Ukratko

Aditivna proizvodnja je treći način proizvodnje. Prva dva su oduzimanje materijala (glodanje, struganje, bušenje) i oblikovanje materijala (livenje, kovanje, presovanje, brizganje). Aditivna proizvodnja ne zamenjuje ta dva pristupa, već im dodaje treću putanju, gradnju dela sloj po sloj iz 3D modela.

Najveća greška koju vidim u kompanijama je da aditivnu proizvodnju tretiraju kao drugi put do istog, već postojećeg dizajna. Deo projektovan za CNC obradu ili livenje gotovo nikada ne radi u potpunosti dobro kada se bez izmena prenese u 3D štampu. A ako radi bez ikakvih izmena, to je znak da taj deo verovatno ne treba ni štampati, jer nije iskorišćena nijedna prednost, a cena će biti veća.

Zato postoji DfAM (Design for Additive Manufacturing), projektovanje za aditivnu proizvodnju. To je pristup koji polazi od mogućnosti i ograničenja same tehnologije, a ne od navika stečenih kroz druge metode proizvodnje.

Tri načina proizvodnje, jedan pored drugog

Međunarodni standard ISO/ASTM 52900 definiše aditivnu proizvodnju kao spajanje materijala radi izrade delova iz podataka 3D modela, obično sloj po sloj, za razliku od suptraktivnih (oduzimanje) i formativnih (oblikovanje) metoda. Dakle, i sam standard je postavlja kao treći put, a ne kao zamenu.

Ne volim izraz "konvencionalna proizvodnja" za prva dva načina. Aditivna proizvodnja i sama postaje konvencionalna, pa je ne treba predstavljati kao nešto egzotično. Pravo pitanje nije koja je metoda modernija, već koja odgovara konkretnom delu.

Oduzimanje materijala Oblikovanje materijala Dodavanje materijala (aditivna)
Princip Skida se višak sa sirovca Materijal se oblikuje u kalupu ili alatu Deo se gradi sloj po sloj iz 3D modela
Tipični procesi Glodanje, struganje, bušenje, brušenje Livenje, kovanje, presovanje, brizganje Fuzija praha, ekstruzija materijala, fotopolimerizacija, DED
Namenski alat za deo Nije potreban, koriste se standardni rezni alati Potreban kalup ili alat, često skup Nije potreban
Geometrija Ograničena pristupom alata Ograničena izvlačenjem iz kalupa Unutrašnji kanali i složeni oblici su mogući
Gde je najjači Precizne površine, tolerancije Velike serije, niska cena po komadu Male i srednje serije, složena geometrija, konsolidacija

Istorija ovog trećeg puta, od prvih patenata do isteka ključnih patenata, opisana je u tekstu kratka istorija aditivne proizvodnje. Ovde se bavim time šta taj treći put znači za projektovanje.

Zašto je DfAM neophodan, a ne opcion

Gradnja sloj po sloj otvara mogućnosti koje su kod druge dve metode nemoguće ili ekonomski neopravdane. Ako se te mogućnosti ne iskoriste, a deo se samo prekopira iz CAD fajla namenjenog obradi, klijent dobija skuplji deo bez ijedne prednosti. O tome kada aditivna proizvodnja ima smisla, a kada nema, pisao sam posebno.

Pre samog projektovanja korisno je uraditi analizu proizvodnje, da bi se znalo šta se od dela zaista traži pre nego što se donesu odluke o geometriji.

Tri primera pokazuju o čemu se radi.

Generativni dizajn

Generativni dizajn, zasnovan na FEM analizi (metodi konačnih elemenata) i stvarnim mehaničkim osobinama materijala, uklanja materijal tamo gde ne doprinosi nosivosti. Rezultat je lakši deo koji je po performansama jednak originalu ili bolji. Topološka optimizacija i generativni dizajn su u suštini ista ideja, pa koristim jedan izraz. Ovo je posebno važno u vazduhoplovnoj (aerospace) i automobilskoj industriji, gde svaki gram ima direktnu cenu.

Konsolidacija sklopova

Po mom iskustvu, konsolidacija sklopova je danas glavna stvar. Tu se najviše štedi novac i vreme. Više delova koji su ranije spajani zavrtnjima (šrafovima), zavarivanjem ili lepljenjem projektuje se kao jedan deo. Time nestaju tačke potencijalnog otkaza i skraćuje se montaža. Više o tome pišem u tekstu o konsolidaciji sklopova.

BMW je to prepoznao odavno. Već 2018. godine BMW je objavio da je za deset godina proizveo milion 3D štampanih delova, a nosač mehanizma mekog krova za i8 Roadster bio je prvi štampani metalni deo u njihovoj serijskoj proizvodnji. Taj nosač je 44% lakši od nosača prethodnog modela i projektovan je tako da se štampa bez suporta, više od 600 komada u jednoj izradi.

Dobar noviji primer su preklopni mobilni telefoni. Honor je 2023. godine za model Magic V2 uveo poklopac osovine šarke od titanijumske legure, izrađen laserskom fuzijom metalnog praha (PBF-LB). OPPO je 2025. za Find N5 štampao delove šarke od titanijuma Grade 5. Ne bih rekao da bez 3D štampe ne bi bilo preklopnih telefona, ali je ona omogućila tako male i tanke delove šarki u tako velikom broju, što bi drugim postupcima bilo vrlo komplikovano.

Unutrašnje geometrije i konformni kanali

Kanali za hlađenje u alatima za brizganje plastike i livenje pod pritiskom kod aditivne izrade mogu pratiti oblik šupljine alata. Kod bušenja su ograničeni pravolinijskom putanjom burgije. Zato se zovu konformni, jer njihov oblik konformno prati, odnosno kopira, geometriju šupljine. Ta razlika direktno utiče na ravnomernost i brzinu hlađenja, a time i na trajanje ciklusa. U jednoj studiji iz 2023. godine, alat sa konformnim kanalima izrađen metalnom 3D štampom skratio je ciklus brizganja za 38% u odnosu na klasične kanale.

Pet osnovnih principa DfAM pristupa

Pet osnovnih principa DfAM pristupa, od opterećenja do naknadne obrade

Prvi princip, razmišljanje u funkciji opterećenja

Ne polazi se od toga šta je izvodljivo drugim metodama. Umesto pitanja da li deo može da se izradi, pravo pitanje glasi gde deo zaista nosi opterećenje i gde se materijal može ukloniti.

Drugi princip, svest o anizotropiji

Anizotropija znači da svojstva materijala zavise od pravca. Kod većine procesa aditivne proizvodnje mehanička svojstva zavise od orijentacije sloja. Deo koji izdrži opterećenje u jednom pravcu može popustiti u drugom. Zato se orijentacija štampe planira unapred, prema stvarnom opterećenju u eksploataciji.

Treći princip, planiranje suporta već u fazi dizajna

Suport, odnosno ponekad potporne strukture, nije naknadna korekcija, već sastavni deo procesa. Deo se projektuje tako da na kritičnim površinama bude što manje suporta, jer njegovo uklanjanje ostavlja tragove i traži dodatnu obradu. Ovo je posebno važno kod metalne štampe. Manje suporta znatno olakšava naknadnu obradu i direktno smanjuje cenu dela.

Četvrti princip, debljina zidova prema stvarnom opterećenju

Ovde postoje dva odvojena ograničenja. Prvo je fizičko ograničenje mašine, odnosno prečnik dizne ili laserskog snopa, koji određuje najtanji trag koji mašina uopšte može da nanese. Drugo, često važnije, jeste da najtanji izvodljiv trag ne znači i funkcionalno nosiv zid. Zid može biti izvodljiv za štampu, a da u eksploataciji ne izdrži opterećenje. Debljina se zato određuje prema stvarnom opterećenju, a ne samo prema tome šta mašina može da odštampa.

Peti princip, naknadna obrada i njen redosled

Ako deo traži peskiranje, infiltraciju, termičku obradu ili mehaničku obradu posle štampe, geometrija mora ostaviti prostor za te operacije. To uključuje i dodatak materijala tamo gde će se naknadno skidati. Jednako je važan i redosled operacija. Na primer, termička obrada posle mehaničke dorade, umesto pre nje, može promeniti dimenzije ili svojstva dela i poništiti prethodni korak.

Koliko naknadna obrada utiče na cenu, pokazuje primer Honorove šarke. Prema pisanju časopisa Metal AM, sirovi štampani deo košta oko 4 dolara, a brušenje i poliranje dodaju još oko 40 dolara.

DfAM nije univerzalan, zavisi od procesa

Pravila za FDM štampu filamentima punjenim seckanim karbonskim vlaknima nisu ista kao pravila za SLS praškaste procese ili za DED procese, gde je, na primer, prečnik žice jedno od osnovnih ograničenja. Svaka tehnologija ima sopstvena ograničenja ugla overhenga, minimalne debljine zida, potrebe za suportom i dostupnih materijala. Pregled razlika po tehnologijama nalazi se u tekstovima o tehnologijama i procesima.

Kod materijala treba imati realna očekivanja. Po mojoj proceni, za aditivnu proizvodnju danas postoji nekoliko hiljada kvalifikovanih materijala. Za inženjerstvo uopšte, Ashby navodi da je dostupno 160.000 materijala ili više. Moguće je razviti ili prilagoditi gotovo bilo koji materijal za aditivnu proizvodnju, ali je to skup i dug proces koji se isplati samo u posebnim slučajevima. Za veliku većinu primena projekat se mora uklopiti u ono što je trenutno dostupno na tržištu. Kako se tome pristupa, objašnjavam u tekstu o tome kako izabrati pravi materijal bez nagađanja.

Zbog toga se ozbiljan DfAM uvek radi u kontekstu konkretne mašine i konkretnog materijala, a ne kao apstraktan skup pravila. Za metalne delove rađene laserskom fuzijom praha prvu proveru geometrije možete uraditi besplatno u alatu SLM DFAM Checker.

Česta pitanja

Šta znači da je aditivna proizvodnja treći način proizvodnje? Delovi se mogu praviti oduzimanjem materijala (obrada), oblikovanjem materijala (livenje, kovanje, brizganje) ili dodavanjem materijala sloj po sloj. Aditivna proizvodnja je taj treći put. Ona ne zamenjuje prva dva, već ih dopunjuje tamo gde donosi prednost.

Šta je DfAM? DfAM (Design for Additive Manufacturing) je projektovanje za aditivnu proizvodnju. To je pristup koji polazi od mogućnosti i ograničenja konkretne tehnologije štampe, umesto od pravila nasleđenih iz obrade ili livenja.

Da li mogu da odštampam deo koji je projektovan za CNC obradu? Uglavnom može, ali retko kada ima smisla. Takav deo obično bude skuplji, a ne koristi nijednu prednost aditivne proizvodnje. Ako deo radi dobro bez ikakvih izmena, to je često znak da ga ne treba štampati.

Zašto se kanali za hlađenje zovu konformni? Zato što njihov oblik prati, odnosno kopira, oblik šupljine alata. Bušeni kanali mogu ići samo pravolinijski. Konformni kanali ravnomernije hlade alat i skraćuju ciklus, u jednoj studiji iz 2023. godine za 38%.

Zašto je orijentacija štampe toliko važna? Kod većine procesa aditivne proizvodnje svojstva dela zavise od pravca u odnosu na slojeve. Deo može biti jak u jednom pravcu, a slabiji u drugom. Zato se orijentacija bira prema stvarnom opterećenju još u fazi projektovanja.

Da li ista DfAM pravila važe za sve tehnologije? Ne. Ugao overhenga, minimalna debljina zida, potreba za suportom i dostupni materijali razlikuju se između FDM, SLS, DED i metalne fuzije praha. DfAM se uvek radi za konkretnu mašinu i konkretan materijal.

Izvori