Druk 3D jako przyrostowa technika wytwarzania w dalszym ciągu zaliczana jest do innowacyjnych metod wytwarzania, choć i to jest już dyskusyjne. Po pierwsze sięgnijmy w przeszłość, do korzeni przyrostowych technik wytwarzania. Za oficjalną datę narodzin druku 3D przyjmuje się dzień 8 sierpnia 1984 r. (byłem wówczas po IV klasie szkoły podstawowej). W tym dniu Charles Hull złożył swój wniosek patentowy i nie poprzestał na tym. Charles Hull założył pierwszą firmę produkującą drukarki 3D – 3D Systems. Uprzednio opracował i wdrożył pierwszą oficjalną metodę drukowania przestrzennego – Stereolitografię (SLA). Nie był pierwszym, który postanowił opatentować druk 3D. Trzy tygodnie wcześniej swój  wniosek patentowy złożyli trzej Francuzi, a mianowicie Alain Le Méhauté, Olivier de Witte i Jean Claude André, jednak ich pracodawcy odrzucili ów wniosek uznając opisaną przyrostową technikę wytwarzania jako nie przyszłościową. Wniosek ostatecznie został odrzucony [7].

Korzenie druku 3D sięgają początku lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku. W 1971 r. francuz Pierre A. L. Ciraud opisał metodę wytwarzania części o dowolnej geometrii poprzez dodawanie materiału w postaci proszku z użyciem źródła energii. Artykuł opisujący tę metodę został opublikowany 5 lipca 1973 r. (w tym miesiącu się urodziłem) i uznawany jest za fundament know-how dla metody druku 3D współcześnie określanej jako SLS (ang. Selectve Laser Sintering – Selektywne Spiekanie Laserem) [7].

Młody student Uniwersytetu w Teksasie Carl Deckard współpracował z wynalzcą Billem Masters’em nad drukiem 3D. Pomimo tego, że opatentowali własną metodę to jednak nigdy nie doprowadzili do jej testów, ani tym bardziej do jej komercjalizacji. Carl Deckard już po pierwszym roku studiów w 1981 podjąć wakacyjną pracę w firmie TRW Mission w Houston, która produkowała części dla przemysłu naftowego. Carl Deckard w cięciu blach przy wykorzystaniu komputerowego systemu sterowania z użyciem oprogramowanie CAD, dostrzegł ogromny potencjał w automatyzacji tego procesu obróbkowego. Przez kolejne kilka lat wyspecjalizował się w zastosowaniach laserów przemysłowych. W 1984 roku doprowadziło go do opracowania koncepcji zastosowania wiązki laserowej i wiązki elektronów do selektywnego przetapiania fragmentów warstw sproszkowanego materiału, na podstawie danych otrzymanych z dokumentacji rysunkowej (CAD). Pomoc ze strony dr Joe Beaman’a doprowadziła do opracowania jednej z kluczowych współcześnie metod druku 3D, a mianowicie SLS [7].

Choć druk 3D, szczególnie z metali (ilustracja 1), rozpowszechnił się w ostatnich 10 latach to jako taka technika wytwarzania nie jest to technologia nowa, lecz ma już swoją historię. Upowszechnienie się druku 3D zawdzięczamy jakościowemu aspektowi postępu technologicznego. To nie tylko kwestia konstrukcji samych drukarek, głowic laserowych, ale także atomizerów do wytwarzania proszków metali. Dzięki szerokim pracom rozwojowym dziś mamy do dyspozycji szereg przemysłowych metod druku 3D z metali.

Druk 3D – zalety i ograniczenia

Pomimo wieloletniej historii nadal jesteśmy na etapie odkrywania możliwości druku 3D z metali. Wdrożenie druku 3D z metali wymaga z reguły przeprowadzenia wielu testowych wydruków w celu określenia właściwości takiej części, a poprzez to zdolności produkcyjnych. W kontekście druku 3D z metali wymienia się takie zalety jak:

• Możliwość wytwarzania przedmiotów o bardzo skomplikowanych kształtach, których wyprodukowanie z wykorzystaniem konwencjonalnych technik wytwarzania (techniki ubytkowe, odlewnictwo, obróbka plastyczna) jest bardzo trudne lub wręcz niemożliwe [2, 4, 5].
• Brak odpadów w zestawieniu do innych technik wytwarzania: odlewnictwo i szczególnie obróbka skrawaniem. Niewykorzystany podczas druku 3D proszek metaliczny może być ponownie użyty. Pozwala to na obniżenie kosztów wydruku, które nadal są wysokie [7].
• Opracowany model 3D modelu do wydruku może być wykorzystany w dowolnej lokalizacji i na różnych drukarkach [7].
• Zdolność wytwarzania gotowych komponentów niewielkich mechanizmów.
• Bardzo zróżnicowane pola zastosowań – różne branże: przemysł lotniczy, motoryzacyjny, medyczny, biomedyczny, artystyczny.

Liderem druku 3D do czasu pandemii koronawirusa SARS CoV-2 był przemysł lotniczy i to pomimo kwestii formalnych z wprowadzaniem do użytkowania części wyprodukowanych z zastosowaniem druku 3D. Każda część dla przemysłu lotniczego musi przejść badania certyfikujące. Ważnym aspektem sprzyjającym wykorzystaniu druku 3D w przemyśle lotniczym jest skala produkcji, która przyczynia się ekonomicznego uzasadnienia wdrażania przyrostowych technik wytwarzania. Czasochłonność procesu drukowania 3D nie jest wadą jak w przypadku przemysłu motoryzacyjnego.

W kontekście druku 3D jako zaletę wymienia się także brak potrzeby wysokich kwalifikacji ze strony użytkowników i operatorów. Dla mnie jest to dyskusyjne. Po pierwsze, poruszona poniżej, kwestia projektowania niejako pod zastosowanie druku 3D. To wymaga kompetencji w projektowaniu i umiejętności przeskoczenia na zupełnie inne podejście. Samo zaplanowanie druku 3D z metali również stanowi pewne wyzwanie. Okazuje się, że orientacja w przestrzeni drukowanej części wpływa na jej właściwości mechaniczne (np. wytrzymałość na rozciąganie) [1, 4]. Zatem czy można mówić o braku konieczności wysokich kompetencji technologów?

Określenie zdolności technologicznych druku 3D w ramach analizy wdrożeniowej nie wystarcza do stwierdzenia czy jest ono zasadne czy nie. Istotny wpływ w tym zakresie ma wydajność, a ta w zestawieniu z konwencjonalnymi metodami obróbkowymi pozostawia wiele do życzenia. Do tego należy uwzględnić specyfikę projektowania części do druku 3D (ilustracja 2 i 3).

Na ilustracji 2 po lewej część układu kierowniczego samochodu obrobiona metodami ubytkowymi z odlewu jako półfabrykatu, a po prawej ten sam komponent zaprojektowany pod druk 3D z metalu (stop AlSi10Mg), którego masa jest znacznie mniejsza, przy jednoczesnym zachowaniu właściwości użytkowych i wytrzymałościowych. Wydruk trwał 1 dobę 23h i 16 minut co zajęło znacznie więcej czasu niż w przypadku innych technik tradycyjnych.

Na ilustracji 3 bardzo dobrze pokazano różnice między projektowaniem części z myślą o procesach technologicznych wykorzystujących obróbki ubytkowe, odlewnictwo albo obróbki plastyczne, a projektowanie pod wydruk 3D. Część wydrukowana (ilustracja 3 – po prawej) posiada te same lub nawet lepsze właściwości wytrzymałościowe ale cechuje się istotnie mniejszą masą. Według autorów [6] właśnie ta różnica w podejściu do projektowania stanowi jedno z ograniczeń. W wyniku procesów dydaktycznych w szkołach technicznych oraz uczelniach technicznych jako inżynierowie jesteśmy przyzwyczajeni do projektowania z myślą lub wręcz podświadomie zakorzenionymi metodami ubytkowymi. W druku 3D [6] tworzymy przestrzenny przedmiot warstwa po warstwie na podstawie modelu 3D, czy to bryłowego, czy to powierzchniowego, opracowanego w oprogramowaniu CAD.

Do wad według [7] zalicza się problematykę prawną związaną z możliwością wytwarzania w warunkach domowych części objętych obostrzeniami jak choćby tzw. istotne elementy broni. Niektóre państwa jak USA starają się w tym zakresie wprowadzić określone regulacje. Z technologicznego punktu widzenia za poważną wadę można uznać gorsze współczynniki jakościowe czyli dokładność geometryczną i chropowatość powierzchni. Szczególnie jest to widoczne w odniesieniu do analogicznych części obrobionych z wykorzystaniem obróbek ubytkowych.

W ujęciu jakościowym należy przyjąć, że jedynie w niektórych przypadkach można wytworzyć finalny przedmiot bez dalszej obróbki ubytkowej. Za dominującą zasadę należy przyjąć, że przedmiotu wytworzony poprzez druk 3D z metalu po procesie druku musi być poddany obróbce cieplnej, a następnie powierzchnie istotne muszą być obrobione z użyciem metod ubytkowych (np. obróbka skrawaniem, EDM, szlifowanie).

Za pewne ograniczenie można uznać określoną liczbę dostępnych handlowo proszków metalowych. Co prawda metody wytwarzania proszków metali również ewoluują i są coraz bardziej dostępne to jednak muszą spełniać bardzo wysokie wymagania. Bardzo ważne jest zachowanie określonej wielkości i sferycznego kształtu granulek proszku metalicznego.

Druk 3D z metali – metody przemysłowe

W omawianym zakresie za kluczowe przyjmuje się następujące metody druku 3D z metali:

• DMLS (ang. Direct Metal Laser Sintering) – bezpośrednie laserowe przetapianie metalu.
• EBM (ang. Electro Beam Melting) – wykorzystywana jest wiązka elektronów do topienia proszku.
• SLS (ang. Selective Laser Sintering) – selektywne spiekanie laserowe.
• SLM (ang. Selective Laser Melting) – selektywne przetapianie/stapianie materiałów proszkowych.

We wszystkich tych metodach jako materiał bazowy wykorzystuje się proszki/granulki różnych metali. Stół roboczy, na którym realizowany jest wydruk przemieszcza się pionowo w celu zachowania stałej odległości warstwy proszku metalicznego od źródła energii (głowicy laserowej). W pierwszym etapie warstwa proszku zostaje nałożona na powierzchnię stołu. W kolejnym etapie wiązka laserowa skanuje kontur 2D drukowanego przedmiotu dla danej warstwy materiału oraz dokonuje przetopienia lub spiekania (łączenia ze sobą) cząsteczek proszku metalowego. Następnie stół przemieszcza się w dół o wartość grubości jednej warstwy. Nałożona zostaje kolejna warstwa proszku metalu (ilustracja 4). Cykl powtarza się aż do ukończenia syntezy przedmiotu. W przypadku metod DMLS oraz SLM można mówić o technologicznej tożsamości, a różnice w nazwach wynikają z ograniczeń patentowych i ochrony znaków towarowych.

Według autorów [5] druk 3D metodą DMLS stanowi alternatywę dla odlewania. Przy czym nie ma konieczności projektowania formy i jej wykonywania. Nie ma konieczności czyszczenia formy po każdorazowym odlewie lub konieczności wykonania kolejnej (zależy od metody odlewania). W części odlanej w materiale w przeciwieństwie do części wydrukowanej mogą wystąpić zanieczyszczenia. Zarówno w DMLS jak i SLM komora robocza może być wypełniona nieaktywnym gazem takim jak azot lub argon [5, 8]. Wykorzystanie gazu obojętnego umożliwia uniknięcie powstawania tlenków, które mogą niekorzystnie wpłynąć na właściwości mechaniczne i użytkowe wydrukowanej części. Na ilustracji 5 pokazano drukarkę 3D wykorzystującą metodę DMLS wyprodukowaną przez GF Machining Solutions – model DMP Flex 350, która może być stosowana zarówno w zakresie prac R&D jak i w produkcji.

W przypadku metody EBM jako źródło energii wykorzystywane wiązka elektronów co wymusza stosowanie komór próżniowych, co przyczynia się również do uniknięcia degradacji materiału pod wpływem oddziaływania środowiska atmosferycznego. Sama wiązka elektronów cechuje się dużą gęstością energii i dużą efektywnością energetyczną. Odchylanie wiązki następuje z wykorzystaniem soczewek elektromagnetycznych. W porównaniu do innych metod metoda EBM cechuje się większą prędkością skanowania, lepszą dokładnością pozycjonowania oraz dużym tempem budowania, nawet do 60 cm³/h. Przedmioty wydrukowane za pomocą metody EBM cechują się bardzo wysoką gęstością [5].

Druk 3D – porównanie z innymi technikami wytwarzania

Autorzy [2] porównali właściwości mechaniczne próbek stopu tytanu Ti6Al4V wykonanych metodą metalurgiczną (pręt walcowany) oraz wydrukowanej 3D. Pręt walcowany cechuje się znacznie mniejszą chropowatością niż próbka wydrukowana. Z otrzymanych wyników prób na rozciąganie wynikło, że elementy tytanowe wytwarzane metodą SLM charakteryzują się wyższymi wartościami wytrzymałości i granicy plastyczności niż elementy wykonane metodą konwencjonalną. Maksymalna wartość wytrzymałości na rozciąganie dla próbki wydrukowanej 3D wyniosła 1360 MPa, a jej granica plastyczności to 1225,7 MPa. Z kolei najwyższe wartości tych parametrów dla próbki wykonanej z prętów walcowanych wyniosły odpowiednio 1126 MPa i 1107 MPa. Z uzyskanych danych wynika, że próbki wykonane w druku 3D mają niższe wartości wydłużenia niż te wykonane z pręta walcowanego. Na podstawie literatury można stwierdzić, że im wyższe parametry wytrzymałościowe, tym niższe wartości wydłużenia. Autorzy wykazali, że próbki wydrukowane mają lepsze właściwości, a chropowatość powierzchni próbki wydrukowanej 3D nie ma wpływu na wytrzymałość na rozciąganie. Analizując inne pozycje literaturowe [1, 3, 4] sama orientacja próbek drukowanych 3D w przestrzeni roboczej ma wpływ na właściwości mechaniczne.

Autorzy prac [1, 3, 4] prowadzili badania nad różnymi materiałami: stal nierdzewna, stal niklowa starzona w stanie martenzytycznym, inconel 718. We wszystkich tych pracach potwierdzono wpływ orientacji drukowanej części na jej właściwości mechaniczne. W pracy [1] autorzy podjęli zagadnienie korozyjności części drukowanych 3D poddanych oddziaływaniu środowiska morskiego. Część konstrukcyjne drukowane 3D pracują w zróżnicowanych warunkach środowiskowych. Można zaryzykować tezę, że porowatość części wydrukowanych sprzyja występowaniu korozji.

W ramach badań [1] autorzy wydrukowali próbki w trzech położeniach (pionowym, pod kątem 45°, poziomo). Następnie zostały poddane obróbce cieplnej w temperaturach 490ºC, 600ºC i 900ºC. W kolejnym etapie próbki poddano oddziaływaniu mgły solnej. Oczywiście jeden zestaw próbek stanowił odniesienie dla pozostałych. Oddziaływanie agresywnego środowiska mgły solnej wpłynęło na mikrostrukturę oraz skład (w warstwie przypowierzchniowej – wg. autora). W przypadku próbek wydrukowanych poziomo i pod kątem 45° stwierdzono podwyższoną wytrzymałość na rozciąganie niż w przypadku próbki wydrukowanej pionowo.

W przypadku wszystkich próbek, niezależnie od kierunku wydruku, poddanych obróbce cieplnej w temperaturach 490ºC i 600ºC wystąpił istotny spadek odporności na korozję. Podczas badań wykazano, że próbki drukowane 3D cechowały się mniejszym spadkiem wytrzymałości na rozciąganie niż próbki obrobione mechanicznie z półwyrobu hutniczego. Potwierdzono tezę, że próbki wydrukowane były bardziej podatne na korozję wżerową.

W artykule [3] autorzy opisali badania nad właściwościami mechanicznymi próbek wydrukowanych metodą DMLS z inconelu 718. Materiał ten stosowany jest przede wszystkim w przemyśle lotniczym. Komponenty z tego materiału z racji ich zastosowania (m.in. silniki turboodrzutowe) muszą cechować się wysoką wytrzymałością przy wysokich temperaturach pracy, odpornością na korozję, niską przewodnością cieplną, dużą twardością, wysokim poziomem niezawodności. Autorzy zestawili ze sobą próbki wydrukowane 3D, kute oraz odlewane. Podobnie jak w artykule [1] autorzy stwierdzili wpływ orientacji położenia drukowanej części (tu próbki na rozciąganie) na jej właściwości mechaniczne, w tym wytrzymałość na rozciąganie (ilustracja 6).

Autorzy [3] wydrukowali próbki 5 położeniach – trzy próbki w płaszczyźnie XY (wzdłuż osi X – P0X, wzdłuż osi Y – P0Y oraz pod kątem 45º – P0XY), jedną próbkę w osi prostopadłej do płaszczyzny stołu XY (próbka drukowana pionowo – P90) oraz próbkę pochyloną pod kątem 45° we wszystkich osiach – P45XYZ.

Próbki drukowane 3D po procesie wydruku były poddane oczywiście obróbce cieplnej co ma na celu neutralizację faz w stanie nierównowagi oraz minimalizację naprężeń termicznych. Ostateczny kształt i chropowatość powierzchni próbek drukowanych uzyskano obróbką skrawaniem.

Wyniki badań wskazały, że ogólnie części wydrukowane cechują się porównywalnymi lub lepszymi właściwościami mechanicznymi niż części kute lub odlewane. Wynika to m.in. z faktu, że mikrostruktura ziaren w częściach wydrukowanych jest drobniejsza. Autorzy podjęli trud weryfikacji właściwości próbek w temperaturach w jakich z reguły części tego materiału pracują (450ºC i 650ºC). Wszystkie próbki wydrukowane w kierunku 0_X czyli poziomo o osi równoległej do kierunku przesuwu podajnika proszku osiągnęły lepsze wyniki w zakresie wytrzymałości na rozciąganie. Wartości wytrzymałości na rozciąganie wahały się od 1440 do 1475 MPa, a granice plastyczności od 1253 do 1278 MPa. Zgodnie z innymi pracami próbki drukowane w kierunku Z (pionowym) mają wytrzymałość na rozciąganie mniejszą o około 80 MPa i granicę plastyczności również mniejszą, o około 60 MPa [3]. Dodatkowo wszystkie próbki wydrukowane w orientacji poziomej w kierunku X wykazały bardzo zbliżone wyniki odkształcenia. Jednak w przypadku próbki wydrukowanych pionowo w kierunku Z pomiary wykazywały duże różnice.

W artykule [4] autorzy do badań wybrali powszechnie stosowaną stal nierdzewną 316L, która zgodnie z normą PN-EN 10027-2 oznaczana jest jako 1.4404. Stal ta jest odpornym na korozję stopem na bazie żelaza i zalicza się ją do grupy stali austenitycznych. Stal ta posiada wysoką zdolnością do wydłużenia i cechuje się tym, że jest niemagnetyczna. Przy zastosowaniu warstwowej budowy, komponenty wykonane z tej stali mają pewien poziom anizotropii, co znajduje odznacza się we właściwościach mechanicznych. Chrom zawarty w stali wchodzi w reakcje z tlenem i na powierzchni powstaje niewidoczna gołym okiem warstwa. W przypadku uszkodzenia tej warstwy w sposób mechaniczny następuje jej samoczynna odbudowa. Chrom ponownie wchodzi w reakcję z tlenem zawartym w powietrzu. Nie zaleca się natomiast przeprowadzania obróbki cieplnej tej stali w zakresie temperatur od 427°C do 816°C. Konsekwencją jest wytrącenia się węglika chromu, co z kolei prowadzi do wystąpienia korozji międzykrystalicznej (spadek wytrzymałości i ciągliwości materiału). Stal ta nadaje się do kucia na gorąco w zakresie temperatur od 900°C do 1200°C. Po obróbki plastycznej kucia stal schładza się w powietrzu.

Próbki ze stali nierdzewnej zostały wydrukowane w czterech różnych położeniach kątowych 0°, 30°, 60° i 90°. Badania na rozciąganie potwierdziły, że próbki drukowane poziomo (kąt 0°) cechują się najwyższą granicą plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie. W przypadku wszystkich próbek drukowanych 3D, niezależnie od kątowej orientacji wydruku, wykazano wyższe granice plastyczności niż dla próbek kutych. Najwyższą wytrzymałość zmęczeniową uzyskano dla próbki wydrukowanej pod kątem 60°. Największy spadek wytrzymałości zmęczeniowej wystąpił dla próbki wydrukowanej pionowo (kąt 90°) [4].

Autorzy [4] skupili swoją uwagę na mikrostrukturze wydrukowanych próbek. Stwierdzono m.in. co następuje:

• Kąt wydruku nie ma istotnego wpływu na średnią wartość ziarna mikrostruktury.
• Próbki wydrukowane pod kątem 60° miały większe ziarna oraz większą wytrzymałość na rozciąganie niż próbki wydrukowane pod kątem 30°.
• Uznano, że próbki drukowane 3D są równie niezawodne co próbki kute z jednoczesną wyższą granicą plastyczności. Jednak największa wartość wytrzymałości na rozciąganie próbek wydrukowanych 3D okazała się mniejsza niż w przypadku próbek kutych.
• Wytrzymałość zmęczeniowa próbek drukowanych 3D jest znacznie większa niż dla próbek kutych.
• Podczas prób na rozrywanie zniszczenie wszystkich próbek nastąpiło w wyniku pękania ciągliwego. W przypadku próbek drukowanych stwierdzono obecność nie w pełni przetopionych ziaren, które odgrywały rolę wtrąceń stanowiących zalążek pękania.
• W przypadku próbki wydrukowanej pionowo (kąt 90°) uznano, że mniejsze wartości granicy plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie oraz wytrzymałości zmęczeniowej wynikają z równoległości płaszczyzny naprężeń do struktury warstwowej. W przypadku tej próbki występowało sekwencyjne rozwarstwienie.

Podobnych badań przeprowadzono wiele dla różnych materiałów, dla rożnych metali i ich stopów. Przedstawiono pokrótce powyżej wybrane praca badawcze wskazują ogromny potencjał druku 3D w kontekście właściwości mechanicznych i użytkowych. Wydrukowane komponenty z metali wymagają obróbki cieplnej oraz w większości przypadków obróbki mechanicznej nadającej wymagane dokładności geometryczne oraz chropowatości powierzchniom istotnym. Druk 3D metali na tle odlewania, kucia, ciągnienia, obróbki skrawaniem wypada wielce obiecująco.

Źródła

1. Ansell T.Y., Ricks J.P., Park C., Tipper C.S., Luhrs C.C., Mechanical properties of 3D-printed maraging steel induced by enviromental exposure, Metals 2020, 10, 218
2. Karolewska K., Ligaj B., Comparison analysis of titanium alloy Ti6Al4V produced by metallurgical and 3D printing method, AIP Conference Proceedings 2077, 020025, 2019
3. Daňa M., Zetková I., Mach J., Mechanical properties of inconel alloy 718 produced by 3D printing using DMLS, Manufacturing Technology Vol. 18, No. 4, 2018
4. Penn R., 3D printing of 316L stainless steel and its effect on microstructure and mechanical properties. Masters of Science in Metallurgical Engineering and Mineral Processing, Montana Tech Library 2017
5. Fousová M., Vojtěch D., Kubásek J., Dvorský D., Machová M., 3D printing as an alternative to casting, forging and machining technologies?, Manufacturing Technology, listopad 2015
6. Pîrjan A., Petroşanu D-M., The impact of 3D printing technology on the society and economy, Journal of Information System & Operations Management Vol. 7, No.2, 2013
7. HISTORIA DRUKU 3D – CZĘŚĆ 1: jak stary jest druk 3D, kto naprawdę jest jego twórcą oraz kto wymyślił jego nazwę?
8. Materiały informacyjne GF Machining Solutions
9. Materiały informacyjne CAMdivision