Druk 3D w automatyce przemysłowej – nowe możliwości

by Posted on
Zdjęcie do artykułu: Druk 3D w automatyce przemysłowej – nowe możliwości

Spis treści

Rola druku 3D w nowoczesnej automatyce przemysłowej

Druk 3D przestał być gadżetem dla hobbystów, a stał się narzędziem inżynierskim, które realnie zmienia sposób projektowania i utrzymania systemów automatyki przemysłowej. Coraz więcej zakładów wykorzystuje drukarki 3D nie tylko do prototypów, ale też do produkcji funkcjonalnych komponentów, uchwytów, osłon i dedykowanych części linii. To skraca czas wdrożeń, obniża koszty i zwiększa elastyczność całej instalacji.

Automatyka przemysłowa wymaga dziś błyskawicznego reagowania na zmiany w produkcji. Klasyczne podejście – zamawianie obróbki skrawaniem, długie terminy dostaw, konieczność wykorzystywania uniwersalnych komponentów – często hamuje rozwój. Wprowadzenie druku 3D na halę umożliwia tworzenie elementów „pod proces”, a nie odwrotnie. Dzięki temu możliwe jest lepsze dopasowanie urządzeń do produktu, mniejsza liczba przestojów oraz szybsze testowanie nowych koncepcji automatyzacji.

Najpopularniejsze technologie druku 3D w przemyśle

W automatyce przemysłowej nie wszystkie technologie addytywne sprawdzają się jednakowo dobrze. Najczęściej stosowany jest druk FDM/FFF, czyli stapianie i nakładanie filamentu z tworzywa termoplastycznego. Jest relatywnie tani, prosty w obsłudze i wystarczający do większości uchwytów, osłon i obudów. Wraz z rozwojem materiałów inżynieryjnych, takich jak nylon z włóknem węglowym czy PET-G, zwiększa się też wytrzymałość gotowych części.

Drugą grupą technologii są systemy żywiczne SLA/DLP, oferujące wysoką dokładność i gładkie powierzchnie, przydatne np. do detali wymagających precyzyjnych gniazd, kanałów czy miniaturowych elementów sensorów. W zastosowaniach najbardziej wymagających mechanicznie pojawia się druk SLS lub technologie metalowe, lecz wymagają one większych inwestycji i zaplecza. W praktyce wiele zakładów zaczyna od FDM, a dopiero później rozbudowuje park maszynowy o bardziej zaawansowane rozwiązania.

Technologia Typowe zastosowania w automatyce Kluczowe zalety Ograniczenia
FDM/FFF Uchwyty, obudowy, osłony, przyrządy montażowe Niski koszt, prosta obsługa, szeroka gama materiałów Widoczne warstwy, ograniczona dokładność małych detali
SLA/DLP Precyzyjne elementy, małe części, formy do odlewów Wysoka dokładność, gładkie powierzchnie Wrażliwość na UV, bardziej wymagający proces post-processingu
SLS Trwałe, złożone elementy funkcjonalne Brak podpór, dobra wytrzymałość, swoboda geometrii Wysoki koszt sprzętu, większe wymagania BHP

Elementy mechaniczne i części maszyn

Jednym z najbardziej oczywistych obszarów zastosowania druku 3D w automatyce są elementy mechaniczne. Mowa zarówno o prostych dystansach, osłonach łożysk czy prowadnic, jak i o bardziej złożonych komponentach, takich jak chwytaki robotów, formatki prowadzące produkt czy segmenty przenośników. Projektanci mogą tworzyć geometrię idealnie dopasowaną do kształtu detalu, bez konieczności stosowania standardowych, kompromisowych rozwiązań.

W praktyce dobrze sprawdza się drukowanie części niekrytycznych dla bezpieczeństwa, ale kluczowych dla niezawodności procesu. Przykładem są: adaptery do czujników, prowadnice butelek i puszek, uchwyty wizyjne, prowadzenia przewodów. Drukując elementy w materiałach odpornych na ścieranie (np. nylon, PA z dodatkami) można zastąpić tradycyjne elementy z tworzyw obrabianych CNC, skracając czas realizacji z tygodni do godzin. Często wystarczy delikatne przeprojektowanie części pod technologię addytywną, by uzyskać wystarczającą sztywność i trwałość.

Korzyści z druku mechanicznych części linii

Wprowadzenie druku 3D do działu konstrukcyjnego i utrzymania ruchu przekłada się na bardzo konkretne oszczędności. Zamiast zamawiać pojedyncze elementy u podwykonawcy, inżynier czy technolog może sam przygotować model 3D i wydrukować go na miejscu. Redukuje to koszty logistyki, magazynowania i zakupów małoseryjnych. Równie ważna jest możliwość szybkiej iteracji: jeśli pierwszy projekt nie jest idealny, zmiana modelu i kolejny wydruk zajmuje zwykle mniej niż dzień.

  • mniejsza liczba przestojów dzięki szybkim naprawom;
  • niższy koszt pojedynczych, nietypowych części;
  • łatwiejsza standaryzacja rozwiązań w wielu gniazdach;
  • możliwość lekkich, a jednocześnie wytrzymałych konstrukcji kratownicowych.

Obudowy, złącza i komponenty elektryczne

Automatyka przemysłowa to także ogromna liczba elementów elektrycznych i elektronicznych, które wymagają obudów, uchwytów i dedykowanych adapterów. Druk 3D idealnie sprawdza się do projektowania kastomizowanych obudów do modułów PLC, zasilaczy, konwerterów sygnału czy modułów bezpieczeństwa montowanych w trudno dostępnych miejscach. Pozwala to lepiej wykorzystać przestrzeń w szafach i na maszynach, zachowując porządek oraz właściwe prowadzenie kabli.

W wielu zakładach drukuje się także korytka, klamry i oznaczniki kabli, dopasowane do konkretnej instalacji. Przy użyciu materiałów odpornych na podwyższoną temperaturę i promieniowanie UV można tworzyć elementy pracujące w trudnych warunkach, np. w pobliżu pieców czy lamp UV. Jednocześnie należy pamiętać o spełnieniu norm dotyczących palności i izolacji – w przypadku komponentów mających kontakt z wysokim napięciem często wymagane są certyfikowane materiały o określonych parametrach dielektrycznych i klasie ognioodporności.

Przykłady zastosowań w obszarze elektryki

W praktyce drukowane są m.in. uchwyty na listwy zaciskowe, adaptery do nietypowych szyn montażowych, prowadnice do czujników optycznych oraz małe moduły do integracji kilku urządzeń w jedną, kompaktową całość. Tam, gdzie kiedyś trzeba było dorabiać elementy z blachy lub korzystać z gotowych, źle dopasowanych obudów, dziś można zaprojektować dokładnie taki kształt, jaki dyktuje logika instalacji. Dodatkową zaletą jest możliwość drukowania opisów, grawerów lub znaczników bezpośrednio na powierzchni modeli.

  • obudowy do customowych sterowników lub interfejsów HMI;
  • moduły do montażu czujników w istniejących maszynach;
  • osłony zacisków i złącz poprawiające bezpieczeństwo;
  • indywidualne ramki i panele do rozdzielnic i pulpitów sterowniczych.

Narzędzia, uchwyty, przyrządy montażowe

W wielu projektach automatyki przemysłowej wyzwanie nie kończy się na zaprojektowaniu samej maszyny. Równie istotne są narzędzia montażowe, uchwyty produkcyjne oraz przyrządy kontrolne dla operatorów i służb utrzymania ruchu. Druk 3D znakomicie sprawdza się w tworzeniu ergonomicznych uchwytów, przyrządów pozycjonujących oraz dedykowanych szablonów wierceń czy oznaczeń. To drobne elementy, które znacząco poprawiają powtarzalność i skracają czas przezbrojeń linii.

Dobrym przykładem są uchwyty montażowe do czujników i głowic wizyjnych, umożliwiające szybkie i powtarzalne ustawienie położenia względem produktu. Dzięki drukowi 3D można wbudować w taki uchwyt gniazda na śruby, prowadzenie kabli i elementy antykolizyjne. W połączeniu z odpowiednio dobranym materiałem, np. wzmocnionym włóknem szklanym, narzędzie jest wystarczająco trwałe, by pracować w kilkuzmianowej produkcji. Projekty takich przyrządów mogą być szybko modyfikowane w zależności od potrzeb kolejnych serii produkcyjnych.

Szybkie prototypowanie w automatyce

Szybkie prototypowanie to obszar, w którym druk 3D od lat jest standardem, jednak w automatyce przemysłowej wciąż ma niewykorzystany potencjał. Projektanci układów transportowych, stanowisk zrobotyzowanych czy systemów wizyjnych mogą w ciągu jednego dnia przejść od koncepcji do fizycznego modelu, który pozwoli ocenić ergonomię, dostęp serwisowy i potencjalne kolizje. To przyspiesza proces decyzyjny i ogranicza ryzyko kosztownych błędów na etapie wykonawstwa.

W praktyce warto łączyć wirtualne symulacje z fizycznymi makietami. Drukowane elementy można tymczasowo zamontować na maszynie, sprawdzić drogę przewodów, zakres ruchu ramion czy widoczność elementów dla kamer. Nawet jeśli ostatecznie część zostanie wykonana z metalu, prototyp z tworzywa pozwala szybko zebrać uwagi operatorów i technologów. Takie podejście wspiera kulturę ciągłego doskonalenia – łatwiej jest testować małe usprawnienia, gdy ich przygotowanie trwa kilka godzin, a nie tygodnie.

Utrzymanie ruchu i części zamienne na żądanie

Działy utrzymania ruchu są jednymi z największych beneficjentów wdrożenia druku 3D. Możliwość wydrukowania brakującego elementu „na żądanie” skraca przestoje i uniezależnia zakład od długich łańcuchów dostaw. Dotyczy to zarówno prostych części, jak rolki, klamry, uchwyty, jak i bardziej złożonych komponentów, których producent już nie oferuje. Cyfrowa baza modeli 3D może stać się nową formą magazynu, w której „składowane” są pliki, a nie fizyczne części.

W przypadku starszych linii, dla których części zamienne są trudno dostępne, inżynierowie często odtwarzają elementy na podstawie pomiarów i skanów 3D. Po kilku iteracjach powstaje model, który można drukować zawsze, gdy będzie potrzebny. Oczywiście, w przypadku części wpływających na bezpieczeństwo maszyn lub mających kontakt z żywnością, wymagane są dodatkowe analizy i często inne technologie wytwarzania. Jednak dla szerokiej grupy komponentów pomocniczych druk 3D jest wystarczający zarówno pod względem wytrzymałości, jak i precyzji.

Przykładowy workflow w dziale utrzymania ruchu

Aby w pełni wykorzystać potencjał druku 3D, warto ustandaryzować proces od pomysłu do gotowej części. Pozwala to uniknąć chaosu, zbyt wielu nieudanych wydruków i problemów z wersjonowaniem modeli. Poniżej przykładowa sekwencja kroków, którą można dostosować do realiów zakładu:

  1. Identyfikacja części, które często ulegają uszkodzeniom lub są trudno dostępne.
  2. Przygotowanie modelu 3D (CAD lub skan 3D) oraz nadanie mu numeru identyfikacyjnego.
  3. Dobór materiału i technologii druku pod kątem obciążeń i środowiska pracy.
  4. Test wydrukowanej części w bezpiecznych warunkach, dokumentacja wyników.
  5. Włączenie zaakceptowanego modelu do wewnętrznej bazy „cyfrowych części zamiennych”.

Jak zorganizować wdrożenie druku 3D w zakładzie

Samo kupno drukarki 3D nie gwarantuje sukcesu. Kluczowe jest zbudowanie kompetencji i procesów wokół tej technologii. W mniejszych firmach często wystarczy jedna osoba odpowiedzialna za druk i podstawowe projektowanie, współpracująca z działem automatyki i UR. W większych zakładach warto powołać małe „centrum druku 3D”, które obsługuje różne działy i dba o standaryzację materiałów, profili druku oraz biblioteki modeli. Dzięki temu unikniemy sytuacji, w której każdy drukuje „po swojemu”.

Ważnym elementem jest też wybór oprogramowania CAD oraz systemu zarządzania plikami. Modele powinny być opisane, wersjonowane i przypisane do konkretnych maszyn lub projektów. Dodatkowo opłaca się przygotować proste wytyczne projektowe dla inżynierów: minimalne grubości ścianek, zalecane kierunki druku, dopuszczalne obciążenia. Takie „design guidelines” znacznie podnoszą odsetek udanych wydruków i skracają czas od pomysłu do wdrożenia. Nie należy też pomijać szkolenia operatorów w zakresie BHP i podstaw obsługi sprzętu.

Bezpieczeństwo, jakość i ograniczenia

Mimo licznych zalet, druk 3D w automatyce przemysłowej ma także ograniczenia, których nie można ignorować. Części drukowane z tworzyw są wrażliwe na temperaturę, starzenie i zmęczenie materiału, dlatego nie powinny zastępować kluczowych elementów nośnych czy bezpieczeństwa bez odpowiednich obliczeń i testów. Należy także pamiętać o normach branżowych – w aplikacjach związanych z żywnością, farmacją czy strefami zagrożonymi wybuchem konieczna jest szczególna ostrożność i stosowanie certyfikowanych materiałów.

Kontrola jakości wydruków to kolejny istotny obszar. W praktyce sprawdzają się proste procedury: wizualna ocena warstw, kontrola wymiarów na podstawowych punktach pomiarowych, test funkcjonalny na stanowisku. W razie potrzeby można wprowadzić okresowe inspekcje elementów pracujących w trudnych warunkach, np. z wysoką temperaturą lub silnymi drganiami. Dzięki temu druk 3D staje się narzędziem w pełni wpisanym w system zarządzania jakością, a nie tylko „warsztatem prototypowym” na marginesie produkcji.

Podsumowanie

Druk 3D w automatyce przemysłowej otwiera nowe możliwości w projektowaniu maszyn, utrzymaniu ruchu i optymalizacji procesów. Pozwala szybko tworzyć dedykowane elementy mechaniczne, obudowy elektryczne, narzędzia i przyrządy montażowe, skracając czas wdrożeń i ograniczając koszty. Kluczem do sukcesu jest świadome dobranie technologii, materiałów i obszarów zastosowań oraz włączenie druku 3D w istniejące procedury jakościowe i projektowe. W rezultacie zakład zyskuje większą elastyczność, krótsze przestoje i realną przewagę konkurencyjną w coraz bardziej zautomatyzowanym przemyśle.

Published by Szefler