Aditivna proizvodnja (eng. AM, additive manufacturing)
Vijesti iz tehnološkog svijeta govore o tome da se tako planiraju proizvoditi ne samo dijelovi automobila, već da se tako namjeravaju graditi i neboderi pa i da se na taj način misle graditi kolonije na Marsu i sl. Pa, o kakvim se onda to 3D printerima radi?
Vodeći svjetski stručnjaci iz područja tzv. digitalnog inženjeringa za tehnologiju trodimenzionalnog ispisa ili printanja zapravo sve više koriste drugi naziv koji bolje upućuje na njezinu prirodu. Oni to nazivaju aditivnom proizvodnjom (eng. AM, additive manufacturing). Naime, tu se zapravo i ne radi o jednoj tehnologiji koja je sada mnogima već dosta poznata, već o nazivu pod kojim se krije barem 25 tehnologija, od kojih su neke prilično nepoznate široj javnosti. Svima njima zajednički je upravo način slojevite proizvodnje, odnosno gradnje proizvoda u slojevima, pri čemu se oblikuju i stvaraju ne samo vanjski oblik, već i unutarnji dijelovi proizvoda.
Neke od najčešće korištenih tehnologija 3D printanja s najvećim potencijalom za industrijske primjene oslanjaju se, primjerice, na laser koji stapa čestice praha različitih materijala u jedan sloj, na taloženje rastaljenog materijala na površinu dijela koji se izrađuje pomoću mlaznice montirane na poseban višeosni krak. Tu je i postupak zavarivanja i spajanja materijala taljenjem pomoću snopa elektrona velike brzine ili pak na postupak tzv. hladnog spreja pri čemu se metalni prah raspršuje nadzvučnim brzinama na metalnu površinu kako bi se tijekom proizvodnje povezao s ostatkom proizvoda itd. U osnovi, to je postupak u kojem se materijal nanosi u slojevima prema računalno razrađenom modelu, a kako bi se stvorili precizni oblici bez potrebe za kasnijom strojnom obradom.
Prednosti i ograničenja
Stručnjaci se slažu da su manji ugljični otisak i veća učinkovitost opipljive prednosti najnovijih dostignuća na području proizvodnje pomoću 3D printanja. Kao velike prednosti također se navode sloboda u dizajnu, mogućnost povećanja složenosti i agilnost proizvodnih procesa. Međutim, postoje i tehnička ograničenja. Ona uključuju veličinu strojeva i vrstu materijala, osobito kada treba koristiti legure posebnih značajki, poput onih za dijelove plinskih turbina. Nadalje, postoji i ograničenje vezano uz isplativost poslovnog modela 3D printanja u širokoj komercijalnoj primjeni jer je za to nužno provesti daljnja poboljšanja produktivnosti i povećati robusnost strojeva.
Da bi se posve iskoristile mogućnosti 3D printanja u industriji, u postojeće procese konstruiranja i izrade proizvoda moraju se unijeti složenost, materijali i strukturne konstrukcije koji su specifični za 3D printanje. Za potpuni komercijalni uspjeh te tehnologije ključno je osigurati visoku razinu ponovljivosti i pouzdanosti procesa izrade proizvoda. Mnogi očekuju da će se ti zahtjevi ispuniti većim opsegom proizvodnje i potrošnje tako izrađenih proizvoda, uz poboljšanu produktivnost i snižavanje proizvodnih troškova.
Obećanje napredne proizvodnje
Interes raznolikih industrija, a između ostaloga i energetike, za tu naprednu tehnologiju u posljednje je vrijeme porastao zbog tehničkog napretka koji omogućava moderniziranje proizvodnje zamjenskih dijelova u jednostavnijim strojevima, ali i složenih dijelova nuklearnih reaktora. Taj tehnički napredak koji povećava tehnološku učinkovitost i sposobnost brzo su usvojili proizvođači i operateri plinskih turbina i vjetroturbina. Sada se tome priključuju i proizvođači dijelova za nuklearne elektrane. Štoviše, neki proizvođači nuklearne opreme se nadaju da će im 3D printanje pomoći u pojednostavljenju izgradnje malih modularnih i naprednih reaktora. Potencijalne uštede u lancu opskrbe očekuju i operateri nuklearnih elektrana. Naime, 3D printanje omogućit će dobavu dijelova čiji dobavljači više ne posluju ili im isporuka predugo traje ili je kvaliteta tih dijelova upitna.
Primjena i iskustva u energetici
U tvrtki Siemens Energy tehnologija 3D printanja već je uključena u postojeći lanac proizvodnje, od konstruiranja i simulacija do primjene. Trenutačno se ona koristi za nove proizvode i za popravke starije opreme za čiju se proizvodnju ona počela koristiti još devedesetih godina prošlog stoljeća. Na primjer, ona se sada koristi i za održavanje i popravke plinskih turbina i vrhova lopatica vjetroturbina. U tvrtki stoga očekuju da će se u budućem istraživanju i razvoju 3D printanje sve više koristiti za proizvodnju složenih metalno-organskih spremnika vodika i elektroda za elektrolizu vode za proizvodnju vodika. Uz to, tvrtka u sljedećih pet godina planira povećati udio 3D printanih dijelova u plinskim turbinama s dva na 20%. No, zato će trebati još preinaka u organizaciji postojećih radnih procesa.
Posebno je zanimljivo što 3D printanje sve više nalazi mjesto i u najzahtjevnijem dijelu energetike, u nuklearnoj tehnici. Na primjer, na reaktoru br. 2 u NE Browns Ferry u Sjedinjenim Američkim Državama u proljeće ove godine instalirana su tijekom redovnog remonta četiri pričvršćivača kanala za usmjeravanje protoka rashladne tekućine za gorivo u reaktoru. Riječ je o prvim sigurnosnim dijelovima opreme reaktora nuklearnih elektrana koji su izrađeni na taj način. Ti su dijelovi izrađeni od nehrđajućeg čelika u Nacionalnom laboratoriju Oak Ridge. Planira se da u funkciji budu idućih šest godina, tijekom čega će biti redovito pregledavani.
Nuklearna tehnika
Osim toga, u SAD-u se provodi i državni program za istraživanje i razvoj tehnologija za napredne nuklearne reaktore koji bi se proizvodili pomoću 3D printanja i umjetne inteligencije. Među ciljevima tog programa su snižavanje troškova, ubrzanje primjene, modernizacija proizvodnje i razvoj materijala i računalnih programa vezanih za nuklearnu tehniku. U sklopu programa se ističe i izrada mikroreaktora koji će koristiti 3D printanu jezgru, napredne materijale i integrirane osjetnike i kontrole, a čija je demonstracija najavljena za 2024. godinu. Francuski proizvođač nuklearnih dijelova i goriva Framatome od 2015. godine radi na uvođenju 3D printanja za opremu vezanu za nuklearno gorivo, filtre i druge namjene. Napori tvrtke usmjereni su na dijelove od nehrđajućeg čelika i legura na osnovi nikla.
Američka tvrtka Westinghouse također je počela koristiti tu tehnologiju. U proljeće prošle godine američka energetska tvrtka Exelon instalirala je Westinghouseov uređaj za spajanje naprstaka u NE Byron 1. Riječ je o uređaju koji se koristi za držanje nuklearnog goriva dok se spušta u jezgru reaktora. Exelon je već koristio i tehniku hladnog spreja na primarnim separatorima vlage kako bi smanjio koroziju i ističe da hladni sprej obećava uspješnu primjenu za popravke u postrojenju.
U Velikoj Britaniji tvrtka Rolls Royce također radi na prelasku na 3D printanje u proizvodnji posuda za nuklearna postrojenja. Tvrtka navodi da bi njezini napori mogli sniziti troškove proizvodnje i skratiti vrijeme isporuke, uspostaviti alternativni lanac opskrbe, poboljšati kvalitetu materijala i smanjiti inspekcije tijekom rada. Francuski energetski div Engie još je 2019. godine u jednoj od svojih nuklearnih elektrana instalirao prvi ventil proizveden 3D printanjem, ali za razliku od ranije spomenutih elemenata, nije se radilo o sigurnosnom dijelu opreme. Tvrtka sada surađuje s tijelima Europske unije u okviru programa Nuklearne komponente temeljene na aditivnoj proizvodnji (NUCOBAM) s ciljem uspostave metodologije kvalifikacije za komponente proizvedene 3D printanjem. Očekuje se da će rezultati tog programa koristiti profitabilnosti nuklearne tehnike i poboljšati sigurnost zahvaljujući optimiranoj konstrukciji elemenata.
