Jak działa druk 3D z metalu?

4

Po napisaniu poradnika na temat druku 3D z ceramiki postanowiłam skupić się na jednej z najważniejszych technologii przyrostowych obecnych w przemyśle – druku 3D z metalu. Przy pisaniu tego artykułu niezwykle przydatny okazał się tekst oraz grafiki opublikowane niedawno przez specjalistów w tej dziedzinie – Materialise, którzy odwiedzili nas w maju br. w związku z konferencją Materialise Metal Tour oraz rodzimy serwis Przyrostowo.pl. Chciałabym zapoznać Was na czym polega proces druku 3D z metalu oraz czym różnią się od siebie poszczególne warianty tej technologii – DMLS/SLM i EBM.

Zacznijmy od wyjaśnienia różnic w nazewnictwie. Na dobrą sprawę DMLS, SLM oraz Laser Cusing to zastrzeżone nazwy handlowe tej samej technologii selektywnego spiekania i przetapiania sproszkowanych metali przy pomocy lasera, nanoszonych warstwa po warstwie, aż do uzyskania gotowej w pełni wytrzymałej części. Początkowo nazwa SLM (Selective Laser Melting) była używana równolegle przez MCP Hek oraz EOS, jednakże pierwsza z firm zastrzegła ją, a niemiecki EOS był zmuszony do wymyślenia własnej nazwy – DMLS (Direct Metal Laser Sintering). Z kolei Concept Laser określa tę technologię mianem Laser Cusing.

Drukarki 3D drukujące w technologii DMLS nie używają filamentów. Modele powstają z bardzo drobnego sproszkowanego metalu (np. aluminium lub tytanu). Proszek ten jest następnie formowany w wyjątkowo cienkie warstwy, dlatego niezmiernie ważny jest jego nienaganny kształt, by można go było łatwo wyrównać. Da się to porównać do budowania piramid. Konstrukcja ta wymaga stosowania bloków o tych samych wymiarach, by była stabilna. W przypadku druku 3D z metalu każda warstwa powinna mieć tę samą wysokość (i mówimy tutaj o dokładności mierzonej w mikronach), dlatego opracowanie precyzyjnego proszku ma kluczowe znaczenie w tej technologii.

MATERIALISE-METAL-TOUR-12

Implant zaprezentowany podczas Materialise Metal Tour w Łodzi

Jak to działa? Na platformie rozprowadzana jest super cienka warstwa metalu. Komora robocza maszyny jest podgrzewana. Laser, w który wyposażona jest drukarka 3D, wysyła wiązkę światła, która spieka proszek. Jednakże, proszek nie spiecze się aż do momentu, gdy osiągnie odpowiednią temperaturę. Wiązka lasera „dotyka” punktów na warstwach modelu, temperatura tych obszarów wzrasta aż do osiągnięcia momentu, w którym materiał się spieka i voilà! – mamy spieczoną warstwę. Drukarka 3D będzie rozprowadzała kolejne warstwy proszku, które będą traktowane wiązką lasera, aż do osiągnięcia całego (spieczonego) modelu.

DMLS proces

Schemat procesu druku 3D w technologii DMLS, źródło: Materialise

Po zakończeniu procesu nie można od razu wyjąć wydruku z komory roboczej – zarówno jej wnętrze, jak i materiał muszą wystygnąć w kontrolowany sposób. Następnie należy odciąć detal od płyty, a jeśli model wymagał wygenerowania supportów, należy je również mechanicznie usunąć. Podobnie jak np. w SLA (stereolitografia) technologia DMLS/SLM wymaga generowania trwałych struktur podporowych. Są one konieczne ze względu na znacznie szybszy skurcz metali. Jest on spowodowany dużą różnicą temperatur między atmosferą komory roboczej oraz ciekłym metalem (komora robocza maszyn DMLS/SLM nie jest ogrzewana). Podpory są generowane, by utrzymać detal w miejscu  na platformie startowej i zapobiec opadaniu oraz nadmiernemu przetopowi „wiszących” warstw.

3d-printing-metal

Źródło: przyrostowo.pl

Technologia ta służy do budowania skomplikowanych drobnych i precyzyjnych struktur przestrzennych, których nie można uzyskać za pomocą metod odlewniczych i ubytkowych. Jest wykorzystywana m.in. w produkcji wysoko temperaturowych części do silników lotniczych ze stopów niklu, profesjonalnych implantów medycznych i stomatologicznych, narzędzi do form wtryskowych, biżuterii z metali szlachetnych oraz prototypowania metalowych części.

MATERIALISE-METAL-TOUR-18

Implant zaprezentowany podczas Materialise Metal Tour w Łodzi

DMLS/SLM pozwala  na zaoszczędzenie czasu – jest szybsza od procesu odlewniczego, dzięki możliwości budowania bezpośrednio z danych CAD. Ścianki modeli są niezmiernie wytrzymałe i w zależności od ułożenia mogą mieć grubość sięgającą nawet 0,1 mm. Jej plusem jest ponadto wysoka dokładność wymiarowa oraz powtarzalność budowanych elementów na poziomie od 0,02 do 0,1 mm. Co więcej, duży wybór materiałów zwiększa potencjał produkcji krótkoseryjnej, a niespieczony metal może być wykorzystany nawet w 95-99%.

Nie jest to jednak rozwiązanie pozbawione wad. Wymaga ono stosowania struktur podporowych, co znacznie ogranicza geometrię modelu. Wiele trudności przysparza również budowanie dużych powierzchni płaskich ze względu na gradienty temperaturowe podczas spiekania części. Maszyny do druku 3D z metalu są bardzo drogie. Wpływają na to bezpośrednio koszty poszczególnych komponentów przemysłowych drukarek 3D takich jak skaner galwanometryczny czy laser iterbowy. Niemniej jednak ceny te są współmierne do tego, co można osiągnąć dzięki urządzeniom tego typu.

DMLS_part_removal

Źródło: przyrostowo.pl

Przejdźmy teraz do nieco mniej powszechnej technologii druku 3D z metalu –  EBM (Electron Beam Melting) czyli  spiekanie za pomocą wiązki elektronów. Różnica pomiędzy wcześniejszymi technologiami a tą jest taka, że każda warstwa modelu jest spiekana przy pomocy zogniskowanego strumienia elektronów tak, by obecna warstwa została całkowicie spieczona i trwale połączona z poprzednią. Proces zachodzi w  komorze próżniowej by zapobiec rozpraszaniu promienia elektronowego przez atomy gazu.

Firma, która przyczyniła się do rozwoju EBM, to Arcam AB. W 1993 r. złożono wniosek patentowy dotyczący urządzenia do budowy elementów metalowych poprzez spajanie warstw sproszkowanego materiału, przy pomocy wysokoenergetycznego promienia cząstek obdarzonych ładunkiem dodatnim lub ujemnym, o znamionach przetapiania wiązką elektronową w szwedzkim urzędzie patentowym. Cztery lata później patent ten stał się własnością firmy. Następnie wraz z Uniwersytetem Technologicznym Chalmers w Goeteborgu zaczęła rozwijać tę metodę  aż do jej pełnej komercjalizacji.  W 2002 r. na rynku pojawiły się pierwsze maszyny dedykowane dla branży implantologicznej – EBM S12, która doczekała się kilku ulepszeń.

EBM_Arcam

Źródło: przyrostowo.pl

Technologia EBM znajduje szerokie zastosowanie w produkcji implantów medycznych ze względu na wysoką gęstość i czystość struktury metalicznej. Oprócz tego stosuje się ją w produkcji części dla przemysłu kosmicznego i lotniczego oraz do prototypowania części metalowych. Jest zdecydowanie szybsza od DMLS i SLM, jednak należy pamiętać o tym, że oferuje dużo mniejszą dokładność budowanych elementów i gorszą jakość powierzchni, przez co większość części inżynieryjnych, wymaga dodatkowej obróbki skrawaniem. Z drugiej strony, nie wymagają one obróbki, głównie ze względu na tempo całego procesu.

ebm_implant

Implant panewki stawu biodrowego, źródło: przyrostowo.pl

Bardziej skomplikowanie wygląda również wytwarzanie sproszkowanych metali dla tej technologii.  By uzyskać niektóre znormalizowane stopy przy użyciu EBM, należy stosować stopy o nieco zmienionym składzie procentowym w stosunku do składu stopu docelowego. Przetapianie stosowanego w lotnictwie TiAl6V4 tą metodą wiąże się z zastosowaniem stopu o podwyższonej zawartości aluminium, gdyż znaczna część tego niskotopliwego pierwiastka na skutek wysokiej energii promieniowania elektronowego wyparowuje w trakcie procesu. Gdyby nie jego zbilansowany skład, otrzymalibyśmy materiał o dużo niższej zawartości aluminium niż żądana.

ebm proces

Schemat działania technologii EBM, źródło: przyrostowo.pl

EBM to technologia o wysokim potencjale rozwoju. Charakteryzują ją wysokie tempo budowania skomplikowanych elementów metalowych oraz niskie ceny materiałów eksploatacyjnych, a w dodatku nie wymaga ona obróbki termicznej i tak licznych struktur podporowych jak w przypadku DMLS/SLM. Z drugiej strony, powstająca w niej powierzchnia ma niższą jakość, podobnie wygląda to także w przypadku dokładności wymiarowej. Stosowanie tej technologii wiąże się również z częstą wymianą włókna działa elektronowego (100-200h) oraz wysokim pobieraniem energii elektrycznej.

ebm_wiazka

Rozgrzana wiązką elektronów część budowana w maszynie EBM, źródło: przyrostowo.pl

Źródła: Materialise, przyrostowo.pl

Udostępnij.

O autorze

Paulina Winczewska

Germanistka, pasjonatka nawet najdziwniejszych i najtrudniejszych języków obcych oraz podróży i eksperymentów kulinarnych. Tłumaczka, która nie boi się nowych technologii i gadżetów. Wolny czas spędza zazwyczaj na pływalni.

  • Andrzej Pawlak

    Znowu zabieracie się za wyrafinowane technologie z którymi nie macie zbyt wiele kontaktu i wychodzą nieścisłości i często bzdury.

    Przede wszystkim z punktu widzenia terminologii fizycznej spiekanie i topienie, to dwa różne zjawiska, a Wy stosujecie je jako synonimy.
    Doprecyzujcie czy w opisywanych technologiach cząsteczki proszku są spiekane czy przetapiane?

    Wyjaśnijce dlaczego technologia EBM jest szybsza ale też mniej dokładna…?
    Co to jest promieniowanie elektronowe??? Zadam trudne pytanie: „Co” prowadzi do podgrzania proszku do temp. topnienia? Jaka praca jest wykonywana?
    Czemu w EBM nie jest wymagana obróbka termiczna? z waszego opisu poza próżnią i elektronami zamiast lasera proces niczym się nie różni? Czy to te specjalnie modyfikowane proszki metali?

    „Stosowanie tej technologii wiąże się również z częstą wymianą włókna działa elektronowego (100-200h) oraz wysokim pobieraniem energii elektrycznej.” Wiecie jaki to koszt?

    Parę perełek jeszcze…
    „Charakteryzują ją wysokie tempo budowania skomplikowanych elementów metalowych oraz niskie ceny materiałów eksploatacyjnych, a w dodatku nie wymaga ona obróbki termicznej i tak licznych struktur podporowych jak w przypadku DMLS/SLM.” Co jest taniego w materiałąch eksploatacyjnych do EBM? Próżnia, czy te drogie (jak można później przeczytać) „włókna działa elektronowego”?

    Na temat DMLS/SLM w 3. akapicie:
    „Komora robocza maszyny jest podgrzewana.”
    A w 4. akapicie…:
    „Jest on spowodowany dużą różnicą temperatur między atmosferą komory roboczej oraz ciekłym metalem (komora robocza maszyn DMLS/SLM nie jest ogrzewana).”

    I niech to ktoś na koniec zredaguje w całości – mnóstwo w tekście literówek i błędów stylistycznych.

    • >> I niech to ktoś na koniec zredaguje w całości – mnóstwo w tekście literówek i błędów stylistycznych.

      Hmm… Wiem że to czepialstwo w kontekście twojego całego komentarza, ale czy byłbyś tak uprzejmy i wylistował TOP 3 literówek jakie znalazłeś w tekście?

      • Andrzej Pawlak

        🙂
        1. […] eos zmuszony byl do wyjaśnienia własnej nazwy.
        2. Wiązka laser „dotyka” chyba powinno być jesli juz używać takich zwrotów – cudzysłów.
        3. „[…]nie można uzyskać za pomocą metod odlewniczymi i ubytkowych”.

        Nie podajecie tez źródeł obrazów a podejmujecie próby ich tłumaczenia, co może prowadzić do ich złego interpretowania, gdzie w świecie polskiego „druku 3D” filament znaczy zupełnie co innego jak w EBM.
        Pozdrawiam.

  • Maciej Strzała

    Brakuje wam jeszcze trochę technologii druku 3D z metalu z tej rozpisce. Proponuję poszukać w stanach. Przynajmniej 2 jeszcze na szybko z głowy sobie przypominam.