Základy 3D tlače č. 3: Trendy a inovácie v 3D tlači kovov

3D tlač kovov často nahrádza časovo a finančne náročnejšie tradičné metódy, ako je odlievanie a obrábanie. Uplatnenie nachádza v železničnom, automobilovom a leteckom priemysle, ako aj v zdravotníctve, kde sa používa napríklad na výrobu chirurgických nástrojov a bedrových náhrad.

3D tlač už dávno nie je len technológiou na výrobu prototypov a niekoľkých jednorazových dielov. Stala sa bežne používanou technológiou aj na hromadnú výrobu, a to aj v priemyselných odvetviach, ktoré si vyžadujú vysoký stupeň certifikácie. Ide najmä o zdravotníctvo, letectvo a ďalšie oblasti dopravy. Práve tu nachádza svoje uplatnenie 3D tlač kovov.

Popularita 3D tlače kovov rastie a spolu s ňou prichádzajú na trh nové výrobné metódy. Rovnako existuje široká škála materiálov, ktoré majú špecifické vlastnosti vhodné na konkrétne aplikácie. Pre lepšiu orientáciu sme pre vás pripravili prehľad najnovších trendov a inovácií v oblasti 3D tlače z kovu.

V texte sa ďalej dočítate:

• Aké metódy existujú na 3D tlač z kovu
• Aké materiály sa používajú
• Aké sú možnosti využitia 3D tlače z kovu

Zložité geometrie nie sú prekážkou

Existuje niekoľko rôznych metód, ktoré sa líšia princípom tavenia alebo spájania kovového prášku, čo ovplyvňuje mechanické vlastnosti výsledných dielov, ako aj možnosti ich použitia. Najdôležitejšie z nich sú selektívne laserové tavenie (SLM), tavenie elektrónovým lúčom (EBM) a spájanie spojivom (Binder Jetting). Ich výhody a použitie sme zhrnuli v niekoľkých nasledujúcich odsekoch.

Selektívne laserové tavenie (SLM)

Selektívne laserové tavenie (SLM) je najstaršia a najuniverzálnejšia technológia 3D tlače kovov, ktorá využíva laser na tavenie kovového prášku vo vrstvách. Proces spočíva v postupnom nanášaní tenkých vrstiev prášku a selektívnom tavení každej vrstvy podľa 3D modelu.

Túto metódu využíva napríklad tlačiareň Xact Metal XM200G. Výhodou tejto technológie je rýchlosť a kvalita tlače a jej celková univerzálnosť. Vyrába tenkostenné a hrubostenné súčiastky rôznych veľkostí zo širokej škály materiálov - napríklad z nehrdzavejúcej a nástrojovej ocele, medi, hliníka, kobalt-chrómu, titánu a mnohých ďalších.

Selektívne laserové tavenie je ideálnou voľbou na 3D tlač dielov s vysokou pevnosťou a zložitou geometriou. Umožňuje tiež vytvárať takzvané objemové mriežky. Vďaka tomu je výroba konečného výrobku lacnejšia, pretože sa nespotrebuje toľko materiálu. Okrem toho je súčiastka ľahšia a umožňuje mierne pruženie.

"Tieto 3D mriežky sú jemné, môžu prerásť kosť. Používajú sa napríklad ako náhrada platničiek v chrbtici. Na rozdiel od konvenčnej metódy sa do kosti nemusí nič skrutkovať."

Matyáš Chaloupka, obchodný a aplikačný inžinier spoločnosti 3Dees Industries

Tavenie elektrónovým lúčom (EBM)

Metóda tavenia elektrónovým lúčom (EBM) využíva na roztavenie kovového prášku vo vákuu namiesto lasera elektrónový lúč. Táto technológia je vhodná pre materiály s vysokými teplotami tavenia, ktoré nie je možné spekanie laserom, alebo pre aplikácie, pri ktorých sú kladené extrémne požiadavky na hustotu finálnych dielov.

Hoci súčiastky vyrábané metódou EBM nemajú vysoké rozlíšenie tlače ako SLM, v súčiastkach je obsiahnuté veľmi malé napätie, čo zlepšuje trvanlivosť a mechanické vlastnosti materiálu. Tieto diely sa preto môžu používať v aplikáciách s vysokým namáhaním, ako sú napríklad náhrady bedrového a kolenného kĺbu alebo súčasti leteckých motorov.

Binder Jetting

Binder Jetting je ďalšia metóda, ktorú používa napríklad tlačiareň HP Metal Jet S100. V mnohých prípadoch je to v podstate jediný spôsob hromadnej výroby určitých dielov. Jej proces spočíva v nanášaní tekutého spojiva na jednotlivé vrstvy kovového prášku. Tým sa vytvorí konečná geometria súčiastky. Po vyčistení sa speká v spekárskej peci, aby sa častice kovového prášku spojili a vytvorili pevný a homogénny kovový diel.

Výhodou technológie Binder Jetting je, že diely nemusia byť v 3D tlačiarni žiadnym spôsobom ukotvené k podkladu (ako napríklad pri technológii SLM), ale sú voľne uložené priamo v prášku. Po skončení tlače, keď je súčiastka hotová, nie je potrebné ju zložitým spôsobom čistiť od nosičov, ale stačí vyfúknuť prebytočný prášok a súčiastka je hotová.

Ľahký a odolný: Ako kovové zliatiny menia svet 3D tlače

Existuje mnoho kovových materiálov, ktoré možno použiť na 3D tlač:

• Titán: Je odolný voči korózii a obľúbený v aplikáciách, ako je letecký priemysel, vďaka kombinácii ľahkosti a pevnosti. Vďaka svojej biokompatibilite je ideálnym materiálom na výrobu lekárskych implantátov.

• Niklové zliatiny: Sú odolné voči vysokým teplotám. Používajú sa napríklad pri výrobe lopatiek turbín v energetike alebo leteckých motorov.

• Nerezové ocele: Sú vysoko húževnaté, pričom výsledný diel je pevný a odolný voči korózii. Používajú sa pri výrobe náhradných dielov a súčastí strojov, ale svoje miesto majú aj v potravinárskom priemysle. Nerezové ocele sú zvyčajne ideálnym materiálom na výrobu prototypov.

• Nástrojové ocele: Sú pevné a odolné, zachovávajú si svoje mechanické vlastnosti aj pri vysokých teplotách. Vďaka týmto vlastnostiam sa používajú na aplikácie, ako sú vstrekovacie formy alebo vysoko namáhané diely.

• Hliníkové zliatiny: Sú pevné a ľahké. Vďaka svojim mechanickým vlastnostiam sú veľmi žiadané v leteckom a automobilovom priemysle.

• Zliatiny medi: Majú vysokú elektrickú a tepelnú vodivosť, pevnosť a odolnosť proti opotrebovaniu. Používajú sa na tlač elektrických súčiastok a tepelne vodivých dielov.

3D tlač: riešenia pre špecifické potreby

Aditívna výroba kovov nachádza uplatnenie vmnohých priemyselných odvetviach vďaka svojej schopnosti vytvárať zložité, presné a prispôsobené kovové diely. Nižšie si niektoré z nich predstavíme podrobnejšie.

Energetika

3D tlač v energetike nachádza uplatnenie najmä pri výrobe dielov so zložitou geometriou, ktoré si vyžadujú vysokú odolnosť voči teplotám a mechanickému namáhaniu. Typickým príkladom sú diely pre plynové turbíny, kde sa veľmi často používajú diely vytlačené z niklových zliatin. Technológia aditívnej výroby tiež umožňuje inžinierom optimalizovať konštrukciu jednotlivých dielov, čo vedie k zvýšeniu účinnosti a zníženiu hmotnosti.

Aerospace

Vleteckom a kozmickom priemysle sa používa napríklad na výrobu ľahkých a vysoko odolných dielov. Ide nielen o funkčné interiérové komponenty, ale aj o vysoko namáhané súčasti leteckých motorov, lopatky a vstrekovače do spaľovacej komory. Vďaka aditívnej výrobe nie sú prekážkou zložité geometrie a zároveň sú ľahšie ako pri konvenčnej výrobe, čo je kľúčové pre zníženie hmotnosti lietadla, a tým aj spotreby paliva.

Z dlhodobého hľadiska môže 3D tlač prispieť aj k zníženiu výrobných nákladov - na rozdiel od tradičných metód (obrábanie, sústruženie) totiž pri výrobe nevzniká toľko odpadu. Okrem toho sa diely môžu vyrábať na požiadanie, čo znižuje náklady na skladovanie.

Transport

V automobilovom priemysle sa 3D tlač využíva najmä na rýchlu, presnú a flexibilnú výrobu prototypov a špeciálnych dielov, najmä pre motoristický šport. V tomto prípade sa 3D tlačené komponenty používajú okrem iného na zníženie hmotnosti vozidla a zvýšenie jeho výkonu.

Vďaka tejto technológii sa dajú ľahko vytvoriť komponenty na mieru podľa špecifických požiadaviek, čo výrazne urýchľuje vývoj a optimalizáciu výkonu vozidla. Okrem toho sa 3D tlač využíva aj na výrobu náhradných dielov pre staršie alebo vzácne vozidlá, pri ktorých už nie sú k dispozícii originálne komponenty.

3D tlač prináša nové možnosti aj pre železničný priemysel, najmä pri výrobe náhradných dielov alebo komponentov pre staršie zariadenia, ktoré už nie sú ľahko dostupné. Poškodený diel sa dá jednoducho naskenovať pomocou 3D skenera a následne vyrobiť nový, často už do druhého dňa. Vďaka možnosti digitálneho skladu môžu byť tieto komponenty kedykoľvek pripravené na okamžitú tlač. Aditívna výroba tak výrazne urýchľuje opravy a pomáha vrátiť vlaky do prevádzky v čo najkratšom čase.

"V poslednom čase sa rozšírila konsolidácia zostáv. Existujú diely, ktoré sú zvarené z 3 alebo viacerých kusov a môžu kombinovať niekoľko metód - frézovanie, sústruženie alebo odlievanie. Tieto rôzne tvarované kusy bývajú ručne zvárané. Materiál je potom v mieste zvaru viac namáhaný a krehkejší. Pomocou 3D tlače môžete namiesto 3 rôznych a zvarených kusov vyrobiť jeden celistvý kus, ktorý bude oveľa pevnejší ako pôvodný diel."

Matyáš Chaloupka, obchodný a aplikačný inžinier spoločnosti 3Dees Industries

Zdravotníctvo

3D tlač sa využíva aj v medicíne - na výrobu titánových implantátov (napr. kolenných a bedrových), ktoré presne zodpovedajú anatómii pacienta, ako aj chirurgických nástrojov a protéz.

Metódou SLM sa vyrábajú aj lebečné náhrady/implantáty. Keď sa pacientovi po rakovine lebky odstráni časť lebky, vytlačí sa náhrada z titánu, ktorá je presne prispôsobená danej osobe. To isté platí pre rekonštrukciu čeľuste, možno spôsobenú výbuchom alebo strelným poranením. Táto metóda v súčasnosti nachádza veľké uplatnenie vo vojnových oblastiach.

Obranný priemysel

Aditívne technológie si nachádzajú svoje miesto aj v obrannom priemysle, kde môže ísť o technológie staré desiatky rokov.

"V rámci procesu modernizácie sa potom vykonávajú rôzne konštrukčné zmeny, či už ide o prípravu nových zbraní alebo iných systémov. Tieto úpravy sa dajú efektívne realizovať pomocou 3D tlače. Aditívne technológie sa uplatňujú aj pri výrobe ťažko dostupných náhradných dielov, najmä ak ide o malé série. Tradičné výrobné metódy by boli v takýchto prípadoch neekonomické."

Matyáš Chaloupka, obchodný a aplikačný inžinier spoločnosti 3Dees Industries

V tomto odvetví sa 3D tlač využíva aj pri výrobe dronov. Najčastejšie ide o tlač z plastu, ale viac namáhané komponenty sa vyrábajú z ľahkých a odolných kovových zliatin, ako je hliník alebo titán. Ďalšou významnou výhodou aditívnych technológií je možnosť vyrábať diely rýchlo a priamo na mieste.

Kovová 3D tlač nie je len alternatívou k tradičným metódam, ale začína zohrávať čoraz dôležitejšiu úlohu v modernej výrobe. Umožňuje nielen rýchlejšiu a flexibilnejšiu výrobu, ale aj zníženie nákladov. Jej široké spektrum využitia možno v skutočnosti pozorovať v mnohých z uvedených priemyselných odvetví - vrátane tých s vysokou úrovňou certifikácie.