Dźwignia zaworowa z ilustracji 1 posłużyła inż. Izabeli Górskiej (współautorka, absolwentka Wydziału Inżynierii Produkcji Politechniki Warszawskiej) do opracowania procesu technologicznego wytworzenia prototypu części klasy dźwignia jako wydruku 3D z metalu. Praca dyplomowa pt. “Projekt i wykonanie prototypu dźwigni z wykorzystaniem druku 3D z metalu” została niedawno pozytywnie obroniona. Jeszcze kilka lat temu mówiło się, że istniejące zdolności wytwórcze w zakresie druku 3D z metali istotnie przewyższają ich realne wykorzystanie. Druk 3D jako przyrostowe techniki wytwarzania można stosować zarówno do prototypowania jaki i do produkcji jednostkowej oraz seryjnej. Właśnie rozpoznanie możliwych zastosowań druku 3D z metali oraz uwarunkowań stanowi o dalszej ekspansji tej techniki wytwarzania. Druk 3D z metali to nadal innowacyjna metoda wytwarzania części dla różnych gałęzi przemysłowych (m.in. lotniczy, samochodowy, specjalistyczne maszyny i urządzenia).

Ilustracja 1. Dźwignia zaworowa wykorzystana w pracy dyplomowej.

Dźwignia zaworowa, która posłużyła do opracowania wydruku 3D została również wykorzystana do opracowania przykładowego procesu technologicznego części klasy dźwignia. Na ilustracji 1 przedstawiono rysunek konstrukcyjny dźwigni. Na ilustracji 2 pokazano model przestrzenny 3D tej dźwigni.

Ilustracja 2. Model 3D dźwigni zaworowej z ilustracji 1.

W artykule (wpisie) pt. Druk 3D metali, wprowadzenie omówiono podstawy druku 3D z metali.

GF Machining Solutions DMP Flex 350

Proces wydruku 3D opracowano dla przemysłowej drukarki 3D GF Machining Solutions DMP Flex 350 – ilustracja 3. Przemysłowa drukarka 3D DMP Flex 350 została konstrukcyjnie opracowana przez renomowaną w tej dziedzinie firmę 3D Systems.

Ilustracja 3. Przemysłowa drukarka 3D z metali GF Machining Solutions DMP Flex 350.

Na ilustracji 3 pokazano drukarkę DMP Flex 350 bez urządzeń obsługujących atmosferę w przestrzeni roboczej. Drukarka te wykorzystuje metodę DMLS, czyli Direct Metal Laser Sintering, która polega na bezpośrednim selektywnym spiekaniu kolejnych warstw proszku bazowego.

Metoda DMLS (Direct Metal Laser sintering)

W odniesieniu do metody SLM (Selective Laser Melting) w metodzie DMLS występuje mniejsze zapotrzebowanie energetyczne. W metodzie SLM następuje stopienie granulek proszku (przejście do fazy płynnej), a w DMLS jedynie wierzchnia warstwa granulek ulega nadtopieniu, wyłącznie w zakresie umożliwiającym ich zespolenie. Wiąże się to nie tylko z mniejszym zapotrzebowaniem ale także gęstością wypełnienia wydruku 3D z metalu. Metoda DMLS szczególnie sprawdza się w wydruku części ze stopów metali. W metodzie SLM przede wszystkim stosuje się proszki z czystych metali.

Metoda DMLS początkowo była wykorzystywana w ramach prototypowania. Obecnie stanowi metodę druku 3D z metali stosowaną z powodzeniem w skali przemysłowej.

Proces wydruku 3D w przemysłowych drukarkach z rodziny DMP Flex rozpoczyna się załadowania wózka z zasobnikiem proszku z określonego materiału metalicznego wraz z płytą roboczą. W kolejnym  kroku komora robocza zostaje napełniona gazem osłonowym. W przeważającej części przypadków jest to argon oraz azot. Wybór gazu osłonowego uzależniony jest od rodzaju metalu z jakiego będzie realizowany wydruk. W przypadku stopów aluminium jako gaz osłonowy stosuje się argon. Azot wykorzystuje się z metalami o mniejszej reaktywności (np. stale narzędziowe).

Rolą gazu osłonowego jest ochrona granulek proszku przed nadmiernym utlenianiem się i minimalizowanie wystąpienia wtrąceń w drukowanych warstwach. Zanieczyszczenia gazu cechują się często porowatą powierzchnią oraz mogą zawierać szczątkowe ilości tlenków metali z uwięzionymi pęcherzykami gazu. Gdy takie zanieczyszczenie znajdzie się na przetapianej warstwie należy liczyć się z osłabieniem wydrukowanej struktury.

Gdy komora robocza zostanie już wypełniona gazem osłonowym następuje jej podgrzanie do temperatury o wartości zależnej od rodzaju materiału metalicznego. Po tym etapie następuje rozprowadzenie metalicznego proszku za pomocą ostrza określanego jako zgarniacz na platformę. Proces ten został dobrze pokazany na filmie DMP FLEX 350 – Discover our unique features for metal 3D printing. Cykl druku w kolejnych drukowanych warstwach polega na skanowaniu przekrój wytwarzanego komponentu przed użyciem lasera. Po przeskanowaniu kolejne warstwa jest selektywnie przetapiana.

Po zakończeniu wydruku (wytworzeniu komponentu o określonym kształcie) moduł wytwórczy (pojemnik, płyta, przedmiot) muszą wystygnąć do temperatury pokojowej. Następnie usuwany jest niewykorzystany proszek metaliczny. Tu należy wspomnieć o bardzo ważnej zalecie drukarek rodziny DMP Flex, a mianowicie wymiennym module (wózku) wytwórczym oraz module PMU (ang. Powder Managment Unit). Każdy taki moduł przeznaczony jest dla jednego rodzaju proszka metalicznego. Dzięki temu nie następuje mieszanie się różnych materiałów budulcowych i zachowana zostaje czystość proszków metalicznych. Ma to szczególne znaczenie przy wydrukach na potrzeby biomedyczne.

Tak wytworzony przedmiot jest odcinany od płyty roboczej. GF Machining Solutions zaprojektowało i wykonało poziomą wycinarkę drutową (WEDM) dedykowaną do odcinania wydrukowanych przedmiotów od płyty roboczej. Po odcięciu przedmiotu usuwane są podpory (tzw. support’y). Przedmiot w takim stanie z reguły poddawany jest obróbce cieplnej wyżarzania w celu poprawy właściwości mechanicznych materiału (zmniejszenie naprężeń cząstkowych). Wydruki 3D cechują się charakterystyczną fakturą wydrukowanej powierzchni, określoną chropowatością oraz dokładnością wymiarów geometrycznych. W konsekwencji wytworzone części z metali przy użyciu przyrostowych technik wytwarzania stanowią półfabrykaty. Jedynie incydentalnie otrzymuje się części w formie wyrobu gotowego.

Wydruki 3D z metali w ramach obróbki kształtującej oraz wykańczającej poddaje się typowym obróbkom (m.in. frezowaniem, toczenie, szlifowanie, piaskowanie, polerowanie, a także pokrywanie powłokami.

Przygotowanie do druku 3D

Dźwignia zaworowa (ilustracja 1 i 2) została wydrukowana ze stali Maraging, stali martenzytycznej utwardzanej wydzieleniowo. Gatunki Maraging stanowią podgrupę stali konstrukcyjnych wysokostopowych. Jako składniki stopowe w tych stalach występują przede wszystkim nikiel, kobalt oraz molibden. Stale Marging cechują się dobrą skrawalnością, spawalnością oraz zdolnością do pracy zarówno w niskich jak i wysokich temperaturach. Stale Marging stosowane są w formach do formowania wtryskowego, odlewania ciśnieniowego oraz wytłaczania komponentów na potrzeby przemysłu lotniczego, motoryzacyjnego oraz tam gdzie wymagana jest wysoka wytrzymałość i odporność na korozję.

Na etapie technologicznego przygotowania wydruku wykorzystano oprogramowanie 3DXpert 15 stanowiące kompleksowe rozwiązanie dla druku 3D.

Krok 1

W programie 3DXpert dokonuje się wyboru modelu drukarki 3D (zaimplementowana w oprogramowaniu gotowa lista drukarek 3D).

Krok 2

Załadowanie modelu 3D dźwigni zaworowej do oprogramowania.

Krok 3

Analiza poprawności załadowanego modelu 3D. W druku 3D możliwe jest stosowanie zarówno modeli bryłowych jak i powierzchniowych 3D.

Krok 4

W programie następuje weryfikacja modelu 3D części pod kątem zdolności do wydrukowania. Między innymi sprawdzane są średnice otworów (czy nie są za małe) oraz czy ścianki komponentu nie są za cienkie. Przedmiotowa dźwignia zaworowa jako model 3D została zaakceptowana bez konieczności wprowadzenia modyfikacji.

Krok 5

Pozycjonowanie przedmiotu do druku na płycie w przestrzeni roboczej drukarki 3D. Doboru najlepszego ułożenia użytkownik może dokonać ręcznie lub wykorzystać opcje programu. W tym celu należy nadać wagi takim współczynnikom jak czas, zajmowany obszar płyty roboczej, podpory, wewnętrzne podpory, naprężenia. Program dokonuje obliczeń dla każdego z czynników proponując określone ustalenie drukowanego komponentu. Na ilustracji 4 pokazano efekt analizy ustalenia przedmiotu w przestrzeni dla różnych kryteriów (a – dopasowanie; b – czas/wysokość wydruku; c – zajęcie powierzchni płyty roboczej; d – podpory; e – podpory wewnętrzne; f – naprężenia).

Ilustracja 4. Efekt analizy ustalenia przedmiotu w przestrzeni dla różnych kryteriów (a – dopasowanie; b – czas/wysokość wydruku; c – zajęcie powierzchni płyty roboczej; d – podpory; e – podpory wewnętrzne; f – naprężenia) – dzięki uprzejmości GF Machining Solutions Sp. z o.o.

W realiach przemysłowych za najważniejsze parametry uznaje się podpory wewnętrzne. Takie parametry jak czas, czy zajmowana powierzchnia maja swoje znaczenie, lecz nie są kluczowe dla jakości wytwarzanej części. Niewłaściwe naprężenia mogą skutkować zapadnięciem się ścianek. Wewnętrzne suporty z racji ich utrudnionego usuwania należy stosować wyłączeni kiedy są niezbędne.

Krok 6

Ten etap przygotowania do wydruku został w przypadku przedmiotowej dźwigni zaworowej pominięty. W przypadku większych drukarek 3D z rodziny DMP możliwe jest podzielenie drukowanego komponentu na strefy i jednoczesne drukowanie z wykorzystaniem dwóch wiązek laserowych.

Krok 7 – Podpory

Program przy doborze podpór uwzględnia kąt pochylenia, minimalną szerokość od pionowej ściany. Podpory służą do podtrzymywania drukowanego komponentu i odprowadzanie nadmiaru ciepła. Podpory można zaprojektować samodzielnie lub dobrać z gotowych szablonów różnych struktur (ilustracja 5). Każdy z szablonów jest edytowalny i użytkownik może dokonać niezbędnych według niego ich modyfikacji. Przy określaniu podpór ważnym czynnikiem jest przepływ powietrza pomiędzy ściankami.

Ilustracja 5. Przykłady gotowych szablonów struktur podpór a.) Cross Line; b.) Honeycomb; c.) Square Grid – dzięki uprzejmości GF Machining Solutions Sp. z o.o.

Podpory mogą cechować się nie tylko strukturą swojego przekroju ale także strukturą powstających ścianek (np. otwory w kształcie łzy w ściankach podpór). Najwięcej energii cieplnej i najbardziej stabilne są podpory monolityczne (pełne). Jednak ich wadą jest brak przepływu powietrza oraz materiałochłonność. Nie bez znaczenia w tym przypadku jest również czas potrzebny na wytworzenie tego typu podpór.

W przypadku przedmiotowej dźwigni zaworowej zdecydowano się na arbitralny wybór algorytmu oprogramowania z uwzględnieniem jak najmniejszej liczby podpór wewnętrznych (ilustracja 6). Jednak według analizy rozkładu termicznego wydrukowanego komponentu pokazanego na ilustracji 7 jeden z fragmentów dźwigni nie ma możliwości efektywnego odprowadzenia ciepła. Taki stan z reguły skutkuje odkształceniem i odstępstwem uzyskanego przedmiotu od kształtu zgodnego z projektem. Zdecydowano się na dodanie dodatkowej pojedynczej stożkowej podpory (ilustracja 8). Nieco pochylony kształt tej podpory umożliwia efektywniejsze odprowadzenie ciepła z tego fragmentu dźwigni. Dzięki temu zminimalizowano występujące odkształcenie (przewidywane 0,02 mm zamiast 0,08 mm).

Ilustracja 6. Efekt wyboru podpór przez oprogramowanie przy warunku najmniejszej liczby podpór wewnętrznych – dzięki uprzejmości GF Machining Solutions Sp. z o.o.

Ilustracja 7. Efekt symulacji wydruku i przewidywania przez program odkształceń w wyniku niewystarczającego odprowadzania ciepła – – dzięki uprzejmości GF Machining Solutions Sp. z o.o.

Ilustracja 8. Ostatecznie wybrany wariant podpór – dzięki uprzejmości GF Machining Solutions Sp. z o.o.

Krok 8

W tym kroku dokonuje się doboru technologii druku dla każdej podpory oraz przedmiotu wytwarzanego.

Krok 9

Program 3DXpert umożliwia oszacowanie czasu głównego wydruku, ilości zużytego materiału oraz kosztu wydruku. Do wydruku jednej dźwigni zaworowej zużywa się 11,33 cm³ proszku, a czas wydruku szacowany jest na 1h 56 min 28 s. Koszt wydruku pojedynczej dźwigni wynosi 61,21 USD. W praktyce nie wykonuje się wydruków tego typu małych części jako pojedynczych komponentów. Według analizy rozmieszczenia dźwigni na płycie roboczej możliwe jest wydrukowanie 45 dźwigni (ilustracja 9) przy założeniu, że minimalna odległość między nimi wynosi minimum 3 mm. Jak widać na ilustracji 9 dźwignie nie są ustawione regularnie, a program określił ich położenie z uwzględnieniem przepływu powietrza.

Ilustracja 9. Rozkład przestrzenny 45 dźwigni na płycie roboczej drukarki GF Machining Solutions DMP Flex 350 – dzięki uprzejmości GF Machining Solutions Sp. z o.o.

Na ilustracji 10 przedstawiono wydrukowaną pojedynczą dźwignię zaworową w różnych widokach z nieusuniętymi podporami.

Ilustracja 10. Wydruk 3D przedmiotowej dźwigni zaworowej. Zdjęcie (C) MOREKTECH PHOTOGRAPHY 2020

Źródła

1. Górska I., Projekt i wykonanie prototypu dźwigni z wykorzystaniem druku 3D z metalu. Praca dyplomowa inżynierska, Wydział Inżynierii Produkcji PW 2020
2. Siemiński P., Budzik, G., Techniki przyrostowe. Druk, drukarki 3D, OWPW 2015
3. Materiały handlowe GF Machining Solutions Sp. z o.o.