Aditivní výroba kovů: A Comprehensive Guide: A Comprehensive Guide

Přehled aditivní výroby kovů

Kov aditivní výroba, známý také jako kovový 3D tisk, je transformační technologie pro rychlou výrobu kovových dílů přímo z dat 3D modelu. Na rozdíl od subtraktivních výrobních metod, jako je CNC obrábění, které odstraňují materiál, aditivní výroba vytváří součásti vrstvu po vrstvě z kovů, jako je nerezová ocel, hliník, titan, niklové slitiny a další.

V porovnání s tradiční výrobou umožňuje technologie AM větší volnost při navrhování, přizpůsobení a optimalizaci, což může snížit hmotnost, spotřebu materiálu a dobu realizace. Díly lze konsolidovat do jednoho kusu, osadit konformními chladicími kanály nebo navrhnout organické tvary, které nejsou možné při odlévání nebo obrábění. Kovový 3D tisk přináší nový potenciál pro inovace v odvětvích, jako je letectví, zdravotnictví, automobilový průmysl a energetika.

Tato obsáhlá příručka obsahuje technické podrobnosti o různých procesech AM, materiálech, aplikacích, výhodách a omezeních. Klíčové informace jsou uvedeny ve snadno porovnatelných tabulkách, které zdůrazňují možnosti a kompromisy různých technologií 3D tisku z kovu. Přečtěte si podrobný přehled o tom, jak aditivní výroba přináší revoluci ve výrobě kovů.

Hlavní výhody aditivní výroby kovů:

• Vyrábí plně husté kovové díly pro konečné použití z digitálních 3D modelů CAD.
• Na rozdíl od subtraktivních metod, jako je obrábění, přidává materiál po vrstvách.
• Umožňuje vytvářet složité, optimalizované geometrie, které nejsou možné při odlévání nebo obrábění.
• Snižuje množství odpadu, spotřebu energie a dobu přípravy oproti tradičním technikám.
• Usnadňuje rychlou výrobu prototypů i přímou výrobu dílů.
• Rozšiřující se aplikace v leteckém, lékařském, automobilovém a dalších odvětvích.

Typy procesů aditivní výroby kovů

Existuje několik přístupů k aditivnímu tisku kovových dílů. Mezi hlavní kategorie procesů AM na kovy patří tavení v práškovém loži, usměrněné nanášení energie, tryskání pojiva a laminace plechů. Každý z nich má jedinečné možnosti, pokud jde o materiály, přesnost, náklady a další.

Tabulka 1: Přehled hlavních procesů aditivní výroby kovů

Tavení v práškovém loži techniky, jako je selektivní laserové tavení (SLM) a tavení elektronovým svazkem (EBM), jsou v současnosti nejpoužívanějšími procesy AM pro kovy. Nabízejí vysoké rozlišení srovnatelné s obráběním, dobré vlastnosti materiálu a širokou škálu kovů od nerezových ocelí po slitiny na bázi niklu. Surovinou je jemný kovový prášek, který se rozprostře ve vrstvách a selektivně roztaví pomocí fokusovaného zdroje tepla v komoře s řízenou atmosférou.

Řízené ukládání energie Metody, jako je tvarování sítě pomocí laseru (LENS), soustřeďují taveninu na substrát a průběžně přidávají materiál. To umožňuje vytvářet díly větších rozměrů nanášením roztaveného prášku nebo drátěného materiálu. Rozlišení je nižší, ale velikost sestavení není omezena jako u metod s práškovým ložem. Je zapotřebí méně následného zpracování, ale kvalita povrchu je horší.

Tryskání pojiva používá ke spojení vrstev kovového prášku tekuté pojivo. Výsledné "zelené" díly se pak musí spékat a infiltrovat mědí nebo bronzem, aby se dosáhlo plné hustoty. Ačkoli jsou v současné době možnosti materiálů omezené, lze pomocí tryskání pojiva cenově výhodněji vyrábět velké množství malých složitých kovových dílů.

Laminování plechů spojuje tenké vrstvy plechu pomocí lepidla nebo svařování. Lasery nebo CNC obrábění pak vyřežou hromadu do 3D tvaru. Tento způsob poskytuje dobrou přesnost, ale má geometrická omezení v závislosti na tloušťce plechu.

Každý proces má své výhody a nejvhodnější aplikace. Výběr správné technologie AM zpracování kovů závisí na faktorech, jako jsou požadavky na materiál, přesnost, povrchová úprava, velikost série a náklady.

Materiály pro aditivní výrobu kovů

Širokou škálu kovů od nerezové oceli až po superslitiny lze tisknout metodami tavení v práškovém loži, usměrněného energetického nanášení, tryskání pojiva a laminování plechů. Mezi nejčastěji používané kovové materiály AM patří:

Tabulka 2: Běžné materiály pro aditivní výrobu kovů

Nerezové oceli jako 316L a 17-4PH jsou díky své pevnosti, odolnosti proti korozi a relativně snadnému tisku a následnému zpracování široce používány v různých průmyslových odvětvích.

Slitiny hliníku jako AlSi 10Mg umožňují výrobu lehkých dílů pro letecký a automobilový průmysl, které se obtížně obrábějí nebo odlévají.

Slitiny titanu jako je Ti64, mají vysoký poměr pevnosti a hmotnosti, který je ideální pro konstrukční součásti a biokompatibilitu.

Niklová superslitina prášek jako jsou Inconel 718 a 625, mají vynikající mechanické vlastnosti při vysokých teplotách pro náročné aplikace.

Prášek ze slitiny kobaltu a chromu se vyznačují vysokou tuhostí, biokompatibilitou a odolností proti opotřebení vhodnou pro lékařské implantáty a nástroje.

Nástrojové oceli včetně H13, D2 a maragingové oceli nabízejí velmi vysokou tvrdost, pevnost a tepelnou stabilitu pro nástroje, jako jsou vstřikovací formy nebo kovací zápustky.

Výzkum a vývoj rozšiřuje seznam kovů kompatibilních s procesy AM. Exotičtější slitiny, jako je drahé zlato nebo platina, se také používají pro specializované aplikace, jako jsou šperky nebo elektronika.

Specifikace aditivní výroby kovů

Klíčovými faktory, které určují možnosti každého stroje pro AM obrábění kovů, jsou objem, rozlišení vrstev, přesnost a podporované materiály. Požadavky jako přesnost, povrchová úprava a tepelné zpracování závisí na konkrétní aplikaci.

Tabulka 3: Specifikace a možnosti zařízení pro AM kovů

Objem sestavy pro většinu systémů s práškovým ložem a směrovanou energií se pohybuje od několika krychlových palců až po přibližně jeden krychlový metr. Pro procesy tryskání pojiva nebo laminace plechů jsou k dispozici větší zařízení.

Tloušťka vrstvy během procesu sestavování lze měnit v rozmezí 20-100 mikronů pro jemné rozlišení v řádu strojírenských povrchových úprav. Tenčí vrstvy zlepšují kvalitu povrchu, ale také prodlužují dobu sestavování.

Přesnost je ±0,1-0,2 mm pro tavení v práškovém loži a ±0,5 mm pro usměrněné energetické nanášení v závislosti na konkrétním použitém stroji AM.

Dosažitelné povrchová úprava ve stavu, v jakém je postaven, se pohybuje v rozmezí 10-25 mikronů (Ra) a 20-100 mikronů (Rz), ale pro zlepšení bude vyžadovat následné zpracování, jako je brusná úprava.

Prakticky jakákoli kovová slitina od nerezové oceli na titan a slitiny niklu lze tisknout, přičemž výběr materiálů se v posledních letech zdvojnásobil.

Dodavatelé zařízení pro aditivní výrobu kovů

Průmyslové systémy AM pro kovy a tiskové služby poskytuje řada společností. Mezi přední dodavatele, kteří nabízejí zařízení pro tavení v práškovém loži, nanášení směrované energie, tryskání pojiva a laminování plechů, patří např:

Tabulka 4: Hlavní dodavatelé systémů pro aditivní výrobu kovů

Německá společnost EOS je průkopníkem technologie přímého laserového spékání kovů (DMLS) a nabízí širokou škálu průmyslových tiskáren pro kovy, jako je titan, hliník a slitiny niklu.

Řešení SLM nabízí také zařízení pro tavení v práškovém loži, které dokáže zpracovávat oceli, titan, hliník a další kovy o objemu až 500 krychlových palců.

HP, Stolní kov, a ExOne pákové tryskání pojiva zaměřené na velkosériovou výrobu malých, složitých dílů z nerezové nebo legované oceli.

Sciaky a Optomec dodává systémy pro nanášení usměrněné energie pro velkoplošný tisk kovů s použitím titanových, hliníkových a niklových superslitin.

Fabrisonic využívá patentovanou ultrazvukovou aditivní výrobu, která umožňuje zabudovat kabeláž, senzory a další prvky do kovových dílů.

Počáteční kapitálová investice do zařízení pro AM obrábění kovů se obvykle pohybuje od $100 000 do $1 milionu v závislosti na výrobní kapacitě, ačkoli ceny rychle klesají. Náklady na materiál se značně liší v závislosti na konkrétní použité slitině.

Aplikace aditivní výroby kovů

Aditivní výroba kovů přináší novou konstrukční svobodu a možnosti vhodné pro letecké, lékařské, automobilové a obecně průmyslové aplikace, jako jsou:

Aerospace: Lehké držáky a složité konstrukce, součásti motoru s konformním chlazením a konsolidace dílů pro snížení hmotnosti, spotřeby materiálu a doby výroby.

Lékařský: Ortopedické implantáty na míru, chirurgické nástroje s tenkými stěnami a mřížkovými strukturami pro zlepšení osteointegrace s kostí, zubní náhrady.

Automobilový průmysl: Lehké příhradové konstrukce, hromadné přizpůsobení komponentů, nástroje jako přípravky a přípravky pro zlepšení pracovních postupů v továrně.

Průmysl/spotřebitel: Osvětlení, nábytek, sportovní zboží a hudební nástroje využívající organické tvary, masové přizpůsobení a lehké mřížové konstrukce.

Nástroje: Do vstřikovacích forem, zápustek a nástrojových vložek lze zabudovat konformní chladicí kanály, které zkracují dobu cyklu. Rychlá obrátka náhradních dílů nástrojů.

Ropa a plyn: Zakázkové potrubní armatury, konstrukční prvky, jako jsou soupravy a ventilové bloky pro vysokotlaké/korozivní prostředí.

Tato technologie se používá také pro rychlé nástroje, přípravky a prototypy při vývoji produktů v mnoha průmyslových odvětvích. Níže uvádíme několik příkladů aplikací a výhod technologie AM pro kovy ve srovnání s konvenční výrobou:

Tabulka 5: Aplikace a přínosy aditivní výroby kovů

Aditivní výroba dává konstruktérům nebývalou konstrukční svobodu při výrobě kovových součástí, která není možná nebo ekonomická při odlévání, obrábění nebo jiných konvenčních výrobních technikách.

Výhody a nevýhody technologie AM pro kovy

Ve srovnání se subtraktivní výrobou a dalšími tradičními metodami výroby kovů nabízí AM několik klíčových výhod, ale také omezení, která je třeba vzít v úvahu:

Tabulka 6: Aditivní výroba kovů - výhody a nevýhody

Hlavními výhodami AM kovů jsou svoboda designu, konsolidace částí, přizpůsobení, a rychlejší vývoj produktů cyklů. Odlehčení a úspora materiálu jsou možné také v odvětvích, jako je letecký a automobilový průmysl.

Menší sestavení objemů, vyšší nákladya nedostatek materiál dostupnost v komerčním měřítku zůstávají překážkami oproti tradiční výrobě. Většina aplikací kovové AM je nejvhodnější pro nízké až střední objemy výroby, kde výhody přizpůsobení a zkrácení dodací lhůty převažují nad vyššími náklady na vytištěný díl.

S klesajícími cenami zařízení a materiálů pro AM obrábění kovů se budou objemy výroby a aplikace rozšiřovat ve více průmyslových odvětvích. S pokrokem v kvalitě a většími konstrukčními rozměry se zrychlí zavádění velkosériové výroby.

Budoucnost aditivní výroby kovů

Přestože se jedná o stále se rozvíjející technologii, aditivní výroba kovů je v nadcházejících letech připravena na významný růst. Rozšiřující se aplikace, noví hráči a zvýšené přijetí v dodavatelských řetězcích budou hnací silou expanze trhu.

• Předpokládá se, že celosvětový trh s kovy AM přesáhne do roku 2028 $15 miliard, což je více než dvojnásobek oproti roku 2021. Předpokládá se, že na letecký a lékařský sektor bude připadat více než 50% poptávky.
• Výrobci systémů vyvíjejí stroje s větším objemem výroby, multilasery a zařízení s vyšší produktivitou zaměřená na sériovou výrobu.
• Kromě niklových superslitin jsou stále dostupnější i další materiály, včetně hliníku a ocelí s vyšší pevností, drahých kovů, hořčíku, nástrojové oceli a dalších.
• Kvalita a opakovatelnost se stále zlepšují díky pokročilému řízení strojů, softwaru a zefektivněným pracovním postupům, které minimalizují počet pokusů a omylů.
• Optimalizace dodavatelského řetězce prostřednictvím AM získává na popularitě napříč průmyslovými odvětvími, protože se zkracují dodací lhůty a technologie se stává nákladově efektivnější pro komponenty pro konečné použití oproti pouhému prototypování.
• Decentralizovaná výroba na míru by mohla snížit rizika dodavatelského řetězce a logistické náklady. Lokalizovaná výroba na vyžádání se bude rozšiřovat.
• Vlády významně investují do průmyslového výzkumu AM v oblasti kovů, programů rozvoje pracovních sil a rozvoje regionálních výrobních ekosystémů v souvislosti s touto technologií.

Přestože se aditivní výroba kovů stále vyvíjí, prokázala jasné výhody oproti konvenční výrobě v různých aplikacích od leteckých motorů až po implantáty pro pacienty. S tím, jak si AM osvojuje stále více zúčastněných stran napříč dodavatelskými řetězci, je schopna transformovat výrobu a umožnit novou éru inovací v oblasti designu.

Metal AM Často kladené otázky

Otázka: Jaké materiály jsou kompatibilní s kovovým 3D tiskem?

Odpověď: Tisknout lze na většinu průmyslových kovů včetně nerezových ocelí, hliníkových slitin, titanu, nástrojových ocelí, niklových superslitin a dalších. Některé procesy podporují i drahé kovy, jako je zlato, stříbro a platina.

Otázka: Jak přesná je aditivní výroba kovů?

Odpověď: Přesnost rozměrů u většiny procesů tavení v práškovém loži je přibližně ±0,1-0,2 mm, podobně jako u CNC obrábění. U usměrněného energetického nanášení je to ±0,5 mm nebo více.

Otázka: Vyžaduje metal AM nějaké následné zpracování?

Odpověď: Obvykle je nutná určitá následná úprava, jako je povrchová úprava a tepelné zpracování. Podpůrné struktury se odstraní a povrch se opracuje, obrousí nebo chemicky ošetří, aby se díly vyhladily a dokončily.

Otázka: Jaké jsou výhody technologie AM oproti odlévání nebo obrábění?

Odpověď: Mezi výhody patří volnost návrhu, lehké konstrukce, konsolidace dílů, snížení počtu nástrojů, zkrácení dodacích lhůt, hromadné přizpůsobení a další. AM umožňuje optimalizovat tvary, které nejsou možné u subtraktivních technik.

Otázka: Jaká odvětví jsou hnací silou zavádění 3D tisku z kovu?

Odpověď: Nejvíce se v současné době prosazuje letecký, lékařský a zubní průmysl, automobilový průmysl a průmyslová odvětví. Tato technologie je ideální pro složitou, malosériovou výrobu, kde je výhodou přizpůsobení a snížení hmotnosti.

Otázka: Jak drahá je metoda AM ve srovnání s konvenční výrobou?

Odpověď: Tištěné kovové díly jsou pro hromadnou výrobu stále dražší. U malých sérií do 1000 kusů může být AM cenově konkurenceschopná a kompenzována výhodami flexibility návrhu, rychlejšího uvedení na trh, konsolidace dílů a přizpůsobení.