Stepanek3D: What are the available technologies for 3D metal printing?

Ke�e existuje viacero spôsobov, ako 3D tla�ou vyrobi� kovový diel, po�me si vysvetli� dostupné technológie:

1. DMLS/SLM (Direct Metal Laser Sintering / Selective Laser Melting) – technológia spekania kovového prášku laserom,
2. EBM (Electron Beam Melting) – technológia spekania kovového prášku elektrónovým lú�om,
3. DED (Direct Energy Deposition) – fúzia usmernených �astíc laserovým alebo elektrónovým lú�om na princípe podobnému CNC zváraniu,
4. BJ (Binder Jetting) – technológia spájania prášku pojivom s následným spekaním,
5. Technológia strateného vosku – 3D tla� voskového modelu a následné výroba formy s liatím,
6. BPE (Bound Powder Extrusion) – Kombinácia FDM (Fused Deposition Modeling), vyplavenia polyméru a spekania.

DMLS/SLM (Direct Metal Laser Sintering / Selective Laser Melting)

Technológia spekania kovového prášku laserom pracuje na spôsobe tavenia jemného kovového prášku zdrojom tepla, ktoré vygeneruje sústredený lú� laseru. Existujú jednolaserové alebo aj viac laserové systémy (párny po�et 2, 4) pre zvýšenie produktivity.  Jemný kovový prášok je umiestnený v nádobe – hlavnom zásobníku. Celý proces sa realizuje v špeciálnej ochrannej atmosfére (dusík alebo argón), aby bola výroba bezpe�ná a prášok neexidoval.

Po naskenovaní prierezu jednej vrstvy, prestane laser pôsobi� a hlavný zásobník klesne o výšku jednej vrstvy, ktorá je štandardne 0,05 mm. Potom je doplený do tejto výšky nový prášok z druhého plniaceho zásobníka a rovnomerne nanesený a zhutnený na potrebnú hustotu. Potom sa celý proces opakuje a� do vytla�enia dielu(ov) do po�adovanej výšky.

Jedna z výziev pri tejto technológií je extrémny rozdiel teplôt, ktorý vzniká pri tavení medzi tavnou �as�ou a u� schladnutou �as�ou výrobku. Vytvárajú sa tak vnútorné napätia, ktoré pokia� nebude teplo správne odvedené prostredníctvom podporných štruktúr alebo dielu, mô�e v extrémnom prípade diel vyhnú� a nenávratne poškodi�. Napätia je mo�né odstráni� tepelným spracovaním po dokon�ení tla�e.

Dostupné materiály pre DMLS/SLM

Zoznam vybraných materiálov (prelinkovaných na technické linky):

• Nerezová oce� 316L – univerzálna antikorózna oce� (chirurgická oce�).
• Zliatina hliníku AlSi10Mg – vyh�adávaný materiál pre jeho nízku hmotnos� a vysokú pevnos�.
• Titán Ti64 stupe� 23 – vysoká �ivotnos� a únovová pevnos� tohto materiálu ho predur�uje na pou�itie pri namáhaných dieloch. Materiál je tie� vysoko chemicky odolný.
• Zliatina Inconel 718 – špeciálna zliatina ur�ená pre extremné podmienky, kde materiál pri vysokej teplote vytvorí odolnú oxida�nú vrstvu.
• Nástrojová oce� – oce� s vysokou pevnos�ou a mo�nos�ou tepelného spracovania podobne ako u konven�ných ocelí.

Výhody a nevýhody

Výhody: Vysoká detailnos� a presnos� (štandardne od ±0,1 do ±0,5 mm), vysoká homogenita priamo z tla�iarne >99%.

Nevýhody: Vysoká cena, dlhšie �asy výroby pre masívne diely, problém s odvodom tepla mô�e deformova� ur�itú geometriu, zd�havý post-processing – �istenie od prachu, otryskávanie, konven�né opracovanie pod�a potreby.

Vyu�itie

Presné a detailné kovové diely s takmer homogénnymi vlasnos�ami �asto vyu�ívaných kovových materiálov v konven�nom strojárstve. Samozrejme, vzh�adom na náro�nos� výroby, vysokú cenu zariadení a materiálov je v sú�asnosti táto technológia vhodná takmer výhradne len pre prototypové diely alebo diely s vysokou pridanou hodnotou a náro�nou geometriou pre konven�né opracovanie.

V prípade aditívnych technológií vo všeobecnosti platí pravidlo, �ím komplexnejšie diely, tým vhodnejšie pre tieto technológie. Je mo�né spája� viacero dielov do menších celkov, vytvára� geometrie, ktoré sú inými techológiami nevyrobite�né, prípadne od�ah�ené diely (topologickou optimalizáciou alebo generatívnym dizajnom). Vtedy je tu vysoká pridaná hodnota a teda prínos prevýši vyššie náklady.

EBM (Electron Beam Melting)

Táto technológia funguje na ve�mi podobnom technologickom aj fyzikálnom princípe ako vyššie popísaná DMLS/SLM. V porovnaní s DMLS/SLM namiesto lasera pôsobí elektrónový lú�, ktorý dokonca celoplošne ohrieva celú zonú extrémne rýchlou zmenou smeru lú�a zaostrovacieho systému, schematicky znázornené na obrázku ni�šie:

Vznikajú tu však vyššie teploty. Vzh�adm na techlogický princíp, sa tak dosahujú ni�šie presnosti a hrubší povrch. Na druhú stranu sa vyu�íva vyššia produktiva s m�nos�ou tzv. „nestingu“, ukladania dielov vo�ne v tla�ovom priestore aj v úrovni osi Z.

Dostupné materiály pre EBM

V sú�asnosti sa úspešne v praxi presadil preva�ne materiál titán Ti64, vzh�adom na samotný proces výroby ako aj vyu�itie výrobkov.

Výhody a nevýhody

Výhody: Vysoká produktiva, výroba prakticky bez podporného materiálu – vyššia dizajnová sloboda, kratší �ast post-processingu a teda aj ni�šia cena.

Nevýhody: Ni�šie presnosti v porovnaní s DMLS/SLM, hrubší povrch, obmedzený výber materiálov.

Vyu�itie

Hlavné vyu�itie v medicíne napr. výroba rôznych implantátov na mieru.

DED (Direct Energy Deposition)

DED je svojím spôsobom unikátna aditívna technología, kde dochádza k fúzia usmernených �astíc laserovým alebo elektrónovým lú�om na princípe podobnému CNC zváraniu. Pre vysvetlenie mô�eme pou�i� schému oboch prípadov znázornenú na obrázku ni�šie.

Jedná sa prakticky o CNC stroj adaptovaný na špeciálnu hlavu, ktorá doká�e nanáša� materiál o ur�itej hrúbke a šírke. Tento

DED sa vyu�íva aj v tzv. hybridných strojoch, kde po ukon�ení aditívneho procesu sa v stroji automaticky vymení nástroj za subtraktívny. Teda hrubý a relatívne nepresný povrch sa následne na presno opracuje CNC frézovaním len na po�adovaných plochách. S touto kombináciou sa nielen šetrí �as a náklady, ale je mo�né dosiahnu� konven�nými technológiami inak nevyrobite�né geometrie. 

Dostupné materiály pre DED

Je mo�né pou�i� prakticky akýko�vek zvarite�ný materiál, preva�ne sa však pou�íva hliník, inconel, nerezová oce�, titán a titánové zliatiny a pod.

Okrem toho táto technológia však mô�e pracova� aj s plastovými alebo keramickými materiálmi.

Výhody a nevýhody

Výhody: Relatívne rýchly spôsob výroby tenkostenných, rota�ných polotovarov z rôznych materiálov.

Nevýhody:  Ve�mi hrubá štruktúra povrchu s vysokou drsnos�ou a nepresnos�ou. Pre presné �asti je potrebné doopracovanie.

Vyu�itie

DED sa vyu�íva aj pre opravu poškodených dielov. Týmto „navarením“ sa doplní materiál do poškodenej �asti a následne sa o opracuje na presno.

�asté vyu�itie sú tvarové tenkostené, preva�ne rota�né výrobky. Z dôvodu �asovej aj finan�nej náro�nosti procesu, nie je výhodné vyrába� touto technológiou masívne diely.

Naj�astejšie sa vyrábajú atypické turbíny alebo aj telá modelov pre dru�ice.

BJ (Binder Jetting)

Binder Jetting mô�e pracova� s rôznymi typmi vstupných materiálov. Okrem kovových sa pou�íva aj na výrobu plastových a keramických dielov. V tomto �lánku sa však zameriame len na kovové materiály. Technologický princíp však zostáva rovnaký a ten je znázornený na schéme ni�šie. Vstupný materiál je vo forme prášku.

Kovový prášok je umiestnený v nádobe – hlavnom zásobníku. Tla�ová hlava však namiesto spekania (ako je pri technológií DMLS/SLM) nanáša pojivo, teda látku, ktorá tzv. „zlepí“ vo�né pracové �astice v po�adovanom priereze jednej vrstvy.  Po naskenovaní prierezu jednej vrstvy, prestane hlave nanáša� pojivo a hlavný zásobník klesne o výšku jednej vrstvy, ktorá je štandardne 0,1 mm. Potom je doplený do tejto výšky nový prášok z druhého plniaceho zásobníka a rovnomerne nanesený a zhutnený na potrebnú hustotu. Potom sa celý proces opakuje a� do vytla�enia dielu(ov) do po�adovanej výšky.

Dostupné materiály pre DED

Zoznam vybraných materiálov (prelinkovaných na technické linky):

• Nerezová oce� 316L – univerzálna antikorózna oce� (chirurgická oce�).
• Nerezová oce� 420 + 40% bronz pre infiltráciu pri spekaní – pre dosiahnutie ni�šej pórovitosti/vyššej hustoty

Výhody a nevýhody

Výhody: Vysoká produktivita bez nutnosti podporného materiálu.

Nevýhody:  Ni�šia presnos� (±5%) a kvalita povrchu (drsnos� povrchu po tla�i 15 µm Ra). Vysoká pórovitos� a zní�ena hustota, zní�ené mechanické vlastnosti.

Vyu�itie

Kovové diely, kde sa nevy�adujú vysoké mechanické nároky ani presnos� a kvalita povrchu. Diely po leštení je však mo�né vylešti� do jemného povrchu. S pokovením sa dá dosiahnu� rôznych povrchov:

Technológia strateného vosku

Kovové materiály vyrobené nepriamou metódou strateného vosku, kde sa v prvom kroku 3D tla�ou (technológiou SLA/DLP) vytla�í ve�mi jemný, presný a detailný voskový model. V druhom kroku sa vyrobí okolo voskového modelu forma (zaliatím do špeciálneho materiálu).

Následne sa v peci vypáli voskový model a zostane len presná dutina, ktorá je pripravená na odlievanie kovu. 

Celý proces je schematicky znázornený v postupnosti na obrázku ni�šie:

Dostupné materiály pre technológiu strateného vosku

Zoznam vybraných materiálov (prelinkovaných na technické linky):

• Me�
• Bronz
• Mosadz

Výhody a nevýhody

Výhody: Detailný povrch, mo�nos� rôznych povrchových úprav vrátane leštenia.

Nevýhody: Slabé mechanické vlastnosti. Preva�ne vhodné na prezenta�né diely, šperky a pod.

Vyu�itie

v praxi sa vzh�adom na vyššie uvedené výhody a nevýhody vyu�íva táto technológia preva�ne na diely menších rozmerov s komplexnou geometriou, ktoré nie sú (výrazne) mechanicky za�a�ované. Sú to teda rôzne dekora�né predmety, �asto vyu�ívane v šperkárstve, prípadne modelárstve. 

BPE (Bound Powder Extrusion)

Jedná o viackrokový proces výroby, ktorá za�ína výrobou ve�mi podobnou štandarnej FDM technológií (tavenia plastovej struny), kde sa zo vstupného materiálu, tzv. feedstoku (zlisovaný polotovar ty�oviny), ktorý je tvorený kovovými �asticami a pojivom, pretlá�a cez trysku a ukladá do po�adovaného prierezu. Po ukon�ení jednej vrstvy sa tla�iare� posunie o výšku vrstvy v smere osi Z a celý proces pokra�uje a� pokým je diel dokon�ený.

Takto sa vytla�í tzv. zelený diel (green part), terminológiou známy aj z technológie MIM (metal injection molding), ktorý je krehký, nako�ko kovové �astice sú v matrici pojiva len vo�ne ulo�ené, zatia� nedošlo k ich väzbe.

Preto proces pokra�uje tzv. debindingom, alebo teda procesom, kde sa z dielu objemovo odstráni pojivo. To slú�ilo len na vyrobenie zeleného dielu. To sa realizuje v špecializovaných debingových prá�kach a �as závisí hlavne o objemu a hrúbky stien, aby sa odstránila preva�ná miera pojiva.

Takto o�istený diel má nízku hustotu a vysokú pórovitos�, nako�ko pojivo tvorí obvykle a� okolo 20% z objemu celého dielu.  Diel následne putuje do posledného technologického kroku a to spekanie, tzv. sintering, kde sa pri teplotách blízkych teplote tavenia spoja kovové �astice aj molekulárnou väzbou.

Nako�ko sa však dochádzka k vysokej rozmerovej zmene rovnej objemu oplavného pojiva, mô�e by� vo výsledku zní�ená presnos� finálneho dielu, ke�e po�as procesu spekania mô�e dôjs� k rozdielnej miere zmrštenia a k prepadnutiam v niektorých oblastiach.

Výhodou však je, �e technológia od firmy Desktop Metal umo��uje speka� diely spolo�ne s podporným materiálom. Ten sa odstráni a� po vychladnutí dielu a jeho odstránenie je mo�né práve však naneseniu špeciálnej separa�nej medzivrstvy.

Na fotografiách ni�šie sú vyzna�ené detailnejšie vybrané �asti procesu výroby:

Záver a zhodnotenie

Ako ste mali mo�nos� sami zhodnoti�, v sú�asnosti existuje viacero spôsobov výroby kovových dielov 3D tla�ou (aditívnymi technológiami). Ka�dý z nich pracuje s inými materiálmi a hlavne produkuje rozdielny výsledok z h�adiska estitiky, presnosti a mechanických vlastností.

Preto je vhodné ma� preh�ad o dostupných mo�nostiach na trhu, aby ste sa v prípade potreby vedeli správne rozhodnú�, ktorú technológiu alebo materiál pou�ite.

Ak potrebujete bli�šie zodpoveda� niektoré otázky oh�adom technológií, materiálov alebo máte po�iadavku na výrobu oslovte nášho špecialistu pre 3D tla� a dohodnite si termín úvodnej konzultácie.