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:

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:

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

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

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

Kovový prášek pro 3D tisk - Dodavatelé

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.

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