które z pewnością pozwolą na bardziej świadome podejście do kosztów wytwarzania ponoszonych przy wykorzystaniu technologii przyrostowych. Niestety jest to jedynie wycinek sposobów na ograniczanie ponoszonych kosztów. Jeśli nie jest się pewnym jaką drogę obrać w przypadku swojego projektu, dobrym wyjściem będzie skonsultowanie się z specjalistami w tej dziedzinie przed ostatecznym zleceniem usługi druku 3d.