3D tiskárny s kovovým práškem

Přehled

3D tiskárny s kovovým práškem pomocí laserového nebo elektronového paprsku selektivně roztavit a spojit kovový prášek do pevného 3D objektu. Tato technologie aditivní výroby umožňuje vytvářet složité geometrie a lehké díly přímo z dat 3D CAD.

V porovnání s tradičními subtraktivními metodami, jako je CNC obrábění, lze pomocí 3D tisku kovů konstruovat složité konstrukce bez typických omezení, jako je přístup k nástrojům nebo vysoký počet dílů při montáži. Poskytuje volnost při navrhování a zkracuje dobu potřebnou k uvedení na trh pro lehké součásti v leteckém, automobilovém, lékařském a všeobecném průmyslovém použití.

Tento proces však může být pomalejší a dražší v závislosti na požadavcích na objem. Dosažení hustých součástí bez dutin s požadovanými mechanickými vlastnostmi vyžaduje optimalizaci několika parametrů tisku a kroků následného zpracování.

Typy 3D tiskárny s kovovým práškem

Při tavení kovových prášků se používají dvě hlavní technologie - přímé laserové spékání kovů (DMLS) a tavení elektronovým svazkem (EBM). Hlavní rozdíly spočívají ve zdroji tepla, atmosférických podmínkách, možnostech prášku a aplikacích:

Parametr	DMLS	EBM
Zdroj tepla	Vláknový laser	Elektronový paprsek
Atmosféra	Inertní argon	Vakuum
Materiály	Al, Ti, Ni slitiny, nástrojové oceli	slitiny Ti, některé slitiny Ni
Rozlišení	Vyšší, tenké stěny až 0,3 mm	Mírná, minimální stěna 0,8 mm
Přesnost	± 0,1-0,2% s detailem 20-50 mikronů	± 0,2% s detailem 50-200 mikronů
Povrchová úprava	Hladký povrch po potisku	Poměrně drsný povrch
Rychlost	Mírná rychlost výstavby	Velmi rychlá rychlost sestavování
Aplikace	Zubní, lékařské a letecké komponenty	Ortopedické implantáty, letecké a kosmické konstrukce

Tiskárny DMLS používají vysoce výkonný vláknový laser přesně řízený galvanickými skenery nebo zrcadly k selektivnímu tavení mikroskopických vrstev kovového prášku v inertní argonové atmosféře. Složité a jemné struktury s jemnějšími detaily lze vyrábět s vysokou přesností a hladkým povrchem.

Mezi oblíbené systémy DMLS patří řada EOS M, laserové stroje GE Additive Concept, čtyřnásobná laserová tiskárna Renishaw RenAM 500 a open-source Lulzbot TAZ Pro.

Tiskárny EBM využít elektronový paprsek jako zdroj tepla o vysoké intenzitě k úplnému roztavení vrstev kovového prášku ve vakuu. Rychlý skenovací paprsek umožňuje velmi vysokou rychlost vytváření, ale hrubší rozlišení kolem 100 mikronů.

EBM dokáže efektivně tisknout porézní struktury používané jako kostní implantáty. Přední systémy EBM vyrábí společnost ARCAM, nyní značka GE Additive, která vyrábí tiskárny Arcam EBM Spectra H, Q10plus a Q20plus.

Kovové práškové materiály

Většina komerčních kovových prášků pro 3D tisk v práškovém loži splňuje následující specifikace:

Parametr	Typický rozsah
Velikost částic	10 - 45 mikronů
Tekutost	Vhodné pro nanášení vrstev
Čistota	>99.5%
Tvar	Sférické, Satelitní, Nepravidelné
Zdánlivá hustota	60-80% s pevnou hustotou
Hustota poklepání	Až 98% hustoty po zhutnění

Běžné slitiny používají se titan, hliník, nerezová ocel, niklové superslitiny a kobalt-chrom. Mnohé z nich jsou přizpůsobeny pro procesy AM a optimalizovány po opakované recyklaci.

Titan třídy 5 Ti6Al4V je oblíbený pro svůj poměr pevnosti a hmotnosti a biokompatibilitu. Hliníková slitina AlSi10Mg a součásti z maragingové oceli mají vysokou pevnost. Kobalt-chrom se hojně používá pro zubní a lékařské implantáty.

Niklové superslitiny, jako je Inconel 718 a 625, mají vynikající tepelnou a korozní odolnost při vysokých teplotách. Nástrojové oceli lze po tisku kalit na 60 HRC, což zajišťuje extrémní odolnost proti opotřebení.

S rozšiřováním technologie se začaly používat i prášky z exotických kovů - hliník, hořčík, skandium, měď, nikl, cín, ale i drahé kovy jako zlato, platina a stříbro.

Proces tisku

Ačkoli se DMLS a EBM liší hardwarově, obecné kroky při tavení kovů v práškovém loži jsou:

1. 3D model CAD navržený s ohledem na principy designu AM
2. Soubor STL zpracovaný pomocí softwaru pro krájení
3. Mechanismus nanášení prášku šíří měřenou vrstvu
4. Laser nebo paprsek skenuje vzor řezu podle souboru
5. Proces se opakuje, dokud není na základní desce postaven celý objekt.
6. Přebytečný prášek podpírá díl a tlumí namáhání
7. Tiskárna po filtraci získává nerozpuštěný prášek k opětovnému použití.
8. Dokončená 3D tištěná sestava vyjmutá ze stroje

Pro kovy platí následující následné zpracování je před uvedením dílu do provozu rozhodující:

• Odstranění podpory řezáním, tryskáním nebo chemickým rozpouštěním
• Izostatické lisování za tepla k odstranění vnitřních dutin
• Tepelné úpravy pro změnu mikrostruktury
• Povrchová úprava - tryskání, broušení, leštění
• Přesné obrábění podle požadavků na tolerance
• Kontroly kvality pro jednotlivé aplikace - rozměrová přesnost, hustota, mechanické vlastnosti, mikrostruktura, povrchové vady.

3D tisk kovů otevírá klíčové aplikace díky:

Složitost návrhu - složité chladicí kanály, mřížky, bionické tvary

Přizpůsobení - implantáty na míru pacientovi, slitiny na míru

Snížení hmotnosti - lehčí aerodynamické a automobilové komponenty

Konsolidace částí - integrované sestavy vytištěné jako jeden díl

Rychlé prototypování - rychlejší iterace návrhů

Výhody a nevýhody 3D tisku z kovu

Výhody	Nevýhody
Volnost designu pro složité organické tvary	Relativně pomalé rychlosti sestavování
Odlehčení optimalizací rozložení hmotnosti	Omezení velikosti dílů v závislosti na modelu tiskárny
Rychlejší uvádění výrobků na trh	V současné době nákladná technologie pro výrobu
Přizpůsobení a personalizace	Rozsáhlé následné zpracování
Dosažitelná vysoká pevnost a tvrdost	Anizotropní vlastnosti materiálu
Složité mřížové a pěnové struktury	Musí být navržen tak, aby vyhovoval principům AM

Průvodce pro kupující - 3D tiskárny s kovovým práškovým ložem

Výběr nejlepšího 3D tiskového systému s kovovým práškovým ložem pro průmyslovou výrobu závisí na:

1) Obálka budovy: Maximální rozměry dílů - oblíbené velikosti od 100-500 mm kostek

2) Laserový / elektronový paprsek: Výkon od 50 W do 5 kW; vyšší výkon umožňuje rychlejší sestavení stavby

3) Materiály: Náklady, mechanické požadavky, snadnost následného zpracování, úrovně certifikace

4) Přesnost/povrchová úprava: Dosažitelná rozměrová přesnost a tolerance; cílová drsnost

5) Automatizace: Systémy pro manipulaci s práškem, prosévání, recyklaci a řídicí software

6) Cena: Náklady na zařízení se pohybují od $100k do více než $1M; zvažte provozní náklady.

7) Dodací lhůta + servis: Instalační plány od dodavatelů; přístup k odborným znalostem aplikací

Specifikace	Začátečníci	Profesionální	Průmyslový
Objem sestavení	5 x 5 x 5 palců	10 x 10 x 12 palců	750 x 380 x 380 mm
Výkon laseru	100-200 W	400-500 W	1 kW
Výška vrstvy	20-50 μm	20-30 μm	20-50 μm
Materiály	nerezové oceli	~10 kovových variant	Slitiny Ti, Al, Ni, další
Přesnost	± 0,5-1 mm	± 0,1-0,2 mm	± 0,075-0,2 mm
Drsnost povrchu	15 μm Ra	7-10 μm	5-15 μm
Automatizace	Ruční manipulace s práškem	Automatizované vyprazdňování	Uzavřená smyčka zpracování prášku
Cenové rozpětí	$100-250K	$300-750K	Více než $1 milionů

Aplikace 3D tisku z kovu

Aerospace

• Odlehčené letecké konstrukce a součásti - slitiny titanu a hliníku
• Integrované sestavy sloučené do jednoho tištěného dílu
• Složité části motoru s konformními chladicími kanály
• Rychlé prototypy pro ověření designu

Lékařské přístroje

• Zakázkové lebeční, páteřní a ortopedické implantáty - titan a kobalt-chrom
• Biomodely pro chirurgické plánování a vodítka
• Pacientům odpovídající implantáty a instrumentárium

Automobilový průmysl

• Lehký podvozek a konstrukční díly z hliníku a oceli
• Personalizované automobilové komponenty
• Konsolidace složitých dílů - bloky motorů s chlazením

Průmyslová výroba

• Odlehčování součástí a optimalizace konstrukce
• Konsolidace částí pro zlepšení funkčnosti
• Náhradní díly na vyžádání se zkrácenými dodacími lhůtami
• Kovové vstřikovací nástroje s konformním chlazením

Dodavatelé 3D tiskáren s kovovým práškovým ložem

Výrobce	Modely	Popis
Přísady GE	Concept Laser M2, Mlab, Xline 2000R	Laserové tiskárny s práškovým ložem od společnosti Concept Laser
3D Systems	DMP Flex 350, Factory 500	Tiskárny pro laserové tavení kovů se dvěma lasery
Renishaw	RenAM 500M	Modulární laserový systém s konfigurací čtyř laserů
Řešení SLM	SLM 280 2.0, SLM 500 HL	Selektivní laserové tavicí stroje, průkopníci v oblasti fúze v práškovém loži
Trumpf	TruPrint 3000	Automatizovaná laserová 3D tiskárna kovů německé výroby
AddUp	FormUp 350	Modulární dvojitá laserová tiskárna pro letecký průmysl
Sisma	Sisma MYSINT100	Nízkonákladový úvodní systém laserového tavení kovů
Aditivní průmysl	MetalFAB1	Vysoce produktivní systém AM pro sériovou výrobu
OR Laser / Matsuura	LUMEX Avance-25	Hybridní subtraktivní + laserová 3D tiskárna kovů
Mazak	INTEGREX i-AM	Hybridní kovová 3D tiskárna s frézováním hotová v jednom
DMG Mori	Lasertec 12 SLM	Prášková tryska + laserová 3D tiskárna kovů + 5osé frézování
ARCAM / GE Additive	Arcam Q20plus	Tiskárna technologie EBM pro ortopedické implantáty
Velo3D	Safír	PodporaVolná kovová tiskárna pro nízkoúhlové prvky
Stolní kov	Výrobní systém	Pracovní postup tryskání pojiva + spékání pro 3D tisk z kovu
Markforged	Kov X	Tiskárna pro nanášení vázaného kovu cenově dostupná pro dílny
Tiertime	UP300M	Laserový stroj pro fúzi v práškovém loži "made in China
Farsoon	FS721M	Průmyslový systém s kovovým práškovým ložem
3DGence	DOUBLE P255	Kombinovaný hybridní systém laserové a EBM tiskárny kovů
Aidro	hydrim M3	Multilaserová tiskárna kovů zaměřená na hydrauliku
Aurora Labs	RMP-1	Multilaserová tiskárna s vysokou výkonností

Kovový prášek pro 3D tisk - Dodavatelé

Společnost	produkty	Popis
AP&C	Slitiny titanu, niklu a kobaltu	Prášky pro letecký a lékařský průmysl
Přísada pro tesaře	17-4PH, 316L, kobaltový chrom, Inconel	Široké portfolio slitin pro 3D tisk
Sandvik Osprey	Ti6Al4V, nerezové oceli, slitiny Ni	Sférické prášky přizpůsobené pro AM
Praxair	Slitiny titanu, niklu a nástrojové oceli	Reaktivní a žáruvzdorné kovy vysoké čistoty
Technologie LPW	Prášky ze slitin hliníku	Specialisté na hliníkové materiály
Höganäs	Nerezové oceli, měkké magnetické slitiny	Tvarované kovové prášky z atomizace
EOS	EOS MaragingSteel MS1, nerezová ocel 316L	Materiály a parametry systému OEM

Analýza nákladů

Stejně jako většina aditivních technologií je v současné době i tavení kovového prášku v loži dražší pro jednotlivé vyráběné díly ve srovnání s běžnou hromadnou výrobou.

Nabízí však úspory nákladů díky konsolidaci dílů, odlehčení, a zrychlení doby uvedení na trh během vývoje produktu.

Nákladový faktor	Relativní velikost
Náklady na kovový práškový materiál	$100-$500/kg
Zařízení tiskáren v amortizované pořizovací ceně	~$50/hodina sestavení
Práce na předzpracování	~2-5 hodin na 20 dílů
Operace následného zpracování	5x - 10x vyšší náklady na materiál
Celkové náklady na díl dnes	$100-$2000 za kg
Náklady na CNC obráběné díly	$50-$500 za kg
Budoucí náklady na výrobní díl	~$20-50 za kg

S pokračujícím vývojem v oblasti automatizace, rychlejších konstrukčních rychlostí a sériové výroby se kovové AM se předpokládá, že v průmyslových odvětvích s vysokou hodnotou budou náklady na díly konkurenceschopné s náklady na obráběné součásti.

Výhled do budoucna

Tavení kovového prášku v loži se bude i nadále prosazovat u malých a středně velkých dílů, které překračují hranice běžných výrobních omezení.

Mezi probíhající trendy v oblasti 3D tisku kovových prášků patří:

• Větší stavební obálky nad 500 mm krychlí
• Další ověřené slitiny, jako je měď, zlato, hliník.
• Vylepšené vlastnosti materiálů a povrchové úpravy
• Rychlejší laserové skenování až do 10 m/s pro větší objemy
• Opakovatelnější mechanický výkon napříč stroji
• Rozšířená škála tříd materiálu v jednom systému
• Vylepšená manipulace s práškem a zpracování v uzavřené smyčce
• Další hybridní systémy s integrovaným obráběním
• Vysoce kvalitní inline monitorování a metrologie
• Varianty tiskáren a procesní parametry specifické pro dané odvětví
• Další vysoce produktivní systémy pro sériovou výrobu

S tím, jak se tato technologie rozšiřuje a stává se cenově konkurenceschopnější navzdory své složitosti, bude AM transformovat výrobu napříč odvětvími, což umožní hromadnou úpravu kovových dílů pro konečné použití na zakázku.

FAQ

Otázka: Jak drahé jsou 3D tiskárny s kovovým práškem a související provozní náklady?

Odpověď: Průmyslové systémy pro tisk na kov se pohybují od $100 000 do $1M+. Provozní náklady jsou mezi procesy AM nejvyšší - většinu výdajů tvoří práškové materiály, inertní atmosféry a dokončovací práce.

Otázka: Jaké velikosti kovových dílů lze dnes vytisknout na 3D tiskárně?

Odpověď: Rozměry jsou možné až do 500 x 500 x 500 mm, průměrně však ~300 mm na stranu. Do tohoto rozmezí spadá mnoho průmyslových komponent. Existují i větší systémy o délce nad jeden metr.

Otázka: Jaké pokročilé materiály se pro AM vyvíjejí nad rámec běžných ocelí a titanu?

Odpověď: Vývoj technologie AM se rozšiřuje na žáruvzdorné kovy, jako je wolfram, molybden, tantal, a také na drahé kovy používané ve šperkařství včetně slitin zlata, stříbra a platiny.

Otázka: Jaká je přesnost a kvalita povrchu 3D tiskárny s kovovým práškovým ložem?

Odpověď: Rozměrová přesnost po následném zpracování je přibližně ±0,1-0,3%, přičemž lze dosáhnout tolerance ±0,05 mm. Svislé povrchy vykazují zpočátku drsnost povrchu 5-15 mikronů. Vyšší kvalita povrchu vyžaduje dodatečné frézování/leštění.

Otázka: Jaké teploty a tlaky se používají při spékání kovových práškových výtisků na plnou hustotu?

Odpověď: Záleží na slitině, ale běžné parametry HIP a slinování jsou: Teplota 1100-1300 °C při tlaku 100-200 MPa po dobu 2-4 hodin pro dosažení hustoty pevného kovu >99%. Díly vyrobené metodou SLM dosáhly hustoty 99,9%.

Otázka: Který proces 3D tisku kovů je nejrychlejší pro sériovou výrobu?

Odpověď: Z hlediska rychlosti výroby jsou systémy pro tavení elektronovým svazkem (EBM) více než čtyřikrát rychlejší než laserové procesy, což je činí atraktivními pro výrobu kovových dílů. Laserové systémy se je snaží dohnat.

Otázka: Vyrábí se při 3D tisku z kovového prášku izotropní nebo anizotropní materiálové díly?

A: V důsledku extrémních tepelných gradientů mezi roztaveným práškem a okolím vykazují kovy vyrobené v práškovém loži anizotropní vlastnosti, kdy se horizontální tahové hodnoty liší od vertikálních typicky o ~30%.

Otázka: Je pro kovové díly vytištěné metodou DMLS a EBM nutné tepelné zpracování?

Odpověď: Ano, tepelné zpracování je nezbytné k uvolnění vnitřních pnutí v konstrukci po vrstvách a k dosažení cílových mechanických parametrů slitin, pokud jde o tvrdost, tažnost atd.

Otázka: Jak udržitelný je 3D tisk kovů v práškovém loži ve srovnání s tradiční výrobou kovů?

Odpověď: Systémy AM znovu využívají více než 90% přebytečného kovového prášku během sestavování. A vytištěné komponenty vyžadují o 25-50% nižší hmotnost základního materiálu díky lehkým a optimalizovaným konstrukcím - což je významný přínos pro udržitelnost.

znát více procesů 3D tisku

Additional FAQs about Metal Powder 3D Printers

1) How do I set powder reuse limits without compromising mechanical properties?

• Track oxygen/nitrogen/hydrogen (O/N/H), particle size distribution (PSD), and satellites per reuse cycle. Typical practice: blend 20–50% virgin with recycled powder; cap reuse at 3–5 cycles for Ti, 5–8 for Ni/Co, and 6–10 for stainless, rejecting lots if O increases >0.03 wt% (Ti) or D90 drifts beyond machine spec.

2) Which metrics best predict stable powder spreading and density?

• High sphericity (>0.95), low satellites count, Hall flow 12–20 s/50 g, consistent apparent density (±0.1 g/cc), moisture <200 ppm (Karl Fischer), and tight PSD targeting the machine’s layer thickness and optics.

3) When should I choose EBM over DMLS in metal powder 3D printers?

• Choose EBM for porous Ti implants, large Ti parts, and high-temperature alloys where preheat minimizes residual stress and supports. Choose DMLS for finer features, tighter tolerances, and wider material ecosystems (Al, steels) with smoother as-built surfaces.

4) How do higher layer thickness strategies affect quality and throughput?

• Moving to 50–80 µm (and up to 120 µm in EBM) boosts throughput 15–30% but demands tighter PSD control and optimized contour passes to preserve density and surface finish. Validate via CT porosity and staircase coupons.

5) What acceptance data should be on a powder Certificate of Analysis (CoA)?

• Chemistry (ICP-OES), O/N/H (IGF), PSD (laser diffraction D10/D50/D90), morphology/sphericity (SEM image analysis), flowability (Hall/Carney), apparent/tap density, moisture (Karl Fischer), and contamination report (magnetic/optical pick-up tests).

2025 Industry Trends: Metal Powder 3D Printers

• Multi-laser scaling: 8–16 laser platforms and advanced tiling reduce stitch defects and raise area rates by 20–40%.
• Copper and high-conductivity alloys: CuCrZr and OFE copper adoption grows for heat exchangers; improved infrared monitoring enables stable melt pools.
• Digital genealogy and LCA: Powder lot tracking tied to melt-pool data and CO2e/kg disclosures increasingly required in aerospace RFQs.
• High-layer builds: Wider use of 60–80 µm layers on multi-laser DMLS with revised PSD (20–63 µm) and contour strategies.
• Safety modernization: NFPA 484-aligned inertization and continuous dust monitoring become standard for powder rooms.

Table: 2025 indicative benchmarks for metal powder 3D printing (PBF-LB and EBM)

Kategorie	Ti‑6Al‑4V (DMLS)	Ti‑6Al‑4V (EBM)	IN718 (DMLS)	316L (DMLS)	CuCrZr (DMLS)
PSD target (µm)	15–45	45–106	15–53	15–45	20–63
Typical layer thickness (µm)	30–60	90–120	40–60	30–60	40–60
As-built density (%)	99.5–99.9	99.5–99.9	99.5–99.9	99.6–99.9	99.3–99.8
Surface roughness Ra (µm)	8-15	15-30	8-15	7–12	10–18
Recommended reuse cap (cycles)	3-5	3-5	5-8	6–10	3-6
O (wt%) typical in powder	0,08–0,15	0,08–0,15	0.01–0.03	0.02–0.04	0.01–0.03

Selected references and standards:

• ISO/ASTM 52907 (Feedstock materials for AM), 52904 (Metal PBF process), 52908 (Incl. environmental health and safety) – https://www.iso.org/ | https://www.astm.org/
• ASTM F3302 (Feedstock process control), F3122 (Property reporting)
• NIST AM-Bench datasets – https://www.nist.gov/ambench
• NFPA 484 (Combustible metals) – https://www.nfpa.org/

Latest Research Cases

Case Study 1: Scaling Multi-Laser Ti‑6Al‑4V Brackets for Flight Hardware (2025)
Background: An aerospace tier-1 struggled with porosity and weld lines when moving from 4 to 12 lasers.
Solution: Implemented overlap optimization with staggered scan vectors, tightened PSD to D90 ≤ 45 µm, and enforced O2 < 100 ppm in-chamber. Added closed-loop powder drying and 30% virgin blend policy.
Results: Lack-of-fusion defects reduced 60% (CT verified); as-built density 99.9% post-HIP; throughput +28%; NCMR rate −35%.

Case Study 2: High-Throughput 316L Lattice Heat Exchangers (2024)
Background: An energy OEM aimed to cut cycle time on dense lattice cores.
Solution: Adopted 60–80 µm layers with dual-contour finishing, adjusted hatch to reduce keyholing, and standardized moisture control (KF < 200 ppm). Automated depowdering introduced for intricate internals.
Results: Build time −24%; pressure drop variability −18%; tensile scatter −12%; powder reuse extended to 8 cycles with stable O/N/H.

Názory odborníků

• Dr. Brent Stucker, AM standards contributor and executive
  Viewpoint: “Powder genealogy tied to melt-pool signatures is becoming mandatory for certifying metal powder 3D printers in aerospace production.”
• Prof. Iain Todd, Professor of Metallurgy and Materials Processing, University of Sheffield
  Viewpoint: “Controlling satellites and PSD tails remains the simplest lever to stabilize density across multi-laser platforms.”
• Dr. Laura Cotterell, AM Materials Lead, Aerospace OEM
  Viewpoint: “Atmosphere and moisture control during powder handling influence fatigue as much as parameter optimization on the machine.”

Practical Tools and Resources

• ISO/ASTM AM standards portal – https://www.astm.org/ | https://www.iso.org/
• NIST AM‑Bench (open datasets and challenges) – https://www.nist.gov/ambench
• SAE/AMS material specs for AM Ti/Ni – https://www.sae.org/
• NFPA 484 safety guidance for metal powder handling – https://www.nfpa.org/
• ImageJ/Fiji for SEM-based sphericity and PSD analysis – https://imagej.nih.gov/ij/
• ASTM AM CoE training on powder handling, HIP, qualification – https://amcoe.astm.org/

SEO tip: Use keyword variations like “Metal Powder 3D Printers specifications,” “powder reuse and oxygen control,” and “multi-laser PBF throughput” in subheadings, internal links, and image alt text.

Last updated: 2025-10-14
Changelog: Added 5 focused FAQs; introduced 2025 benchmarks table and trend insights; authored two recent case studies; included expert viewpoints; curated practical resources; added SEO keyword guidance
Next review date & triggers: 2026-04-15 or earlier if ISO/ASTM/NFPA standards update, OEM allowables change, or new datasets revise PSD/sphericity/O/N/H best practices