Do czego wykorzystywać technologię druku 3D z metalu, a kiedy należy jej unikać?

Druk 3D z metalu to wciąż jedna z najbardziej oddziałujących na wyobraźnię odmian technologii addytywnych. O ile dla znakomitej większości osób drukarki 3D przestały być już czymś wyjątkowym, o tyle ogólne pojęcie na ich temat sprowadza się do najpopularniejszej i najczęściej spotykanej metody FDM / FFF, czyli druku 3D z termoplastów w formie żyłki. Produkcja przyrostowa z wykorzystaniem metalu jest nadal czymś abstrakcyjnym i mało kto zdaje sobie sprawę jak ona działa – a co za tym idzie, do czego tak naprawdę może zostać wykorzystana? W niniejszym artykule przybliżymy w wielkim skrócie czym jest druk 3D z metalu, lecz przede wszystkim spróbujemy uświadomić osoby mające niewielką (lub żadną…) styczność z tą techniką do czego ją wykorzystywać, a do czego się ona kompletnie nie nadaje?

Każdego tygodnia wiele osób kontaktuje się z nami z prośbą o wycenę wykonania wydruku 3D z metalu – niestety w 4 przypadkach na 5 nie dochodzimy nawet do etapu przygotowania oficjalnej oferty cenowej… Po rozmowie telefonicznej lub szybkiej wymianie e-maili okazuje się, że osoba / firma chciałaby wykonać detal, który do drukowania 3D z metalu kompletnie się nie nadaje… Tzn. nadaje się, ale koszt jego wyprodukowania okaże się tak wysoki, że rentowność będzie podobna do przejażdżki Ferrari lub Lamborghini po centrum Łodzi w godzinach szczytu… Oczekiwania Klienta co do ceny są całkowicie oderwane od rzeczywistości, co wynika po prostu z braku podstawowych informacji i wiedzy na temat drukarek 3D do metalu i specyfiki samego procesu wytwórczego.

Podstawowy problem jest zawsze ten sam – brak wyobrażenia na temat tego do czego wykorzystać tą technologię? Zwykle motywacją do wysłania zapytania jest nadzieja, że wydruk 3D będzie tańszy od frezowania CNC – to jest możliwe, ale tylko wtedy, gdy frezowanie jest albo koszmarnie drogie, albo stoi na granicy wykonalności technologicznej. Drugi problem to stereotypy na temat druku 3D nabyte na podstawie doświadczeń z tanimi, desktopowymi drukarkami 3D drukującymi z plastiku – skoro są one tak tanie w eksploatacji, to ile droższy może być druk 3D z metalu…?

Rzecz jaką należy zrozumieć, to to, że druk 3D z tworzyw sztucznych typu FDM / FFF to coś całkowicie różnego od druku 3D z metali. To dwie kompletnie różne od siebie metody wytwórcze, których jedynym wspólnym mianownikiem jest to, że produkują detale w sposób przyrostowy – warstwa po warstwie. Oznacza to, że jeżeli ktoś opanował tajniki druku 3D z filamentów na desktopowej drukarce 3D i czuje się w tym obszarze naprawdę mocnym, w kwestii druku 3D z metalu nie ma to żadnego znaczenia i przełożenia na efekty – jego wiedza i doświadczenie są bezwartościowe, wszystkiego musi się uczyć od początku.

Czym jest druk 3D z metalu i na czym polega?

Druk 3D z metalu to technologia proszkowa. Chociaż co do zasady działa na podobnej zasadzie jak metoda SLS, czyli drukowanie ze sproszkowanych poliamidów, różni się całą masą niuansów technologicznych. Z punktu widzenia osoby zamierzającej póki co tylko zamawiać wydruki, najważniejszą różnicą jest to, że w technologii SLS nie trzeba stosować struktur podporowych, o tyle w przypadku druku 3D z metalu jest to niezbędne. Wydruków nie można zatem piętrować w komorze roboczej, a projektując detale, należy uwzględniać konieczność stosowania supportów, które po wydruku muszą być możliwe do usunięcia.

Drukarki 3D do metalu to duże i bardzo drogie maszyny o standardzie przemysłowym. Koszt drukarki 3D to przedział od kilkuset tysięcy do kilku milionów PLN. Do pracy potrzebne są odpowiednio przygotowane pomieszczenia oraz stanowisko do obróbki mechanicznej i cieplnej. Wspomnieliśmy o konieczności stosowania podpór – są one wykonywane z tego samego metalu co sam model, musimy więc posiadać narzędzia za pomocą których odseparujemy je od siebie (metal-od-metalu). Wydruki 3D powstają w atmosferze gazowej – jest nim gaz techniczny (np. argon), niezbędna jest zatem odpowiednia infrastruktura do magazynowania butli. W końcu sam materiał – sproszkowany stop metalu danego gatunku, jest ciężki i do zasypania komory roboczej większej maszyny, mieszczącej min. kilkadziesiąt kilogramów proszku potrzebne jest odpowiednie oprzyrządowanie.

Proces drukowania 3D polega na tym, że w komorze roboczej na powierzchni stołu roboczego rozsypywana jest równomierna warstwa materiału, który jest selektywnie topiony wiązką lasera. Gdy jedna warstwa jest przetopiona, stół obniża się o wysokość zadanej warstwy, rozsypywana jest kolejna warstwa proszku i laser ponownie go przetapia spajając z wcześniejszą warstwą.

Po zakończonym wydruku należy oczyścić go z niestopionego proszku, a następnie odciąć ze stołu i usunąć podpory. W przypadku określonych typów stopów metali niezbędna jest dodatkowa obróbka cieplna.

Dlaczego druk 3D z metalu jest taki drogi?

Pod każdym względem technologia druku 3D z metalu jest najdroższą ze wszystkich metod addytywnych – drogie są drukarki 3D, materiały i szeroko pojęte koszty eksploatacyjne oraz same wydruki 3D. Z czego to wynika?

drukarki 3D są drogie, ponieważ wykorzystują bardzo kosztowne komponenty (głowice laserowe i precyzyjne systemy sterujące, systemy wentylacyjne tworzące próżnię wewnątrz komory roboczej i pompującej do jej wnętrza gaz techniczny, masywna i szczelna konstrukcja), a ich produkcja i montaż są skomplikowane
materiały to sproszkowane stopy metali; aby je wytworzyć należy surowy materiał przekształcić najpierw w drut, a następnie go zatomizować (sproszkować) do zadanej ziarnistości, co samo w sobie jest niezwykle skomplikowanym i kosztownym procesem; koszt kilograma sproszkowanej stali nierdzewnej to wielokrotność kilograma surówki stosowanej w CNC
koszty eksploatacyjne to przede wszystkim gaz techniczny oraz utrzymanie całej infrastruktury niezbędnej do post-processingu
wydruk 3D jest wypadkową wszystkich powyższych, gdzie najdroższą zmienną zawsze pozostaje koszt materiału.

Kiedy korzystać z druku 3D z metalu, a kiedy zdecydowanie nie?

Tak jak wspomniałem na wstępie, najczęstszym błędem w myśleniu o druku 3D z metalu jest stawianie znaku równości pomiędzy nim a frezowaniem CNC. Jeżeli coś da się stosunkowo łatwo wyfrezować, nie ma sensu tego drukować na drukarce 3D – koszt druku 3D będzie zawsze wyższy. Ma to szczególne znaczenie w przypadku detali o dużej objętości / wadze. Im więcej zużyjemy materiału na wydruk 3D, tym będzie on droższy. Skrajny przypadek z naszego własnego doświadczenia, to frezowanie detalu z aluminium w cenie 2-3 tysięcy PLN versus wycena wydruku 3D tego samego elementu na poziomie ponad 20 tysięcy PLN…

Kiedy drukowanie 3D z metalu ma sens?

gdy jakakolwiek obróbka skrawaniem jest niemożliwa
gdy obróbka skrawaniem jest bardzo skomplikowana
gdy do wyprodukowania są elementy cienkościenne (poniżej 1 mm grubości) – w zależności od geometrii, drukarka 3D do metalu może wykonać ścianki o grubości nawet 0,2 – 0,3 mm
gdy do wyprodukowania są małe i precyzyjne elementy, o rozmiarach na poziomie 1-5 cm w osiach XYZ
gdy do wykonania są elementy puste w środku, lub posiadające lattisową konstrukcję wewnętrzną.

Druk 3D ma zastosowanie także tam, gdzie możemy wykonać jeden złożony detal, zamiast składać go z kilku-kilkunastu niezależnych części (np. trzy elementy korpusu + komplet śrub, podkładek i nakrętek do złożenia ich w całość).