Varga Szabolcs
Varga Szabolcs

Az acél karácsonyfa önmagában meglepő eredmény, de ennél sokkal hasznosabb alkalmazási területei is vannak a 3D nyomtatási technológia ipari alkalmazásának. A Siemens berlini gázturbinagyárában megnéztük, hogyan születnek olyan alkatrészek, amelyeket fél évvel ezelőtt még le sem tudtak volna gyártani. Lehet-e gázturbinát nyomtatni?

A 3D nyomtatás körüli hype és a technológiában rejlő lehengerlő potenciál ellenére maga a tevékenység fizikai megjelenésében meglehetősen alulmúlja az ember várakozásait. Az izgalmas prezentációk és hosszas beszélgetések után izgatottan léptünk be nemzetközi újságírók egy csoportjával a Siemens németországi 3D kutatólaborjába, hogy szemügyre vehessük, hogyan készülnek a cég által gyártott gázturbinák egyes alkatrészei.

A húsz négyzetméteres helyiségben mindössze három nagyobb gépezet van, ezek szemmagasságban elhelyezett ablakán lehet kukucskálni. A berendezések erősen emlékeztetnek a mikrohullámú sütőre, csak éppen nem a teában felejtett kanál szikrázik benne, hanem szürke acélporon cikázó lézernyaláb, ami viszont láthatatlan, így csak a szikra marad vizuális élménynek. Ez a jelenség azonban lázban tartja a német óriásvállalat mérnökeit, bár nem a látvány, inkább a végeredmény miatt, ugyanis a technológiával olcsóbbá és gyorsabbá válik a bonyolult szerkezetű acél alkatrészek előállítása.

Tervezőasztalról a gyártósorra
©

"Amikor a lézer találkozik az acélporral, az 1500 Celsius-fok fölé hevül, a részecskék pedig összeolvadnak. Egy számítógép vezérli a lézernyaláb útját, ami egy beprogramozott mintát rajzol át, majd ahogy a végére ér, az egész tálca alig érzékelhető módon megsüllyed, és egy szkennerre emlékeztető gépezet 0,05 mm-es újabb acélréteget hint a munkalapra. Ekkor a folyamat kezdődik előröl" – magyarázta a "nyomtatás" folyamatát  Ursus Krüger, a 3D kutatócsoport vezetője.

Új ipari forradalom?

A 3D nyomtatás leggyakoribb alkalmazásterülete a rapid prototípus-készítés, amely nem újdonság az ipari alkalmazás területén sem, ám a tömeggyártás folyamatában eddig még nem alkalmazták. A hagyományos ipari eljárásokkal szemben, a 3D nyomtatásnál a tárgyat apró részek összeragasztásával alkotják meg, amíg a hagyományos ipari gyártási folyamatokban általában forgácsolással, marással egy nagyobb tömb nyersanyagból hozzák létre.

Nyomtassa ki otthon!

A 3D nyomtatók ma már a lakossági fogyasztók számára is elérhetővé váltak, akár a nappaliban is elkészíthetőek egyedi, személyre szabott tárgyak. Az otthoni és kis szériás tárgyalkotás, a profi és hobbi-designerek igényeinek kiszolgálására alapított céget a hazai internet fejlődésében és a magyar startup ökoszisztémában is ismert Simó György kockázati befektető. "A 3D nyomtatás Magyarországon egyelőre kísérleti fázisban van. Ugyan megjelentek már az első vásárlók, az úgynevezett early adopterek, akik fogékonyak az új technológiákra, ám még várni kell az áttörésre" – mondta el kérdésünkre, majd hozzátette, hogy a jelenlegi megrendelők között ügynökségeket, designereket vagy tervezőket találni, akik jellemzően kísérletező kisvállalkozások. De azért ékszertervezők és iskolák is vannak a vásárlók között. A befektető szerint az iskolai használat bevezetése az egyik kulcseleme a technológia terjesztésének, ami véleménye szerint egyre inkább feljövőben van. "Persze sok múlik a magyar piac felvevőképességén és a gazdaság teljesítményén is. Értelemszerűen egy konjunkturális gazdaságban gyorsabban végbemegy ez a folyamat" – mondja a 3D technológián alapuló szolgáltatásokat kínáló FRE3DEE printing solutions alapítója. A cég honlapján négy különböző nyomtatót lehet megrendelni, ezek ára félmillió és 1,3 millió forint között mozog.

Az első 3D nyomtatókat a 80-as évek elején fejlesztették ki, ezek gyorsan száradó műanyagot használtak, amely egymásra rétegeződéséből háromdimenziós tárgyak születtek. Ez forradalmian egyszerűsítette a tervezés folyamatában használt prototípusok, tesztdarabok gyártását, de a világ nagy ipari gyártói, mint a General Electric, az EADS vagy Siemens most átviszik a technológiát a tervezői laborból a gyártósorra.

Bármilyen forma kinyomtatható
©

A repülőgép-alkatrészek gyártása terén is új távlatok nyílnak, a kínai Északnyugati Műszaki Egyetem 5 méter hosszúságú titán tartóelemeket nyomtatott civil utasszállítók számára, sorozatgyártásuk pedig 2016-ban kezdődik. A brit légierő egyik Tornado repülőgépébe 3D nyomtatóval készített alkatrészeket építettek be, az alkotóelemeket a Brit Királyi Légierő (RAF) megbízásából a BAE Systems hadiipari konszern gyártotta le. A RAF azt reméli, hogy 2017-ig a 3D-nyomtatásnak köszönhetően a repülőgépek üzemeltetése, karbantartása és javítása során összesen több mint 1,2 millió fontot takaríthat meg. Bastian Schaefer, az Airbus szakembere pedig olyan tervet készített, ami várhatóan 2050-re valósulhat meg: szeretné elérni, hogy hangár méretű 3D nyomtatókkal lehessen létrehozni repülőgépeket.

"Ezeket a technológiákat ma egy kalap alá veszik, de a folyamat valójában már nem sok közösséget mutat a háztartások számára is elérhető 3D nyomtatókkal. Szakmai berkekben ezt additív gyártásnak nevezzük" – mondja Krüger. A lézer alapú – úgynevezett SLM (Selective Laser Melting) – technológiával ma már lehetséges kerámiát és különböző fémeket (mint az acél, alumínium, vagy akár a titánium) is megmunkálni. A technológia elérte azt a pontot, ahonnan már lehetővé vált ipari hasznosítása is. "Az eljárás legnagyobb előnye, hogy lehetővé teszi olyan komplex és egyedi alkatrészek legyártását, amelyekre csak kis mennyiségben van szükség, így jelentősen csökkenteni lehet a gyártási költségeket" – magyarázza a szakember.

Vannak olyan alkatrészek, amelyeket korábban le sem tudtak gyártani

A Siemens gázturbina gyára Berlin külvárosában található. Az óbudai gázgyárra emlékeztető, múlt század elején épült létesítményben a XXI. századi technológiával gyártják, és fejlesztik a gépeket. A látogató a 130 ezer négyzetméteres terület bejárásakor betekinthet a kulisszák mögé, és megismerheti a hatalmas gépek működését. A gázturbinák hatásfoka annál nagyobb, minél nagyobb a bemenő részbe érkező gáz hőmérséklete, ami gyakran megközelíti az 1500 fokot is. Ezt a hőmérsékletet a turbinalapátok nem bírják elviselni, így az égéstérhez legközelebb elhelyezkedő lapátokat hűteni kell ahhoz, hogy el ne olvadjanak. Ezért belső levegőjáratokat vájnak beléjük, felületükre pedig gondosan megtervezett elrendezésben lyukakat helyeznek el, hogy a kompresszorból odavezetett hideg levegő megfelelően hűtse a lapátok felületét.

Ezeknek a bonyolult daraboknak az előállítása korábban több lépésben készült, amit a lézertechnológiás nyomtatás nemcsak leegyszerűsít, hanem 4 hónappal megrövidíti a gyártás idejét is. Ez persze csak ezekre a komplex darabokra igaz, a hátrébb elhelyezkedő lapátokat nem éri ilyen intenzív terhelés, ezért nem rendelkeznek hűtőjáratokkal és lyukakkal, így előállításuk is gazdaságosabb hagyományos módon.

Nem csak a gyártási idő, a költségek is csökkenek
©

Egy másik alkotórész, az úgynevezett égőkamra, amely a gáz áramoltatására hivatott, egy vékony falú, hajlított alkatrész, amiben apró csatornák vezetnek, és rendkívül körülményes és időigényes legyártása az eddig használt öntő- és marógépekkel. Ellenben az új technológiának köszönhetően egy lépésben "kinyomtatható" mindössze néhány nap alatt, a korábbi többhetes gyártási idővel szemben, ami 90 százalékos időmegtakarítást jelent, és költségeken is 30 százalékot lehet fogni, ugyanis szinte egyáltalán nem keletkezik hulladék a gyártásban. A meghibásodott, például törött darabokat pedig nem kell teljes egészében kicserélni, a hiányzó részt egyszerűen hozzá lehet nyomtatni a sérült darabhoz.

Karácsonyfát acélból

A 3D nyomtatókat a Siemensnél gázturbina-alkatrészek gyártására, javítására alkalmazzák általában. Hogy az ezer fokot meghaladó hőmérsékletű gázturbinában ne olvadjon el pillanatokon belül a cserealkatrész, az előállítás során egy speciális nikkelalapú ötvözetet alkalmaznak. Ebből a speciális fémötvözetből gyártott le karácsonyfákat Olaf Rehme Siemens-kutató. Ugyan a fa mindössze öt centiméter magas, azt jól példázza, hogy csak a fantázia szab határt a formáknak és alakzatoknak, amiket képesek megalkotni az új technológiával.

Olyan összetevők legyártása is lehetségessé vált az SLM technológiával, mint az égéskamra fúvókája, ami olyan komplex, hogy az eddig ismert módszerekkel le sem tudnák gyártani. "Az alkatrészek formáinak és alakjának a jövőben többé már nem a présgépek és marógépek paraméterei szabnak határt, hanem a tervezőprogram korlátai" – mondja Martin Schafer, aki már a 90-es évektől foglalkozik a technológiával.

A 3D gépek mérete növelhető, így lehetővé válhat az egyre nagyobb alkotórészek gyártása, amit több lézernyaláb alkalmazásával fel is lehet gyorsítani – mutat rá a technológia fejleszthetőségére Krüger. Az ipari termelésben minden perc gyárleállás komoly veszteséggel jár, így a lehető leggyorsabban kell a pótalkatrészeket leszállítani. A korábban említett gázturbinák esetében egy égőkamra pótlása például 40 hét. Ezt mindössze 4 hétre lehetne csökkenteni, 30 százalékkal mérsékelve a gyártási költségeket. "Feltételezzük, hogy az egyik vevőnk egyszerűen csak rendel egy ilyet a legközelebbi Siemens szerviz egységtől, ahol SLM technológiával legyártják, megspórolva a szállítási költségeket. Így szükségtelenné válna az alkatrészek raktárazása is, elegendő lenne a digitális vázlatokat megőrizni, ami további költségmegtakarítást jelent" – teszi hozzá Krüger.

Nyugtalanító "részletek"

A szervizegységek rendszere azonban ma még nem elérhető, ahogy nem minden alkatrésznél gazdaságosabb a SLM technológia, hiszen egy egyszerű szerkezet esetében gyorsabb és gazdaságosabb is a jelenleg használt gyártósor. Az acélpor kilója ugyanis 100-300 euró között mozog, attól függően, milyen minőségről van szó. Így lesznek olyan alkatrészek, amelyeket valószínűleg soha nem éri majd meg nyomtatni. Az SLM módszer tehát nem leváltja a korábbi gyakorlatokat, csak kiegészíti azokat.

Az újítást övező eufória ellenére azért kihívásokkal is szembe kell nézniük a mérnököknek. Például az acélötvözeteknél – attól függően, hogy milyen terhelést kell majd kibírni a kész terméknek – a szilárdság kérdése meghatározó, és mivel a nyomtatás folyamatánál éppen csak egy pillanatra olvad meg az anyag, itt kevésbé ellenálló darabok kerülnek ki a gépből, mint a hagyományos gyártásnál. Egy másik sajátossága az eljárásnak, hogy a nyomtatóból kikerülő darabok felszíne "szőrös", ami miatt egy plusz csiszolással válik csak teljessé a folyamat. Ezeknek a problémáknak a megoldásán már dolgoznak, Olaf Rheme szerint 5-10 éven belül jó eséllyel kiküszöbölhetik ezeket, és addigra már kiépülhet a szervizegységek rendszere is.

Magyarországon is készülnek gázturbina-alkatrészek
A Siemens budapesti telephelyén készülnek a gázturbina egyes alkatrészei, például a turbinalapátok is, így felmerült a kérdés, hogy az additív technológia széleskörű terjedésével, mondjuk tíz év múlva nem váltja-e ki a jelenlegi budapesti gyártósort. Megkérdeztük a gyár vezetőjét, Jan Marc Lischkát, hogy mennyire fenyegeti a gyár jövőbeni helyzetét az SLM módszer bevezetése, amire elmondta, hogy Magyarországon nem a bonyolult hűtőrendszerrel ellátott darabok készülnek, hanem a turbina kompresszor részében használt lapátok, amelyek kevésbé bonyolult szerkezetűek, így nem érné meg őket "nyomtatni", ezeket továbbra is az eddig ismert technológiával gyártják majd.

Ha a cikket érdekesnek találta, látogasson el a hvg gazd Facebook-oldalra, és nyomjon rá egy "Tetszik"-et. Plusztartalmakat is talál!

Állj mellénk!

Tegyünk közösen azért, hogy a propaganda mellett továbbra is megjelenjenek a tények!

Ha neked is fontos a minőségi újságírás, kérjük, hogy támogasd a munkánkat.

Állj mellénk!

Tegyünk közösen azért, hogy a propaganda mellett továbbra is megjelenjenek a tények!

Ha neked is fontos a minőségi újságírás, kérjük, hogy támogasd a munkánkat.
Megfulladt a férfi, aki a víz alatt akarta megkérni barátnője kezét

Megfulladt a férfi, aki a víz alatt akarta megkérni barátnője kezét

Ma 85 éves Sophia Loren, és nem tud leállni a filmezéssel

Ma 85 éves Sophia Loren, és nem tud leállni a filmezéssel

Nem érkezett meg a thaiföldi vb helyszínére az egyik magyar súlyemelő

Nem érkezett meg a thaiföldi vb helyszínére az egyik magyar súlyemelő

Bécs belvárosában tényleg vége lehet az Airbnb-nek

Bécs belvárosában tényleg vége lehet az Airbnb-nek

Conte: Kérdezzék meg Orbánt, miért nem ment Salvini után!

Conte: Kérdezzék meg Orbánt, miért nem ment Salvini után!

Megnyitották a csapokat, fél perc alatt 1,7 millió liter vizet folyatott el a NASA

Megnyitották a csapokat, fél perc alatt 1,7 millió liter vizet folyatott el a NASA