Prípadová štúdia: Aplikácia veľkoformátovej 3D tlače pri tvorbe funkčných a dizajnových objektov

Veľkoformátová aditívna výroba je technológia určená na výrobu rozmerovo väčších objektov, prototypov a špecifických dielov pomocou postupného nanášania materiálu vo vrstvách. V porovnaní s klasickou aditívnou výrobou umožňuje pracovať s väčším objemom materiálu, väčším pracovným priestorom a objektmi, ktoré by bolo bežnými zariadeniami náročné alebo nemožné vyrobiť v požadovanom rozmere. Pri tejto technológii je dôležitá najmä príprava digitálneho modelu, orientácia objektu, návrh tlačovej trajektórie a správne nastavenie technologických parametrov. Výslednú kvalitu ovplyvňuje spôsob vrstvenia, stabilita objektu počas výroby, správanie použitého materiálu a požiadavky na finálny povrch. Pri niektorých výstupoch môže byť vrstvená štruktúra súčasťou dizajnu, pri technických dieloch môže naopak vyžadovať dodatočné opracovanie. Pri veľkoformátovej tlači zohráva významnú úlohu aj priebežná kontrola procesu, keďže prípadná chyba sa môže prejaviť až po vytlačení väčšieho objemu materiálu. Dôležitá je preto správna kalibrácia zariadenia, nastavenie počiatočnej vrstvy a kontrola nadväzovania jednotlivých vrstiev počas výroby. Cieľom prípadovej štúdie bolo zdokumentovať vybrané realizácie a zhodnotiť možnosti využitia veľkoformátovej aditívnej výroby pri tvorbe dekoračných, prototypových a funkčných objektov. Hodnotenie bolo zamerané najmä na vhodnosť použitého materiálu, kvalitu výsledného tvaru, povrchovú štruktúru a praktické využitie jednotlivých výstupov.

Dizajnový dekoračný objekt z PLA biokompozitu s 40 % podielom drevnej prímesi

Realizovaným výstupom bol dizajnový dekoračný objekt vytvorený z PLA biokompozitu s 40 % podielom drevnej prímesi. Objekt bol navrhnutý ako štylizovaný vertikálny prvok so stupňovitou geometriou, ktorá vychádza z tvaru stromčeka. Hlavným zámerom bolo overiť možnosti tlače väčšieho priestorového objektu z materiálu s prírodným vizuálnym charakterom. Použitý materiál bol zvolený z dôvodu jeho špecifického vzhľadu, keďže drevná prímes dodáva povrchu prirodzenejší farebný odtieň a štruktúru. Pri výrobe bolo možné sledovať správanie biokompozitu počas extrúzie, rovnomernosť nanášania jednotlivých vrstiev a stabilitu objektu pri postupnom zvyšovaní jeho výšky. Geometria objektu pozostávala z viacerých horizontálne členených úrovní, ktoré vytvárali výraznú vrstvenú siluetu. Viditeľné vrstvy materiálu v tomto prípade nepôsobia ako technologický nedostatok, ale stávajú sa súčasťou výsledného dizajnu. Povrchová štruktúra zároveň podporuje prírodný charakter použitého materiálu. Výsledný objekt ukázal vhodnosť PLA biokompozitu s drevnou prímesou pri tvorbe dekoračných a interiérových prvkov. Realizácia potvrdila, že kombinácia digitálneho návrhu, aditívneho nanášania materiálu a kompozitného materiálu umožňuje vytvárať tvarovo výrazné objekty bez potreby dodatočného skladania alebo použitia formy.

Prototyp dizajnového kresla

Jedným z ďalších realizovaných výstupov bol prototyp dizajnového kresla z materiálu PLA, vytvorený ako objemový interiérový objekt s integrovanou sedacou časťou a operadlom. Cieľom realizácie bolo overiť možnosti aditívnej výroby pri tvorbe väčšieho funkčného prvku, ktorý spája nosnú, sedaciu a opornú časť do jedného kompaktného tvaru. Pri návrhu bolo potrebné zohľadniť najmä orientáciu modelu pri tlači, stabilitu objektu počas výroby, plynulé prechody medzi jednotlivými časťami a dostatočnú tuhosť výslednej geometrie. Orientácia modelu bola zvolená tak, aby bola zabezpečená čo najväčšia kontaktná plocha so základňou, plynulé vrstvenie materiálu a minimalizácia rizika deformácie počas postupného zvyšovania výšky objektu. Tvar kresla pozostáva zo základne, sedacej plochy a zvýšenej zadnej časti, ktorá plní funkciu operadla. Výsledný objekt predstavuje overenie návrhu dizajnového kresla v prototypovej fáze. Realizácia ukázala potenciál aditívnej výroby pri tvorbe nábytkových dielov, najmä v prípadoch, kde je potrebné rýchlo overiť tvar, ergonómiu a celkový priestorový výraz navrhovaného objektu.

Vodiaci prvok pre nite tkáčskeho stroja

V tomto prípade bola aditívna výroba použitá na zhotovenie náhradného dielu pre tkáčsky stroj. Potreba výroby vznikla z dôvodu nedostupnosti pôvodného komponentu, ktorý už nebolo možné zabezpečiť ako štandardný náhradný diel. Riešením preto bolo vytvorenie nového dielu podľa požadovanej funkcie a rozmerov pôvodného prvku. Komponent slúži na vedenie a rozdelenie nití v pracovnej časti stroja. Pri návrhu bolo potrebné zohľadniť pravidelné rozmiestnenie jednotlivých vodiacich prvkov, ich rozstupy a celkovú tuhosť dielu. Dôležitá bola aj kvalita povrchu, keďže diel prichádza do kontaktu s vláknami a nesmie spôsobovať ich zachytávanie alebo poškodenie počas prevádzky. Výroba náhradného komponentu umožnila obnoviť funkčnosť zariadenia bez nutnosti zásahu do pôvodnej konštrukcie tkáčskeho stroja. Tento prípad ukazuje praktické využitie 3D tlače pri údržbe starších zariadení, pri ktorých je dostupnosť originálnych náhradných dielov obmedzená. Realizácia potvrdila, že aditívna výroba je vhodným riešením pri výrobe individuálnych funkčných komponentov, najmä ak je potrebné rýchlo nahradiť nedostupný diel s presne definovanou geometriou.

Dizajnové vázy z PETG materiálu

Ďalšou skupinou realizovaných výstupov boli experimentálne dizajnové vázy vyrobené z PETG materiálu. Cieľom tejto realizácie bolo overiť možnosti tlače dekoračných objektov s rozdielnym tvarovým riešením, povrchovým charakterom a vizuálnym efektom materiálu. Pri vázach bol použitý PETG materiál s mramorovým efektom, ktorý vzhľadovo imituje kamenný povrch. Na týchto objektoch sa zároveň skúšala nerovinná tlač, pri ktorej sa tlačová trajektória nevedie iba v klasických horizontálnych vrstvách, ale čiastočne sleduje tvarovú geometriu objektu. Tento spôsob tlače umožňuje vytvoriť plynulejší povrchový prechod a dosiahnuť odlišný vizuálny výsledok oproti bežnému vrstveniu.

Spodné vázy boli realizované z transparentného PETG materiálu. Pri tomto type materiálu sa výraznejšie prejavila priehľadnosť, lom svetla a vnútorná štruktúra vrstiev. Výsledný efekt bol preto odlišný od váz s mramorovým vzhľadom, aj keď boli objekty vyrobené rovnakým základným technologickým princípom. Realizácia ukázala, že PETG je vhodný materiál pre výrobu dizajnových a dekoračných prvkov, pri ktorých je dôležitá kombinácia tvaru, povrchovej štruktúry a vizuálneho pôsobenia. Zároveň sa potvrdilo, že zmena tlačovej stratégie a farebného prevedenia materiálu výrazne ovplyvňuje výsledný charakter objektu.

Ozdobná misa z PLA biokompozitu s 40 % podielom drevnej prímesi

Ozdobná misa bola vyrobená z PLA biokompozitu s 40 % podielom drevnej prímesi. Objekt slúžil ako ukážka využitia materiálu pri menšom dekoračnom predmete s výraznou zvlnenou geometriou. Tvar misy je založený na pravidelne sa opakujúcom reliéfe po obvode objektu. Vrstvená štruktúra tlače v kombinácii s drevnou prímesou vytvára povrch s prírodným charakterom a zároveň zvýrazňuje plastický tvar výrobku. Pri tomto výstupe bol dôraz kladený najmä na estetické pôsobenie objektu. Kombinácia zvlneného profilu, svetlého odtieňa materiálu a viditeľného vrstvenia vytvorila výrazný dekoratívny charakter bez potreby ďalšej povrchovej úpravy.

Trvanie projektu:

Projekt je rozdelený do piatich pracovných balíkov a realizuje sa v časovom horizonte 24 mesiacov.

Pracovné balíky: 

PB1: Analýza LFAM – Zhodnotenie aktuálnych trendov, technológií a materiálov pre veľkoformátovú aditívnu výrobu a vytvorenie databázy dostupných riešení.

PB2: Preprocesing dát – Optimalizácia softvérových nástrojov na generovanie dráh tlače a príprava metodiky na efektívne spracovanie vstupných modelov.

PB3: Vývoj algoritmov – Návrh a testovanie algoritmov pre efektívne generovanie dráh tlače s dôrazom na úsporu materiálu a skrátenie výrobných časov.

PB4: Implementácia LFAM – Integrácia modernizovaných softvérových a hardvérových riešení do existujúcich výrobných procesov a validácia technologických inovácií.

PB5: Experimentálne testovanie – Overenie a optimalizácia parametrov veľkoformátovej 3D tlače prostredníctvom testovacích výtlačkov a analýzy ich kvality.

Očakávané prínosy:

Projekt prinesie významné inovácie v oblasti veľkoformátovej 3D tlače a aditívnej výroby, čo môže mať široký dopad na priemysel, výskum a ekologické aspekty výroby. Medzi hlavné prínosy patria:

• Zvýšenie efektivity výroby: Implementácia pokročilých algoritmov umožní rýchlejšiu a presnejšiu tlač s minimalizáciou odpadu a nižšími nákladmi na materiál.
• Zlepšenie kvality a spoľahlivosti výrobných procesov: Optimalizácia dráh tlače a parametrizácia tlačových podmienok povedie k vyššej rozmerovej presnosti a lepšej mechanickej odolnosti výtlačkov.
• Podpora udržateľnosti a ekológie: Využitie recyklovaných materiálov a efektívnejšie hospodárenie so vstupnými surovinami prispeje k environmentálnej udržateľnosti výroby.
• Inovácie pre priemysel: Výstupy projektu môžu byť aplikované v oblastiach ako automobilový, letecký a stavebný priemysel, kde je dopyt po veľkoformátových 3D tlačených komponentoch.
• Rozvoj odborných kompetencií: Projekt prispeje k rozšíreniu znalostí a praktických skúseností tímu v oblasti LFAM, čo posilní konkurencieschopnosť pracoviska a jeho zamestnancov.
• Transfer poznatkov do praxe: Výsledky výskumu a technologické riešenia budú prezentované na odborných konferenciách, workshopoch a školeniach pre priemyselných partnerov.

Projekt podporený: