Základy 3D tisku No. 3: Trendy a inovace v oblasti 3D tisku kovů

3D tisk kovů mnohdy nahrazuje časově a finančně náročnější tradiční metody, jako je lití a obrábění. Své uplatnění nachází v železničním, automobilovém a leteckém průmyslu, stejně jako ve zdravotnictví, kde se používá například k výrobě chirurgických nástrojů a kyčelních náhrad. 

3D tisk už dávno není jen technologie na výrobu prototypů a pár kusových dílů. Stal se běžně využívanou technologií i v případě sériové výroby, a to i v odvětvích vyžadujících vysoký stupeň certifikace. Těmi jsou zejména zdravotnictví, letectví a další oblasti dopravy. Zde nachází využití zejména 3D tisk kovů. 

Popularita 3D tisku kovů roste a s ní přichází na trh nové výrobní metody. Stejně tak existuje široká škála materiálů, které mají své specifické vlastnosti vhodné pro konkrétní aplikace. Pro větší přehled jsme připravili shrnutí nejaktuálnějších trendů a inovací v oblasti 3D tisku z kovů. 

V textu se dále dočtete: 

• Jaké existují metody 3D tisku kovů 
• Jaké materiály se používají 
• Jaké je využití 3D tisku kovů
   

Složité geometrie nejsou překážkou 

Existuje několik různých metod, které se liší principem tavení nebo spojování kovového prášku, což ovlivňuje mechanické vlastnosti výsledných dílů i možnosti jejich využití. Těmi nejzásadnějšími jsou Selective Laser Melting (SLM), Electron Beam Melting (EBM) a Binder Jetting. Jejich výhody a možnosti využití jsme shrnuli do pár následujících odstavců. 

Selective Laser Melting (SLM) 

Selective Laser Melting (SLM) je nejstarší a nejuniverzálnější technologie 3D tisku kovů, při které je využíván laser k tavení kovového prášku po vrstvách. Proces spočívá v postupném nanášení tenkých vrstev prášku a selektivním tavení jednotlivých vrstev podle 3D modelu.  

Tuto metodu využívá například tiskárna Xact Metal XM200G. Výhodou této technologie je rychlost a kvalita tisku a všeobecné univerzální použití. Produkuje tenkostěnné i tlustostěnné komponenty různých velikostí z širokého portfolia materiálů – jako jsou nerezové a nástrojové oceli, měď, hliník, kobalt-chrom, titan a mnoho dalších.  

Selective Laser Melting je ideální volbou pro 3D tisk dílů s vysokou pevností a složitými geometriemi. Umožňuje také tvořit tzv. objemové mřížky (lattice). Díky tomu je finální produkt levnější na výrobu, protože se nespotřebuje tolik materiálu. Komponent je navíc lehčí a umožňuje mírné pružení.  

„Tyto 3D mřížky jsou jemné, dokáže jimi prorůstat kost. Používají se například jako náhrada plotýnky v páteři. Na rozdíl od konvenční metody se v tomto případě nemusí ke kosti nic šroubovat.“ 

Matyáš Chaloupka, Sales & Application Engineer v 3Dees Industries 

Electron Beam Melting (EBM) 

Metoda Electron Beam Melting (EBM) pak používá místo laseru elektronový paprsek, který taví ve vakuu kovový prášek. Tato technologie se hodí pro materiály s vysokou teplotou tavení, které nelze spékat laserem nebo aplikace, kde jsou extrémní nároky na hustotu finálních dílů. 

Komponenty vyrobené metodou EBM sice nemají tak vysoké rozlišení tisku, jako je tomu u SLM, ale v dílech je obsaženo velmi malé pnutí, což zlepšuje odolnost a mechanické vlastnosti materiálu. Tyto díly je tak možné použít ve vysoce namáhaných aplikacích, jako například k výrobě kyčelních náhrad a kolenních kloubů nebo komponent leteckých motorů. 

Binder Jetting 

Další metodou, kterou využívá například tiskárna HP Metal Jet S100, je Binder Jetting. V mnoha případech představuje v podstatě jedinou možnost sériové výroby určitých dílů. Jeho proces tkví v aplikaci kapalného pojiva na jednotlivé vrstvy kovového prášku. Tímto způsobem vzniká finální geometrie dílu. Ten se po očištění slinuje v sintrační peci, aby se spojily částice kovového prášku a vytvořily pevný a homogenní kovový díl. 

Výhodou technologie Binder Jetting je, že se díly nemusí v 3D tiskárně nijak kotvit k podložce (jako například u technologie SLM), ale jsou volně položené přímo v prášku. Po tisku, když je díl hotový, se nemusí složitě očišťovat od podpor, ale stačí přebytečný prášek jednoduše ofouknout a komponent je hotový. 
 

Lehké a odolné: Jak kovové slitiny mění svět 3D tisku 

Existuje mnoho kovových materiálů, které k 3D tisku lze využít: 

• Titan: Je odolný vůči korozi a pro svou kombinaci lehkosti a pevnosti je oblíbený například v letectví. Díky své biokompatibilitě je ideálním materiálem pro výrobu medicínských implantátů. 

• Slitiny niklu: Jsou odolné vůči vysokým teplotám. Využití nacházejí například při výrobě lopatek turbín v energetickém průmyslu nebo leteckých motorů. 

• Nerezové oceli: Jsou dobře tvárné, zároveň je výsledný díl pevný a odolává korozi. Využívají se při výrobě náhradních dílů a komponent strojů, ale své místo mají i v potravinářství. Nerezové oceli jsou obvykle ideálním materiálem pro výrobu prototypů.  

• Nástrojové oceli: Jsou pevné a odolné, své mechanické vlastnosti si udrží i při vysokých teplotách. Díky těmto vlastnostem se využívají pro aplikace jako jsou vstřikolisové formy nebo vysoce namáhané díly. 

• Hliníkové slitiny: Jsou pevné a lehké. Díky svým mechanickým vlastnostem jsou velmi žádané v leteckém a automobilovém průmyslu.  

• Slitiny mědi: Mají vysokou elektrickou a tepelnou vodivost, pevnost a odolnost vůči opotřebení. Využívají se pro tisk elektrických komponentů a tepelně vodivých dílů. 
   

3D tisk: řešení specifických potřeb 

Aditivní výroba z kovů nachází díky své schopnosti vytvářet složité, přesné a na míru přizpůsobené kovové díly využití v mnoha průmyslových odvětvích. Níže vám podrobněji představíme několik z nich.  

Energetika 

3D tisk v energetice nachází uplatnění zejména při výrobě součástí s komplexní geometrií, které vyžadují vysokou odolnost vůči teplotám a mechanickému namáhání. Typickým příkladem jsou díly pro plynové turbíny, kde se velmi často využívají díly tištěné z niklových slitin. Technologie aditivní výroby také umožňuje inženýrům optimalizovat konstrukci jednotlivých částí, což vede ke zvýšení účinnosti a snížení hmotnosti Díky možnosti lokální výroby lze rychle reagovat na potřebu náhradních dílů, což minimalizuje prostoje při údržbě nebo opravách. 

Letecký průmysl 

V leteckém průmyslu se používá například k výrobě lehkých a velmi odolných dílů. Nejde jen o funkční prvky do interiéru, ale i o vysoce namáhané komponenty leteckých motorů, lopatek i vstřikovacích trysek do spalovací komory. Díky aditivní výrobě nejsou překážkou ani složité geometrické tvary, které jsou zároveň lehčí než při konvenční produkci, což je klíčové pro snížení hmotnosti letadel a tím i spotřeby paliva. 

V dlouhodobém horizontu může 3D tisk přispět také ke snížení výrobních nákladů – na rozdíl od tradičních metod (obrábění, soustružení) totiž při výrobě nevzniká takové množství odpadu. Díly se navíc mohou produkovat podle potřeby, čímž se snižují náklady na skladování.  

Doprava 

V automobilovém průmyslu se 3D tisk využívá především k rychlé, přesné a flexibilní výrobě prototypů a speciálních dílů, zejména pro motorsport. V tomto případě 3D tištěné komponenty využívají mimo jiné pro snížení hmotnosti vozidla a zvýšení jeho výkonu.  

Díky této technologii lze snadno vytvořit komponenty na míru podle specifických požadavků, což výrazně urychluje vývoj a optimalizaci výkonu vozidel. Kromě toho se 3D tisk používá také k výrobě náhradních dílů pro starší nebo vzácné vozy, kde již originální komponenty nejsou dostupné.  

3D tisk přináší nové možnosti i pro železniční průmysl, zejména v oblasti výroby náhradních dílů nebo součástí pro starší techniku, které již není možné běžně sehnat. Poškozený díl lze snadno naskenovat pomocí 3D skeneru a následně vyrobit nový, často již do druhého dne. Díky možnosti digitálního skladu mohou být tyto komponenty kdykoliv připraveny k okamžitému tisku. Aditivní výroba tak výrazně urychluje opravy a pomáhá dostat vlaky zpět do provozu v co nejkratším čase. 

„V poslední době se začíná více prosazovat konsolidace sestav. Existují díly, které jsou svařené ze 3 a více kusů, přičemž mohou kombinovat hned několik metod – frézování, soustružení nebo lití. Tyto různě vytvořené kusy bývají ručně svařovány. V místě sváru je pak materiál více namáhaný a křehčí. Pomocí 3D tisku lze vyrobit jeden celistvý kus, namísto 3 různých a svařovaných, který bude mnohem pevnější než původní díl.“ 

Matyáš Chaloupka, Sales & Application Engineer v 3Dees Industries 

Zdravotnictví 

3D tisk nachází své uplatnění i v medicíně – k výrobě titanových implantátů (např. kolenních a kyčelních, které přesně odpovídají anatomii pacienta, ale i chirurgických nástrojů či protetických pomůcek.  

Pomocí metody SLM se vyrábí i kraniální náhrady/implantáty. Když se po rakovině lebeční kosti odebere pacientovi část lebky, vytiskne se z titanu náhrada, přesně na míru daného člověka. To samé platí i o rekonstrukci čelisti, třeba způsobené výbuchem či střelnou ranou. Tato metoda aktuálně nachází velké uplatnění ve válečných oblastech. 

Obranný průmysl 

Aditivní technologie nacházejí své místo i v obranném průmyslu, kde technika bývá klidně desítky let stará.  

„V rámci modernizace se pak provádí různé konstrukční změny, ať už jde o přípravky na nové zbraně či jiné systémy. Tyto úpravy lze efektivně realizovat pomocí 3D tisku. Aditivní technologie se také uplatňují při výrobě těžko dostupných náhradních dílů, zejména pokud jde o malé série.  Tradiční výrobní metody by v takových případech byly neekonomické.“ 

Matyáš Chaloupka, Sales & Application Engineer v 3Dees Industries 

V tomto odvětví se 3D tisk využívá i při výrobě dronů. Nejčastěji jde o plastový tisk, ale namáhanější komponenty se vyrábí z lehkých a odolných kovových slitin, jako je hliník či titan. Podstatnou výhodou aditivních technologií je také možnost zhotovit díly rychle, a to přímo v místě potřeby. 

Kovový 3D tisk není pouze alternativou k tradičním metodám, ale začíná hrát čím dál významnější roli v oblasti moderní produkce. Nejenže umožňuje rychlejší a flexibilnější výrobu, ale také snižování nákladů. O široké škále jeho využití ostatně vypovídají mnohá výše zmíněná průmyslová odvětví – a to včetně těch s vysokým stupněm certifikace.