TEWY 2/2016 (8), Druk 3D metali. Wprowadzenie 1.55 MB

Download

Zdjęcie wyróżniające ten wpis  ukazuje przykład komercyjnie wytwarzanej w Polsce części lotniczej – wydruk 3D.

Drukowanie z materiałów metalicznych jest realizowane z wykorzystaniem 4 metod przyrostowych (przyrostowych technik wytwarzania):

• SLS/DMLS (ang. Selective Laser Sintering / Direct Metal Laser Sintering), czyli selektywne spiekanie laserowe materiałów proszkowych;
• SLM (ang. Selective Laser Melting), czyli selektywne stapianie (przetapianie) laserowe materiałów proszkowych;
• EBM (ang. Electron Beam Melting), która zbliżona jest do metody SLM i wykorzystuje przede wszystkim metale i stopy metali;
• LENS (ang. Laser Engineering Net Shaping), która polega na miejscowym aplikowaniu materiału sproszkowanego i następnie spiekaniu laserowym.

Roczny wzrost rynku szybkiego protypowania, zarówno z metali, ceramiki jak i tworzyw sztucznych, jest przewidziany na około 13,5% i wg prognoz powinien osiągnąć w 2017 roku wartość 3,5 miliarda USD.
(marketsandmarkets.com)

mgr inż. Bartłomiej A. Wysocki (WIM PW, Materials Care sp. z o.o.)
Seminarium “Wybrane zagadnienia druku 3D”, VII Dni Druku 3D, STOM 2016, Kielce

Ilustracja 1. Stoisko firmy Prima-TECH, VII Dni Druku, STOM 2016, Targi Kielce

Drukowanie 3D powszechnie kojarzone z wytwarzaniem przedmiotów z tworzyw sztucznych. Dla konstruktorów i technologów od lat związanych z produkcją komercyjną istotnym krokiem milowym w druku 3D jest druk 3D metali. Większość odpowiedzialnych komponentów konstrukcyjnych powstaje z metali i ich stopów. Ilustracja 1 przedstawia właśnie drukarki 3D dla tak powszechnie kojarzonych wydruków. W głębi, nieco po prawej stronie przedstawiono drukarkę do wydruków wielkoformatowych.

Druk 3D metali ze względu na obszar zastosowania produktów oraz cechy eksploatacyjne metod i materiałów wykorzystuje drukarki bardziej przypominające klasycznie pojmowane obrabiarki.

Druk 3D metali w metodzie SLS polega na selektywnym spiekaniu laserowym proszków różnych materiałów (tworzywa sztuczne i/lub metali). Ziarna proszku są nadtapiane powierzchniowo. Proszki metali muszą być pokrywane specjalnymi substancjami, pełniącymi funkcje lepiszcza, który jest ulega roztopieniu wiązką lasera, co prowadzi do scalenia ziaren proszku. Przestrzenie między ziarnami muszą być zniwelowane. Celem jest zwiększenie gęstości wytworzonej bryły i/lub poprawa przewodności cieplnej. Jako swoiste wypełniacze stosuje się np. stopy miedzi.

SLM to metoda polegająca na łączeniu ziaren proszku poprzez ich stopienie.  W metodzie tej można stosować dowolne materiały, o ile występują w formie proszków, np.:

• tytan i jego stopy (ilustracja 2a),
• stale nierdzewne (ilustracja 2b),
• stale narzędziowe,
• cynk i jego stopy,
• miedź i jej stopy,
• węglik krzemu,
• tlenki aluminium (korund).

W przeciwieństwie do metody SLS druk 3D metali w metodzie nie SLM nie wymaga uszlachetnienia proszków, które wykorzystywane są w swojej czystej postaci. Przetopienie ziaren proszków powoduje, iż nie występuje pory, puste przestrzenie między ziarnami jak w metodzie SLS. Z punku widzenia energii procesu przetapiania konieczne jest stosowanie laserów o większej mocy niż w metodzie SLS. Z tego wynikają wyższe koszty wdrożeniowe i eksploatacyjne.

Zaletą przedmiotów wytworzonych metodą SLM są ich właściwości mechaniczne i eksploatacyjne bardzo zbliżone do przypadku wyprodukowania ich technikami obróbki ubytkowej. Przedmiotu wydrukowane tą metodą po obróbce wykańczającej (np. szlifowanie) mogą być stosowane jako pełnoprawne części maszyn i urządzeń.

Metody SLS i SLM umożliwiają wytwarzanie przedmiotów o bardzo skomplikowanych kształtów, których wytworzenie technikami klasycznymi (ubytkowymi) jest z technologicznego punktu widzenia bardzo trudne, czasochłonne i kosztowne, a w nie jednym przypadku niemożliwe z jednego monolitycznego półfabrykatu.

W komorze roboczej ze względu na podatność stosowanych materiałów na oddziaływanie tlenu z powietrza atmosferycznego istotnym jest przepływ gazu ochronnego, który dobierany jest właśnie w zależności od stosowanego proszku materiału.

Proces przetapiania ziaren proszku nie może jednocześnie oznaczać większego przegrzania strefy oddziaływania ciepła wiązki lasera niż jest to dopuszczalne. Konsekwencją przegrzania jest odkształcenie przedmiotu względem kształtu żądanego. Regulacji podlega nie tylko czas, lecz także szerokość wiązki lasera w zależności od kształtowanych szczegółów konstrukcji (m.in. szczeliny, rowki, ścianki). Szersza średnica plamki wiązki lasera stosowana jest przy wydrukach przedmiotów o większych gabarytach (szybsze skanowanie ziaren proszku).

Metoda LENS polega na miejscowej aplikacji proszku materiału i następującym po naniesieniu warstwy proszku spiekaniu. W odróżnieniu metod SLS i SLM w przypadku metody LENS proszek jest dostarczany z głowicy wyłącznie w ściśle wybrane miejsca i następnie dokonuje się spojenia warstw. Cecha ta pozwala wykorzystywać tę metodę nie tylko do syntezy nowych przedmiotów ale i do naprawiania komponentów uszkodzonych poprzez dobudowywanie lub uzupełnianie (regenerowanie), również tych części wyprodukowanych z zastosowanie klasycznie rozumianych technik wytwarzania.

Lotnictwo: przede wszystkim minimalizowanie masy części (np. o -25%) i redukcja liczby części w danym zespole nawet o 95%. Klasyczna konstrukcja przewiduje wykonanie zespołu konstrukcyjnego z wielu pojedynczych komponentów. Powodem tego jest skomplikowany kształt. Druk 3D metali pozwala na wykonanie jednej części lub zaledwie kilku, a nie konieczność zastosowania kilkunastu.

Formy wtryskowe: istotnie korzystniejsze chłodzenie form zapewniające jednakowy rozkład temperatur co ma wpływ zarówno na trwałość formy, aspekty jakościowe wytwarzanego wyrobu (zrównoważony rozkład temperatur zmniejsza odkształcenia formy) oraz czas trwania cyklu (skrócenie o 30-50%). Uzyskanie tzw. chłodzenia konformalnego (przebieg kanałów chłodzących jest dopasowany do kształtu form, co nie jest możliwe do uzyskania klasycznymi technikami wytwarzania).

W ramach kontroli przebiegu procesu syntezy przedmiotu omawianych monitoruje się tzw. jeziorko ciekłego metalu (obszar, temperaturę) co pozwala na określenie poprawności dobranych parametrów pracy drukarki 3D.

Technika EBAM (ang. Electron Beam Additive Manufacturing), która polega na przyrostowej syntezie przedmiotu z materiału w postaci drutu. Technika ta wykorzystuje proces spawania wiązką elektronów (tzw. spawanie elektronowe), który polega na wykorzystaniu energii kinetycznej elektronów poruszających się z wysoką prędkością (około 200 km/s) w próżni. Energia kinetyczna elektronów przekształcana jest w ciepło, które roztapia metal. Metoda ta wymaga maszyn technologicznych z działem elektronowym oraz komory próżniowej.

Przygotowanie do wytwarzania komponentu metodą EBAM wiąże się z bardzo pracochłonnymi (dni) analizami odkształceń termicznych. Analizy polegają jednocześnie na symulacji przebiegu syntezy przedmiotu z kryterium minimalizowania naprężeń termicznych. W przeciwnym wypadku kształt przedmiotu ulegnie deformacji dyskwalifikującej go do zastosowania zgodnego z projektem.

Źródła:

• Siemiński P., Budzik G., Techniki przyrostowe. Druk, drukarki 3D, OWPW 2015
• Wystąpienia w trakcie seminarium “Wybrane zagadnienia druku 3D”, VII Dni Druku, STOM 2016, Targi Kielce
• Materiały Polskiego Stowarzyszenia Upowszechniania Komputerowych Systemów Inżynierskich ProCAx

TEWY 2/2016 (8), Druk 3D metali. Wprowadzenie 1.55 MB

Download