Large-format ABS 3D printing provides furniture manufacturers with a lower-risk method for validating structural components before investing in conventional production tooling. Working with FUSS sp. z o.o. (Furnsolutions)W ramach projektu Omni3D wykonało pełnoskalowy komponent konstrukcyjny Silence Chair (587 × 550 × 336 mm), pokazując możliwości przemysłowego druku 3D w zakresie optymalizacji procesu, kontroli odkształceń, przygotowania powierzchni oraz kalkulacji kosztów produkcji.
Wielkoformatowy druk 3D z ABS do produkcji komponentów meblowych
W procesie projektowania wielkoformatowych elementów meblowych o zastosowaniu komercyjnym fizyczna walidacja obciążeń oraz wykonanie funkcjonalnych prototypów przedseryjnych stanowią istotne wyzwanie pod względem kosztów i czasu. Konwencjonalne technologie produkcji, wykorzystujące np. aluminiowe lub stalowe formy wtryskowe, wymagają tygodni przygotowania oraz wysokich nakładów inwestycyjnych, zanim pierwszy fizyczny komponent może zostać poddany ocenie pod kątem wytrzymałości konstrukcyjnej, ergonomii i integralności połączeń mechanicznych.
W ramach współpracy z Furnsolutions firma Omni3D przeprowadziła proces addytywnej produkcji wielkoformatowego elementu konstrukcyjnego fotela Silence Chair. Po złożeniu gotowy komponent miał wymiary 587,43 × 550,00 × 335,52 mm. Realizacja projektu wymagała rozwiązania kluczowych problemów inżynierskich związanych ze skurczem materiału w dużej objętości, kontrolą naprężeń termicznych oraz zapewnieniem odpowiedniej adhezji pomiędzy kolejnymi warstwami wydruku.
W artykule technicznym przeanalizowano dobór materiału, strategię podziału i optymalizacji ścieżek druku, dynamikę termiczną komory roboczej oraz kalkulację kosztów jednostkowych produkcji wielkogabarytowych elementów konstrukcyjnych z zastosowaniem przemysłowej technologii ekstruzji materiału (FDM/FFF)
1. Wymiary komponentu i strategia przygotowania wydruku
Objętość obwiedniowa komponentu wynosiła około 108,4 litra, dlatego kluczowe znaczenie miał odpowiedni dobór parametrów procesu przygotowania wydruku. Optymalizacja ustawień slicera pozwoliła zrównoważyć czas wytwarzania, wymaganą wytrzymałość mechaniczną oraz kontrolę stabilności wymiarowej dużego elementu konstrukcyjnego
Produkcję komponentu zrealizowano na drukarce Omni TECH, wykorzystując ABS jako główny materiał konstrukcyjny oraz HIPS-20 jako poświęcalny materiał podporowy do łatwego usunięcia po zakończeniu procesu druku
| Parametr procesu | Wartość techniczna | Uzasadnienie techniczne |
| Główny materiał | ABS | Wysoka odporność na uderzenia, stabilność termiczna do 100°C oraz doskonała sztywność strukturalna. |
| Materiał podporowy | HIPS-20 | Zbliżony profil temperatury zeszklenia (Tg), umożliwiający łatwe usunięcie materiału podporowego bez naruszenia elementów konstrukcyjnych i powierzchni przenoszących obciążenia. |
| Średnica dyszy | 0.40 mm | Optymalizuje kompromis pomiędzy dokładnością odwzorowania drobnych cech geometrycznych na powierzchniach styku elementów a stabilnością procesu wytłaczania materiału. |
| Wysokość warstwy (hL) | 0.20 mm | Zapewnia optymalną rozdzielczość warstwy w osi Z oraz ogranicza ryzyko tworzenia się nieciągłości i pustek międzywarstwowych w strukturze wydruku. |
| Grubość ścianki | 0,96 mm (2 przejścia obwodowe) | Gwarantuje nieprzepuszczalność struktury zewnętrznej oraz wystarczającą wytrzymałość na zginanie wzdłuż wektorów obciążenia. |
| Topologia wypełnienia | 25% wypełnienia prostoliniowego (Rectilinear) | Zapewnia równomierne dwukierunkowe wzmocnienie struktury wewnętrznej, minimalizując jednocześnie zużycie materiału, masę elementu oraz czas realizacji procesu wytwarzania. |
| Całkowity czas drukowania | 69 godzin | Ciągły proces nanoszenia materiału w warunkach kontrolowanego termicznie osadzania z wykorzystaniem układu sterowania w pętli zamkniętej. |
2. Kontrola naprężeń termicznych oraz zjawiska wypaczania materiału ABS
Wysokowydajne polimery styrenowe, w tym ABS, posiadają relatywnie wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej (α ≈ 70–90 × 10⁻⁶ K⁻¹). W trakcie nieprzerwanego 69-godzinnego procesu depozycji materiału narastające gradienty termiczne w obrębie pola roboczego o długości 587 mm powodują akumulację wewnętrznych naprężeń rozciągających, które mogą wpływać na stabilność wymiarową i jakość końcowego komponentu:
σthermal=E⋅α⋅ΔT
W tym równaniu E reprezentuje moduł Younga wydrukowanego materiału, α oznacza współczynnik rozszerzalności cieplnej (dla ABS: α ≈ 70–90 × 10⁻⁶ K⁻¹), natomiast ΔT określa różnicę temperatur między świeżo naniesionym materiałem a warunkami termicznymi panującymi wewnątrz komory roboczej. Brak kontroli procesu chłodzenia skutkuje powstawaniem znacznych odkształceń narożników (warpage) oraz delaminacją warstw w kierunku osi Z.
Rozwiązanie technologiczne: aktywna kontrola temperatury komory roboczej oraz optymalizacja adhezji do platformy roboczej
W celu kompensacji opisanych wektorów naprężeń termicznych system Omni TECH zapewniał precyzyjne utrzymanie równowagi cieplnej w całym procesie wytwarzania:
- Temperatura komory: Aktywny system kontroli termicznej utrzymywał temperaturę komory roboczej na poziomie 70°C, czyli poniżej temperatury zeszklenia materiału (Tg ≈ 105°C). Pozwalało to zachować kontrolowane warunki krzepnięcia i stabilności wymiarowej polimeru, ograniczając jednocześnie lokalne koncentracje naprężeń termicznych podczas długotrwałego procesu depozycji.
- Temperatura platformy roboczej: Utrzymywana na stałym poziomie 100°C przez cały cykl druku, zapewniając stabilne warunki adhezji pierwszej warstwy oraz ograniczając ryzyko odkształceń termicznych komponentu.
- Interfejs pierwszej warstwy: Powierzchnię platformy roboczej przygotowano z wykorzystaniem kleju ASNARE 3D Printing Adhesive. Materiał ten zapewnia wysokoshearowe połączenie chemiczne, odporne na naprężenia ścinające powstające wskutek skurczu termicznego zewnętrznych obrysów podczas druku wielkoformatowych elementów ABS. Po zakończeniu wydruku oraz obniżeniu temperatury komponentu poniżej 40°C interfejs adhezyjny umożliwia kontrolowane i bezpieczne odłączenie części, eliminując ryzyko mechanicznego uszkodzenia geometrii podstawowej.
- Wniosek procesowy dla inżynierów produkcji: Przy realizacji wielkoformatowych elementów konstrukcyjnych z ABS o wymiarach przekraczających 500 mm samo pasywne ogrzewanie komory roboczej nie zapewnia wystarczającej kontroli procesu. Utrzymanie aktywnego środowiska termicznego (komora robocza 70°C / platforma robocza 100°C) wraz ze stosowaniem zweryfikowanych laboratoryjnie systemów adhezji, takich jak ASNARE, stanowi warunek uzyskania stabilności wymiarowej z dokładnością do ±0,2 mm.
3. Analiza kosztowa oraz ekonomika jednostkowa procesu wytwarzania addytywnego (AM)
Analiza przydatności technologii wytwarzania addytywnego do realizacji funkcjonalnych elementów użytkowych oraz walidacji produktów przed rozpoczęciem produkcji seryjnej wymaga porównania całkowitego kosztu posiadania (TCO) z nakładami inwestycyjnymi i kosztami uruchomienia konwencjonalnych procesów produkcyjnych.
Struktura kosztów bezpośrednich (komponent fotela Silence Chair)
Poniżej zaprezentowano zweryfikowane zestawienie kosztów finansowych dla 69-godzinnego cyklu wytwarzania zrealizowanego na potrzeby firmy Furnsolutions:
| Pozycja zamówienia | Wydatki (EUR) | Opis / Notatki |
| Przygotowanie modelu CAD oraz optymalizacja parametrów przygotowania wydruku | €42.32 | Korekty geometrii CAD, optymalizacja położenia szwu oraz projektowanie rozmieszczenia podpór z uwzględnieniem wymagań procesu wytwarzania. |
| Przygotowanie procesu łączenia elementów oraz operacji wykończeniowych po wydruku | €58.78 | Precyzyjne łączenie wieloczęściowych podzespołów oraz przygotowanie powierzchni pod dalsze operacje wykończeniowe. |
| Czas pracy systemu wytwórczego oraz zużycie materiałów eksploatacyjnych | €561.74 | Uwzględnia pełny czas pracy systemu wynoszący 69 godzin, zużycie materiału konstrukcyjnego ABS, materiału podporowego HIPS-20 oraz koszty związane ze zużyciem energii podczas procesu wytwarzania. |
| Całkowity koszt netto | €662.85 | Kompletny, funkcjonalny komponent pełnowymiarowy, dostarczony jako gotowe rozwiązanie użytkowe. |
Produkcja addytywna vs. tradycyjne narzędzia
W celu pełnego kontekstu analizy kosztów jednostkowych tego projektu należy porównać ją z alternatywnym podejściem, jakim byłaby niskoseryjna produkcja wielkogabarytowych i złożonych komponentów meblowych przy zastosowaniu tradycyjnego oprzyrządowania wykonanego z aluminium.
- Ryzyko kapitałowe (CAPEX): Wykonanie formy wtryskowej dla elementu o gabarytach 587 × 550 × 335 mm wiąże się z koniecznością poniesienia kosztów przygotowania oprzyrządowania w wysokości 25 000–45 000 €.
- Redukcja czasu wdrożenia: Proces wykonania formy i przygotowania oprzyrządowania konwencjonalnego wymaga zazwyczaj od 8 do 14 tygodni. Dla porównania platforma Omni TECH umożliwiła wytworzenie kompletnego komponentu fizycznego w ciągu 69 godzin pracy systemu, zapewniając całkowity czas realizacji poniżej 5 dni roboczych.
- Elastyczność zmian konstrukcyjnych: Wprowadzenie modyfikacji geometrii, takich jak zmiana układu żeber wzmacniających lub grubości ścianek w środowisku CAD, nie generuje kosztów związanych z przebudową oprzyrządowania. Koszt przygotowania danych CAD dla realizowanego komponentu wyniósł zaledwie 42,32 €.
4. Zalecenia projektowo-inżynierskie dla wielkoformatowych komponentów konstrukcyjnych
Podczas skalowania procesów przemysłowego wytwarzania addytywnego B2B dla dużych elementów konstrukcyjnych stosowanych w projektowaniu przemysłowym oraz inżynierii meblowej należy zwrócić szczególną uwagę na poniższe parametry procesowe i projektowe:
- Projektowanie z uwzględnieniem anizotropii materiałowej: W technologii FDM wytrzymałość na rozciąganie w osi Z jest typowo o 15–20% niższa w porównaniu z kierunkami X/Y, co wynika z ograniczonej wytrzymałości połączeń między kolejnymi warstwami materiału. Przy projektowaniu elementów konstrukcyjnych główne obciążenia zginające powinny być kierowane równolegle do płaszczyzny depozycji X/Y, aby maksymalizować wykorzystanie właściwości mechanicznych wydruku.
- Optymalizacja profili podporowych: Zastosowanie dodatkowej głowicy ekstrudera przeznaczonej dla wyspecjalizowanych materiałów podporowych (takich jak HIPS-20 kompatybilny z ABS) zapewnia stabilność geometryczną wielkogabarytowych struktur z dużymi przewieszeniami. Jednocześnie umożliwia kontrolowane usunięcie podpór bez degradacji jakości powierzchni wykończeniowych komponentu.
- Zarządzanie warunkami termicznymi komory: W przypadku wydruków o wymiarach przekraczających 300 mm samo podgrzewanie platformy roboczej nie zapewnia skutecznej kontroli zjawiska warpage. Dla inżynieryjnych materiałów termoplastycznych, takich jak ABS, zaleca się utrzymanie aktywnie kontrolowanej temperatury komory roboczej na poziomie co najmniej 70°C w celu ograniczenia gradientów temperatury i naprężeń skurczowych.
Pokrewne zastosowanie technologii w sektorze meblowym zostało opisane w studium przypadku dotyczącym wielkoformatowego druku 3D z ABS wykorzystywanego przy opracowaniu fotela biurowego. Analiza przedstawia, w jaki sposób firma Orsa Proje skróciła cykl projektowo-walidacyjny dzięki zastosowaniu przemysłowego wytwarzania addytywnego do szybkiej weryfikacji funkcjonalnych komponentów.
W celu uzyskania informacji dotyczących przemysłowych usług druku 3D, dokumentacji technicznej materiałów oraz projektowania dedykowanych aplikacji inżynierskich zachęcamy do kontaktu z zespołem technicznym Omni3D pod adresem printroom@omni3d.net. Więcej informacji na temat rozwiązań dla sektora projektowania mebli znajduje się na stronie furnsolutions.com.
