Moderní produkce kovových součástí si již nevystačí pouze s konvenčními technologiemi, ke kterým řadíme obrábění, tváření a odlévání. 3D tisk se řadí k technologii Rapid Prototyping, která je typická úsporou výrobního času prototypových modelů a součástek, a to díky přímé generaci fyzického objektu z CAD databáze. S těmito daty následně pracuje již samotná 3D tiskárna. Výsledkem může být prototypový díl, který přímo zhmotňuje možnou podobu sériového dílu, či tvarově velmi složitá součást, jinými technologiemi stěží vyrobitelná.
Samotný 3D tisk může být řešen různými metodami, jejichž princip však vychází z totožného základu. Vždy se jedná o aditivní technologii, tedy materiál je postupně přidáván ve vrstvách o konstantní tloušťce a přetaven pomocí tepelného zdroje. Značné množství metod 3D tisku se liší zejména ve stylu podávaní přídavného materiálu a jeho spojení se zhotovovanou součástí. Tato technologie využívá k tvorbě součásti přídavný materiál ve formě prášku, který je ze zásobníku nanesen v tenké konstantní vrstvě na základní nosnou platformu. Následuje spojení jednotlivých zrnek prášku pomocí tepelného zdroje v selektivních bodech tvořících jednu vrstvu vznikající součásti. Po kompletním sjednocení prachových částic dojde k poklesu nosné platformy o tloušťku vrstvy a celý proces se opakuje až do vzniku navržené součásti. Tavením práškového lože s využitím tepelného zdroje v podobě laseru hovoříme o metodě DMLS či SLM, v případě elektronového svazku o EBM.
Výhodou této technologie je především možnost tvorby malých designově komplexních součástí o vysoké přesnosti. Letos vědci zveřejnili postup tisku kolagenové struktury. Otevřeli tak cestu k výrobě umělých orgánů z biologického materiálu. Tiskárny umožňující trojrozměrný tisk jsou dnes dostupné skoro každému, ovšem navzdory nadšení technologických fanoušků je využití jimi zhotovených předmětů dost omezené. Hlavní důvod představuje hmota, z níž tisknou, tedy obvykle termoplast. Můžete tedy sice zhotovit předmět téměř jakéhokoliv tvaru, ale rozhodně ne jakéhokoliv využití.
Existuje mnoho metod 3D tisku z kovů - s různou kvalitou výtisků i zásadně se lišící cenou za výtisk. Pokud s pevnými a odolnými díly a nástroji z oceli chcete začít, můžete vyzkoušet jednu z vůbec nejdostupnějších - MFFF (od Metal FFF). Menší díly z kovových materiálů BASF (do velikosti 100 × 100 × 100 mm) si vytisknete sami, jejich následné zpracování probíhá externě v rámci služby zastřešené přímo výrobcem tiskových strun. Předpokládejme, že potřebné vybavení na katalytického čištění (debinding) a sintrování (sintering) nemá většina uživatelů přímo po ruce.
Více o procesu s Ultimaker Metal Expansion Kit a BASF Ultrafuse vysvětluje možnost tisknout kovové díly z materiálu BASF Ultrafuse 17-4 PH (nerezová ocel) a následně je odborně vyčistit dočasné pojivo a sintrováním získat celokovový výtisk. Stav zpracování sledujete online a hotový díl obdržíte do 10 pracovních dnů. Co lze touto metodou vyrobit? Zelený výtisk na základně umožňuje rovnoměrné smrštění při sintrování a tvorbu podpůrné vrstvy mezi výtiskem a dočasnými podpěrami.
Pokračováním je zpracování kovových dílů pomocí Meltio a volba kovů s maximálními materiálovými vlastnostmi, včetně svařovací dráty pro laserové navařování kovů. 3D tisk kovů je stále žhavé téma, a ačkoliv rozšíření pro prototypování existuje, cena za kus pro sériovou výrobu bývá vysoká. Existuje však cenově dostupná alternativa - hybridní výroba kovových dílů, u které se kombinuje 3D tisk s tradičními metodami.
U výroby dílů pomocí Voxeljet technologie jde především o komplexní tvarově díly střední velikosti s charakterem skořepin či tenkostěnných dílů. Pokud máte zájem o tuto technologii, připravíme pro vás cenovou nabídku. 3D tisk kovů nabízí navíc výhody: rapid prototyping, just-in-time výrobu a snazší opravy díky možnosti tisku náhradních dílů na vyžádání.
Klíčové technologie a jejich charakteristiky
3D tisk kovů zahrnuje generativní procesy práškového lože (Powder Bed Fusion, PBF) a drátové procesy (DED-Arc). PBF zahrnuje laserovou práškovou fúzi a technologie SLM/ DMLS, které vytvářejí vrstvy tavením prášku laserem. EBM používá elektronový paprsek a probíhá ve vakuu pro vysoké teploty a čistotu výsledku. DED-Arc (WAAM) umožňuje rychlou depozici drátu a použití více drátů pro vyšší objem, s důrazem na stabilitu a řízení teploty. U těchto technologií se často využívá kamerových systémů pro monitorování oblouku a kapky.
Výhody aditivní výroby spočívají v minimalizaci odpadu a možnosti vytvářet topologicky optimalizované díly. Díky tištěným dílům lze snížit hmotnost a zlepšit účinnost, například v automobilových a leteckých aplikacích. Nevýhody spočívají ve vyšších nákladech na zařízení a postprocesingu a potřebě zkušených operátorů. Hybridní tisk nabízí kompromis mezi rychlostí, kvalitou a náklady, zejména pro nástroje a formy s konformním chlazením.
Materiály pro kovový 3D tisk zahrnují hliník (AlSi10Mg), titan (Ti6Al4V), nerezové oceli (316L, 17-4PH) a měď s vysokou tepelnou a elektrickou vodivostí. Titan vyniká pevností a biokompatibilitou, což jej činí vhodným pro letectví a medicínu; nerezové oceli nacházejí uplatnění v energetice a potravinářství; hliník je lehký a odolný vůči korozi; měď nachází uplatnění v elektrických aplikacích a chladičích.
Praktické poznámky a postupy
Postup začíná vytvořením digitálního modelu, který je rozdělen na vrstvy. Následuje výběr technologie a materiálu, příprava prášku či drátu, a samotný tisk. Po tisknutí je často potřeba debinding a sintrování (u práškových technologií) a následné dokončovací operace. Pro kovářské a odlévací aplikace existují hybridní řešení, která kombinují tisk a konvenční metody pro dosažení želané hutnosti a mechanických vlastností.
V kontextu automobilového průmyslu se 3D tisk kovů ukazuje jako efektivní nástroj pro prototypování a opravné díly. Cílovou vizí zůstává tisk ihned po konstrukční fázi s výstupem dokonalého výtisku, kdy digitální recepty by obsahovaly pokyny pro tisk včetně svařovací dráhy a parametrů.
Hybridní a konvenční přístupy v praxi
Hybridní tisk kombinuje 3D tisk s tradičními metodami pro výrobu nástrojů a forem s konformním chlazením, což zvyšuje efektivitu a snižuje náklady. Při uplatnění v praxi se často využívá plastových dílů vytištěných na kovové polotvary, následně doplněných o kovové prvky. Siemens uvádí případovou studii, kdy kovový robotický gripper nahrazen plastovým dílem vedl k významným úsporám a snížení spotřeby energie.
V závěru hraje klíčovou roli spolupráce s experty na aditivní výrobu - Brain4Industry - kteří pomáhají firmám projít od prvního návrhu až po výrobu, ověřit proveditelnost, vypočítat náklady a připravit pilotní projekty. Cíl je zpřístupnit moderní výrobu i menším a středním firmám a zajistit tak konkurenční výhodu.
Další poznámky
- 3D tisk kovů umožňuje topologicky optimalizované a lehké díly, které snižují spotřebu paliva u dopravních prostředků.
- Omezením zůstává vysoká cena zařízení, postprocesing a potřeba kvalifikovaných techniků.
- Hybridní řešení a optimalizace designu často představují ekonomicky nejvýhodnější cestu k průmyslové implementaci.
tags: #3d #tisk #kovovych #dilu #automobilu