Metalowa rewolucja w fabryce

druk 3D w metalu, DMLS, techniki druku 3D © Materialise1

Udostępnij:

Wydruki z metalu mogą zrewolucjonizować przemysł oparty na tradycyjnej obróbce mechanicznej, a bezpośrednie spiekanie laserowe metali (DMLS) to jedna z najbardziej intrygujących technik druku 3D. Dzięki jej wykorzystaniu można tworzyć projekty z takich metali jak aluminium, stal czy tytan.

Technologia DMLS umożliwia wydruk z metali metodą selektywnego spiekania laserowego. Jak wygląda sam proces? Drukarki 3D bazujące na technologii DMLS nie używają filamentów. Zamiast nich na platformie roboczej rozprowadzana jest cienka warstwa proszku metalicznego, który jest spiekany miejscowo wiązką laserową o dużej mocy. Proces ten powtarzany jest wielokrotnie, warstwa po warstwie, aż do stworzenia całego obiektu, który jest idealnym odwzorowaniem pliku CAD 3D lub pliku wygenerowanego za pomocą innych programów do modelowania 3D. Obiekt drukowany jest na podporze, którą następnie po ostygnięciu usuwa się za pomocą piły lub innych narzędzi. Po usunięciu podpór konieczna może być obróbka końcowa, jak szlifowanie czy polerowanie.

Proces drukowania z metalu odbywa się w atmosferze ochronnej – najczęściej azotowej lub argonowej – która zależy od klasy reaktywności stosowanego stopu (np. stopy aluminium i tytanu przetwarza się w osłonie argonu, a stale narzędziowe i super stopy kobaltu oraz chromu w atmosferze azotu).


Niestraszne mu złożone kształty

Technologia DMLS świetnie sprawdza się w budowaniu części form wtryskowych, prototypowaniu skomplikowanych części metalowych o złożonej geometrii, które są trudne do wykonania metodami ubytkowymi, a także w wytwarzaniu krótkich serii produkcyjnych. Wydrukowane części charakteryzuje wysoka dokładność i dobra jakość powierzchni. Technologia DMLS znalazła swoje zastosowanie przede wszystkim w przemyśle samochodowym i lotniczym (obecnie na masową skalę korzystają z niej takie przedsiębiorstwa jak Opel, Audi czy Boening), ale również w przemyśle medycznym, chemicznym i maszynowym oraz wzornictwie przemysłowym i jubilerstwie.

Technologia DMLS jest nie do przeceniania w branży przetwórstwa tworzyw sztucznych. Umożliwia bowiem tworzenie wkładek ze skomplikowanymi kanałami chłodzącymi, których nie dałoby się wytworzyć klasycznymi metodami, jak wiercenie czy drążenie. Tego typu konformalne kanały chłodzące oferują jednolity rozkład temperatur i wysoką wydajność. Z materiałów udostępnionych przez firmę Fado wynika, że zastosowanie wkładek konformalnych DMLS do budowy form wtryskowych pozwala na znaczne skrócenie czasu cyklu wtryskarki – nawet o 40% w stosunku do klasycznych rozwiązań chłodzenia – i zapewnia przy tym doskonałą jakość wymiarową produkowanych elementów.

Technologia wykorzystująca bezpośrednie spiekanie laserowe metali może okazać się rewolucyjna, jeśli chodzi o podejście do procesu tworzenia elementów metalowych. W porównaniu do metod ubytkowych mamy tutaj dużo niższą stratę materiału budulcowego, a same kształty, jakie jesteśmy w stanie osiągnąć, nie są możliwe do wykonania z wykorzystaniem innych technik. Wydrukowane w ten sposób przedmioty charakteryzują się wysoką dokładnością, dobrą jakością powierzchni i właściwościami mechanicznymi metali. Obiekty wykonane w technologii DMLS mają do 90% wytrzymałości litego bloku materiału.

Dużą korzyścią oferowaną przez DMLS jest możliwość regeneracji metalowych elementów. Druk 3D z metalu pozwala na stworzenie lub też odtworzenie oryginalnego kształtu elementu w sytuacji, gdy uległ on uszkodzeniu lub odkształceniu.


TOP w kategorii




Rewolucja na naszych oczach

Technologia druku 3D z metalu może okazać się punktem zwrotnym w produkcji przemysłowej. Początkowo metoda ta pozwalała jedynie na wytwarzanie plastikowych części w trzech wymiarach, jednak odkąd druk 3D z proszków metalicznych opuścił etap eksperymentalny, nie ma wątpliwości, że może on zrewolucjonizować jeden z kluczowych obszarów przemysłu, jakim jest obróbka metali. Zamiast frezowania, toczenia, cięcia i wiercenia przedmiotów z metalowych bloków coraz więcej z nich będzie wykonanych z proszku metalicznego i przy pomocy lasera. Technologia ta wciąż jest rozwijana i tylko kwestią czasu jest, gdy stanie się powszechnie dostępna. Eksperci już przewidują roczny wzrost sprzedaży systemów druku 3D o 35% do 2025 r. Na razie druk 3D z metalu jest drogi, ale można być niemal pewnym, że przy masowym wykorzystaniu tej technologii zmniejszy się koszt zarówno samej drukarki, jak i części oraz akcesoriów. Najbliższe lata okażą się tu kluczowe.

Do zalet druku 3D nie trzeba nikogo przekonywać – są one oczywiste. Technologia ta pozwala na produkcję całkowicie nowych, skomplikowanych części, do których wykorzystanie konwencjonalnej obróbki metalu jest technicznie lub ekonomicznie niemożliwe. Ponadto oszczędza ona wiele pracy i materiału w porównaniu do tradycyjnego przetwarzania metalu. Zmniejszają się również źródła błędów. Co to oznacza dla klientów i jakie nowe modele biznesowe pociąga za sobą firmy – pokazują praktyczne przykłady. Poniżej kilka z nich.

Tańsze elektrownie i lżejsze samoloty

Jakiś czas temu firma Siemens potrzebowała 44 tygodni na naprawę zużytego palnika w elektrowni, dziś natomiast wystarczą na to cztery tygodnie. Zamiast produkować części zamiennie, ze zużytych głowic palników usuwanych jest 11 mm materiału, a utracone kształty są ponownie nanoszone przy użyciu druku 3D z metalu. Nowa technologia umożliwia nawet konwersję starych palników na palniki najnowszej generacji. Korzyści z tego mają wszyscy – operatorzy elektrowni mogą szybciej ją uruchomić i sprzedawać więcej energii elektrycznej, a Siemens zyskuje przewagę nad konkurentami, którzy nie są w stanie tego zapewnić.

Transport ciężkich przedmiotów jest kosztowny, szczególnie w powietrzu. Dzięki metodzie druku 3D z metalu można osiągnąć niewyobrażalne dotąd oszczędności. Amerykańska firma General Electric, wykorzystując produkcję addytywną, połączyła 18 pojedynczych części do napędu odrzutowego w jeden złożony komponent. Pozwala to zaoszczędzić 25% wagi przy nawet pięciokrotnie dłuższej żywotności. Zasada ta jest wykorzystywana na dużą i małą skalę. Klamra pasa bezpieczeństwa w Super Airbus A380 waży blisko połowę tego co konwencjonalny model. W rezultacie A380 oszczędza w ten sposób paliwo o wartości 2 mln euro przez cały okres użytkowania.
Dla producentów części z druku metalowego 3D oszczędności uzyskiwane przez klientów są często jedynym sposobem uzasadnienia wysokich kosztów nowej technologii i odpowiednich cen produktów. Na przykład angielski producent Domin Fluid Power szacuje wartość zaoszczędzonego kilograma wagi w wyścigach Formuły 1 na 120 tys. dolarów, w podróżach kosmicznych – na ponad 25 tys. dolarów, w samolotach – na 1,2–13 tys. dolarów, a w budowie samochodów – na 20–600 dolarów.

Technologia EBM (Electron Beam Melting)

Jest to nieco mniej powszechnie stosowana technologia druku 3D z metalu, wykorzystująca do topienia proszku metalu emitowaną przez działo wolframowe wiązkę elektronów, która zostaje przyspieszona do połowy prędkości światła. W porównaniu do metody DMLS w tej technologii każda warstwa podlega procesowi spiekania przy pomocy zogniskowanego strumienia elektronów w taki sposób, by została całkowicie spieczona i trwale połączyła się z poprzednią warstwą. Technologia EBM zachodzi w próżni, aby zapobiec rozpraszaniu promienia elektronowego przez atomy gazu i uniknąć straty energii w związku z szybko poruszającymi się elektronami. Jest ona znacznie skuteczniejsza od metody laserowej, a przy tym dużo szybsza, zwłaszcza przy tworzeniu skomplikowanych detali – szybkość skanowania dochodzi do nawet 1000 m/s, a budowa elementu odbywa się z prędkością 60 cm3/h, tj. kilkakrotnie szybciej niż w innych addytywnych technologiach. Elementy wykonane w tej technologii są w 100% wypełnione w środku, przez co nie zachodzi konieczność wypełniania wnętrza w dodatkowym procesie infiltracji.

Do jej wad należy za to zaliczyć mniejszą dokładność wytwarzanych elementów oraz często również gorszą ich jakość powierzchni, przez co niezbędne jest wówczas przeprowadzenie dodatkowej obróbki skrawaniem. Wyższe koszty bieżącej eksploatacji wynikają z konieczności częstej wymiany włókna działa elektronowego, a także ze stosunkowo wysokiego zużycia energii elektrycznej.

Technologia EBM stosowana jest z powodzeniem m.in. w medycynie przy produkcji implantów z tego względu, że zapewnia wysoki poziom gęstości oraz czystości struktury metalicznej. Metoda ta wykorzystywana jest także w produkcji elementów dla branży lotniczej oraz kosmicznej.

Udostępnij:

Drukuj





Dariusz Łuciów



Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również