Powder Bed Fusion

Přehled

Tavení v práškovém loži je aditivní výrobní proces, který využívá tepelnou energii k selektivnímu spojování oblastí práškového lože po vrstvách a vytváří tak díly. Jedná se o jednu z nejčastěji používaných technologií 3D tisku kovů pro výrobní aplikace.

Některé klíčové informace o fúzi v práškovém loži:

• Patří do skupiny fotopolymerizace v kádích při aditivní výrobě.
• K roztavení a spojení práškového materiálu se používá zdroj tepelné energie, například laser nebo elektronový paprsek.
• Obvykle se používají prášky z kovů, jako je nerezová ocel, titan, hliník, slitiny niklu a kobalt-chrom. V některých procesech lze použít také polymery a keramiku.
• Tavením v práškovém loži lze vytvořit plně husté kovové díly s mechanickými vlastnostmi srovnatelnými s tradiční výrobou.
• Umožňuje vytvářet složité geometrie, které nejsou možné pomocí běžných subtraktivních technik.
• Aplikace zahrnují letectví, lékařství, zubní lékařství, automobilový průmysl a všeobecné průmyslové použití.
• Mezi oblíbené technologie práškového lože patří selektivní laserové tavení (SLM), přímé laserové spékání kovů (DMLS), tavení elektronovým svazkem (EBM) a tryskání pojiva.

Procesy fúze v prášku

Bylo vyvinuto několik různých technologií fúze v práškovém loži. Mezi hlavní patří:

Selektivní laserové tavení (SLM) je dnes nejčastěji používanou technologií tavení v práškovém loži. Vysoce výkonný laser (např. vláknový, CO2, YAG) je zaměřen na práškové lože, kde vytváří taveniny a taví materiál. Práškové lože se po každé vrstvě sníží a rozprostře se na něj nový prášek. SLM využívá úplné tavení, takže lze vytvářet plně husté díly. Běžně se používají materiály jako nerezová ocel, titan, hliník, Inconel.

Přímé laserové slinování kovů (DMLS) Funguje podobně, ale cílem je pouze částečné roztavení prášku, aby se mezi částicemi vytvořila hrdla a vznikl pevný díl. DMLS má ve srovnání s SLM nižší nároky na výkon laseru.

Tavení elektronovým paprskem (EBM) využívá jako zdroj energie elektronový paprsek, který je ve vakuu zaměřen na tavení kovových prášků vrstvu po vrstvě. EBM umožňuje vyšší rychlost vytváření než laserové procesy, protože paprsek může skenovat rychleji. EBM se většinou používá pro titanové slitiny v leteckém průmyslu.

Multijetová fúze (MJF) používá inkoustové tiskové hlavy k selektivnímu nanášení tavicího prostředku na polymerní prášek, který je následně spékán zdrojem energie. MJF umožňuje vysokorychlostní spékání termoplastů.

Tryskání pojiva nejprve se na vybraná místa nanese kapalné pojivo, které spojí práškový materiál, a poté se díl zhutní slinováním. Lze ji použít pro kovy, keramiku a polymery.

Materiály pro fúzi v práškovém loži

Při aditivní výrobě s tavením v práškovém loži lze použít celou řadu materiálů. Mezi nejběžnější patří:

Nejpoužívanější jsou nerezové oceli, které mají dobrou odolnost proti korozi a mechanické vlastnosti. Slitiny titanu jako Ti6Al4V jsou oblíbené v leteckém průmyslu kvůli úspoře hmotnosti oproti oceli a niklovým slitinám. Slitiny hliníku umožňují výrobu lehkých dílů pro automobilový a letecký průmysl.

Niklové superslitiny jako je Inconel, se používají pro vysokoteplotní lopatky turbín a trysky raket. Kobalt-chromové slitiny jsou biokompatibilní a hojně se používají v zubních náhradách. Polymery jako jsou nylony, PEEK a polyamidy, lze spékat na plastové díly. Keramika jako je zirkonium a oxid hlinitý, se používají v lékařských implantátech.

Rozložení velikosti částic, tekutost, hustota balení a bod tání jsou klíčové vlastnosti práškového materiálu, které určují zpracovatelnost a vlastnosti finálního dílu.

Aplikace fúze v práškovém loži

Aditivní výroba s tavením v práškovém loži se používá v leteckém, lékařském, zubním, automobilovém a všeobecném strojírenském průmyslu. Mezi typické aplikace patří:

Na adrese letectví a kosmonautiky, fúze v práškovém loži je ideální pro jednorázové součásti, jako jsou satelity a bezpilotní letouny. Používá se pro lehké díly z titanových a niklových slitin, včetně turbín, trysek, rámů letadel.

Pro lékařské, přizpůsobené titanové a kobalt-chromové implantáty a protézy jsou hlavní oblastí použití. Umožňuje také personalizované chirurgické nástroje.

Na adrese automobilový průmysl, práškové lože se používá pro lehké prototypy a zakázkové nástroje a přípravky, jako jsou přípravky. Pro průmyslové zařízení, umožňuje výrobu specializovaných nástrojů, přípravků a kovových dílů pro konečné použití.

Na adrese architektura, fúze práškového lože umožňuje vytvářet jedinečné geometrie dekorativních a funkčních prvků v budovách a nábytku.

Výhody technologie Powder Bed Fusion

Mezi hlavní výhody technologií fúze v práškovém loži patří:

• Složité geometrie - jsou možné složité vnitřní prvky a mřížky.
• Přizpůsobení - díly lze přizpůsobit individuálním aplikacím.
• Odlehčení - snížení hmotnosti součástí optimalizací konstrukce.
• Konsolidace - spojování sestav do jednotlivých dílů.
• Vysoká pevnost - plně hutné kovy srovnatelné s pevností kovaných materiálů.
• Kratší dodací lhůty - rychlý přechod od digitálního souboru k dílu.
• Hromadné přizpůsobení - kombinuje úspory z rozsahu s přizpůsobením dílů.
• Udržitelnost - méně odpadu ve srovnání se subtraktivními procesy.

Schopnost vyrábět husté kovové díly s vlastní složitou geometrií činí z práškové fúze ideální řešení pro lehké a vysoce výkonné součásti v různých průmyslových odvětvích. Tato technologie umožňuje konsolidaci sestav do jednotlivých dílů, což snižuje výrobní a skladové náklady. Použití aditivní výroby také vede k výrazně menšímu plýtvání materiálem než tradiční subtraktivní metody, jako je CNC obrábění.

Omezení fúze v práškovém loži

Mezi současná omezení patří:

• Omezení velikosti - objem stavby je obvykle menší než 1 metr krychlový.
• Povrchová úprava - schodovitý efekt vyžadující následné zpracování.
• Rychlost budování - pomalejší než velkosériové výrobní metody.
• Anizotropní vlastnosti - směrové změny vlastností materiálu.
• Normy - nedostatek kódů a specifikací pro způsobilé díly.
• Software - pravidla návrhu a složitost přípravy souborů.
• Náklady - náklady na vybavení a materiál jsou stále poměrně vysoké.

Maximální velikost součástek je omezena stavebním objemem strojů, který se zlepšuje, ale stále je obvykle menší než 1 metr krychlový. Proces výroby po vrstvách může mít za následek špatnou povrchovou úpravu, která vyžaduje vyhlazování a leštění.

Celková rychlost výroby je nižší ve srovnání s velkoobjemovými výrobními technologiemi, jako je vstřikování. Díly mohou také vykazovat anizotropní vlastnosti v závislosti na orientaci sestavení. Nedostatek norem a specifikací pro kvalifikaci tištěných dílů je také omezením v přísně regulovaných odvětvích, jako je letectví a lékařství. Návrh optimálních dílů a předzpracování souborů vyžaduje pokročilé softwarové znalosti.

Systémové a materiálové náklady jsou ve srovnání s tradiční výrobou stále relativně vysoké. S rostoucím rozšířením se však náklady snižují a mnoho aplikací může náklady ospravedlnit díky výkonu dílů, přizpůsobení a flexibilitě konstrukce.

Následné zpracování

Následné zpracování se týká kroků, které jsou nutné po procesu sestavení, aby vznikl hotový díl:

• Odstranění prášku - Díly se oddělí od nerozpuštěného prášku pomocí kartáčů.
• Podporuje odstranění - Podpěrné konstrukce se odříznou a povrch se očistí.
• Povrchová úprava - Pískování, broušení, tryskání kuličkami pro zlepšení

Parametry procesu

Existuje několik klíčových parametrů procesu, které lze vyladit pro optimalizaci vlastností, výkonu a produktivity při tavení v práškovém loži:

Výkon laseru ovlivňuje příkon energie, rychlost tavení, rozměry taveniny a hloubku pronikání. Rychlost skenování řídí rychlost tuhnutí a chladnutí, což ovlivňuje morfologii zrn a tvorbu defektů.

Rozteč poklopů nastavuje rozestupy mezi skenovacími stopami a ovlivňuje překrývání, zhušťování a spojování vrstev. Tloušťka vrstvy určuje rozlišení, drsnost povrchu a celkovou dobu sestavení.

Strategie skenování (skenovací vzory) ovlivňuje zbytková napětí, deformace a anizotropní vlastnosti v závislosti na směru tisku. Procesní atmosféra určuje úroveň oxidace a kontaminace.

Recyklace prášku

• Netavený prášek lze sbírat a prosévat, aby se odstranily velké částice.
• Obvykle se používá až 20 cyklů
• Výrazně snižuje náklady na prášek
• Čerstvý prášek přidaný k doplnění a udržení chemického složení
• Vlastnosti sledované z hlediska prahových hodnot pro opětovné použití

Procesy tavení v práškovém loži opětovně využívají neroztavený prášek pro další konstrukce. Po zbavení prášku se sypký prášek shromáždí, proseje, aby se odstranily velké částice, a před opětovným použitím se smíchá s čerstvým práškem.

Typická rychlost opakovaného použití je až 20 cyklů v závislosti na materiálu, změnách velikosti částic a úrovni znečištění. Tato recyklace výrazně zlepšuje efektivitu materiálu a snižuje celkové náklady na díly. Pro stanovení míry obnovy se sleduje poměr a vlastnosti znovu použitého prášku.

Kontrola kvality

Mezi klíčová opatření pro kontrolu kvality používaná při tavení v práškovém loži patří:

• Chemická analýza prášků
• Analýza distribuce velikosti částic
• Sledování opětovného použití prášku
• Monitorování bazénu taveniny
• Kontrola geometrie dílů
• Zkoušky mechanických vlastností
• Nedestruktivní zkoušení (např. rentgen)
• CT vyšetření vnitřních defektů
• Měření drsnosti povrchu

Pro zajištění vysoké kvality se analyzuje chemické složení vstupního prášku a distribuce velikosti částic. Sleduje se rychlost obnovy prášku. Systémy pro sledování procesu, jako je sledování bazénu taveniny, odhalují vady během sestavování.

U tištěných dílů se měří geometrické tolerance. Mechanické zkoušky hodnotí vlastnosti na základě parametrů procesu a orientace konstrukce. Nedestruktivní a CT skenování identifikuje vnitřní vady. Hodnotí se povrchová úprava. Všechna data jsou analyzována za účelem kalibrace a optimalizace procesů.

Analýza nákladů

Typické náklady na díly pro tavení v práškovém loži závisí na:

• Odpisy stroje
• Materiálové náklady
• Práce na předzpracování a následné zpracování
• Doba výstavby a spotřeba energie
• Množství opakovaně použitelného prášku
• Poměr nákupů a letů

Náklady na strojní vybavení se odepisují po dobu očekávané životnosti na základě používání. Náklady na materiál se počítají na základě objemu dílů a poměru nákupu k počtu letů. Práce zahrnuje přípravu souboru, nastavení, odstraňování prachu a dokončovací kroky.

Spotřeba energie závisí na době sestavení a úrovni výkonu. Opakovaně použitelný prášek snižuje celkové náklady na materiál. Poměry nákup/let jsou běžné od 3:1 do 20:1 pro díly s vysokou hodnotou.

Dodavatelé

Mezi hlavní dodavatele systémů pro tavení v práškovém loži patří:

EOS a 3D Systems byly prvními průkopníky v oblasti fúze v práškovém loži a dodnes zůstávají lídry. Přísady GE získala společnosti Concept Laser a Arcam EBM, aby mohla nabízet laserové i elektronové technologie. Trumpf a Sisma poskytuje také průmyslové systémy SLM. AddUp je společný podnik společností Michelin a Fives, který se zaměřuje na aditivní výrobu kovů.

Existuje také mnoho dodavatelů materiálů pro tavení v práškovém loži, včetně společností Carpenter, Sandvik, Praxair, LPW Technology a AP&C.

Srovnání nákladů

Systémy s práškovým ložem mají vysoké náklady na zařízení od $100 000 u průmyslových tiskáren až po více než $1 milion u velkých výrobních systémů. Materiály se pohybují v rozmezí $100-500/kg. Výrobní rychlosti se pohybují v závislosti na technologii od 5-100 cm3/hod.

CNC obrábění má nižší náklady na zařízení, které začínají na $50 000. Náklady na kovový materiál jsou levnější a pohybují se na úrovni $5-50/kg. Rychlosti se pohybují v rozmezí 50-500 cm3/hod.

Vstřikovací systémy stojí také více než $100 000. Plastový materiál je však velmi levný, $2-5/kg. Rychlosti jsou 100-1000 cm3/hod.

Tavení v práškovém loži je tedy nákladově efektivní pouze u kovových dílů s nižším objemem a vysokou hodnotou, u nichž si výkon zaslouží vyšší náklady.

Fúze v práškovém loži vs. tryskání pojiva

• Tavením v práškovém loži lze vyrobit zcela husté díly, zatímco díly tryskáním pojiva jsou porézní a vyžadují infiltraci.
• Přesnost tryskání pojiva je střední, zatímco při následném zpracování lze dosáhnout vyšší přesnosti.
• Povrchová úprava práškovým tavením vyžaduje konečnou úpravu, zatímco tryskání pojivem má vrstvenou, strukturovanou povrchovou úpravu.
• Rychlost vytváření pojiva tryskáním je mnohem vyšší než u procesů s práškovým ložem, které jsou omezeny zdrojem energie.
• Práškové lůžko se používá spíše pro díly pro konečné použití, zatímco tryskání pojivem je vhodnější pro nástroje, odlitky a koncepční modely.

Fúze v práškovém loži vs. usměrněné vylučování energie

• Tavení v práškovém loži se většinou používá pro kovy, zatímco DED může používat kovy a polymery.
• Tavení v práškovém loži umožňuje vyšší složitost než DED, které má určitá geometrická omezení.
• Přesnost je vyšší při tavení v práškovém loži. Přesnost DED je střední.
• DED vytváří drsné povrchy, které vyžadují více dokončovacích prací díky přídavným kuličkám.
• Práškové tavení vytváří menší díly, zatímco DED vytváří středně velké až velké téměř síťové tvary.
• Technologie DED má mnohem vyšší rychlost nanášení díky vyfukování prášku.

Tavením v práškovém loži se tedy obecně vyrábějí menší, složité geometrie při mírných rychlostech. DED vytváří větší jednoduché tvary mnohem rychleji, ale s většími nároky na dokončovací práce.

Budoucnost fúze v práškovém loži

Některé oblasti budoucího vývoje pro fúzi v práškovém loži zahrnují:

• Větší stavební objemy až několik metrů krychlových
• Rychlejší metody skenování pro zvýšení rychlosti sestavení
• Rozšiřující se materiály, jako jsou vysokoteplotní slitiny, MMC, polymery.
• Hybridní výroba integrující tavení v práškovém loži a CNC
• Automatizované odstraňování prachu a následné zpracování
• Pokročilé monitorování a řízení v reálném čase
• Přísnější kvalifikační a certifikační postupy

Větší konstrukční platformy umožní výrobu větších dílů nebo vyšší výrobní výkon. Nové rychlejší technologie skenování mohou výrazně zvýšit rychlost sestavování. Možnosti materiálů se budou dále rozšiřovat, zejména v oblasti vysoce výkonných slitin.