Témata
Reklama

EBM - průlomová technologie výroby exponovaných součástí

Tvarově složité součásti přímo z výchozích materiálů. Vysoká produktivita. Kvalitní struktura. Výborné mechanické vlastnosti. Redukovaná zbytková napjatost. Žádné opotřebené nástroje, upínací prvky. Různé materiály. Přímá tvorba montážních sestav. Sjednocení více součástek do jedné. Úspora energie, času, nákladů. Bez odpadu. Energeticky efektivní a ekologické. To je EBM!

Technologie EBM byla vyvinuta švédskou společností Arcam (založenou v roce 1997), která dnes patří nadnárodní společnosti General Electric. Na českém trhu je zastupována společností Misan v Lysé nad Labem a poskytuje efektivní řešení výroby kovových součástí aditivní technologií. Tato unikátní technologie nabízí velkou tvůrčí svobodu v designu součástí v kombinaci s vynikajícími materiálovými vlastnostmi, vysokou produktivitou a nachází uplatnění v řadě odvětví průmyslové praxe od leteckého, automobilového či chemického průmyslu až po chirurgii a energetiku. Technologií EBM je možné vyrábět součásti složitých tvarů a geometrií, jejichž výroba je tradičními metodami obtížná a nákladná, často i nemožná.

Reklama
Reklama
Zařízení pro EBM technologii, jeho princip. (Zdroj: archiv prof. Píšky)

Princip technologie

Jde o tavení a tuhnutí kovového prášku vrstva po vrstvě, čímž vzniká 3D těleso. Materiál se přidává – neubírá se, jako je tomu u konvenčních technologií, např. při obrábění. Částice každé vrstvy jsou spojeny tavením i přetavováním v mikroobjemu do přesné geometrie definované CAD modelem. Výrobní proces tedy probíhá bez nástrojů, upínacích přípravků a produkce odpadu. Částice materiálu jsou obvykle kulovité, větší než částice pro laserové technologie.

Kyčelní implantát (náhrada spongiózní i kortikální kosti). (Zdroj: archiv prof. Píšky)


Zdrojem tepla je elektronový paprsek dosahující výkonu až 6 kW a posuvové rychlosti 8 000 m.s-1, což je několikanásobně více v porovnání s 3D tiskem pomocí laserového paprsku. Teplo se generuje ze ztráty kinetické energie elektronů při jejich dopadu na povrch materiálu. Dráhově je elektronový paprsek řízen elektromagnetickými čočkami, které poskytují extrémně rychlé a přesné řízení paprsku. Vysoká posuvová/skenovací rychlost umožňuje udržovat několik natavených míst současně, čímž se redukují teplotní gradienty mezi jednotlivými místy součásti i následná reziduální pnutí. Celý proces probíhá ve vakuové komoře i při vysokých teplotách tavení kovových materiálů. Výsledkem jsou tvarové komponenty, téměř zbavené vnitřního pnutí, s materiálovými vlastnostmi stejnými či lepšími než mají lité a tvářené součásti. Řízená vakuová technologie poskytuje tlak 1x10-5 mbar a zároveň je udržován částečný tlak plynu helia 2x10-6 bar. Toto tzv. kontrolované stavební prostředí je důležité pro zachování chemické čistoty výsledného materiálu, nevznikají zde oxidy ani jiné vedlejší produkty chemických reakcí.

Předpokladem úspěchu je optimalizovaný teplotní režim, který musí zaručit protavení částic materiálu i spojení větších vyráběných celků ve vakuu. Za tímto účelem Arcam poskytuje řadu efektivních algoritmů, které zaručí předehřev práškového lože, pracovní proces s homogenním protavením dílčích celků optimalizovanou strategií, spojení bloků materiálu, případně i jejich žíhání pro odstranění zbytkové napjatosti. Řada součástí se může dále vystavit tzv. HIP procesu (Hot Isostatic Pressing), který redukuje případnou pórovitost na minimum (samostatná technologie).

V leteckém a kosmickém průmyslu pomáhá EBM technologie dále snižovat hmotnosti součástí řadou odlehčení, vnitřních vzpěr, ale zachovat nosnost dílců, odolnost proti únavovému zatěžování, vytvořit konformní chlazení, zkracovat dodací lhůty prototypů a výrazně zkrátit inovační proces.

Přetavená dvoufázová titanová slitina. (Zdroj: archiv prof. Píšky)

Zdravotnictví, ortopedické implantáty

Lepší život díky EBM! Průměrná délka života se celosvětově prodlužuje, a tudíž přibývá mj. i opotřebení všech kloubů v lidském těle. K nadměrnému zatěžování kostního aparátu přispívá i sedavé zaměstnání většiny populace ve vyspělých zemích a nárůst obezity. Konečným řešením pro opotřebené či zničené klouby je tzv. kloubní náhrada. Rizikovou skupinou jsou i vrcholoví sportovci a lidé s aktivním životním stylem, u kterých dochází k opotřebení chrupavek a funkčních ploch kloubů již dříve, často v mladém věku. Neustálý vývoj nových chirurgických technik a produktů vede k trvalému růstu trhu s ortopedickými implantáty. EBM lze využít k výrobě standardních i nestandardních ortopedických implantátů vyráběných tzv. na míru. U standardních implantátů je použití technologie EBM v mnoha případech nákladově efektivnější (např. kloubní jamka kyčelního kloubu), zejména pro sériovou výrobu implantátů s tzv. trámčitou strukturou. Technologie je schopna komfortně vytvořit hutnou i porézní strukturu během jednoho procesu, s dělením těles do jednotlivých buněk i dalším gradientním uspořádáním nebo uspořádáním pravidelným, nepravidelným i nahodilým. Prostorové struktury jsou klíčovým parametrem u ortopedických implantátů, jelikož napomáhají k odlehčení implantátu pomocí vnitřních nosníků i prorůstání kosti do povrchu implantátu a tím jeho lepší fixaci. Uživatel má možnosti ovlivnit geometrii elementárních prvků v primitivních nebo maticových plochách/strukturách, jejich relativní hustotu, velikost pórů a další vlastnosti. Implantáty jsou tištěny přímo z 3D počítačového modelu – za použití počítačové tomografie (CT) a inženýrského CAD softwaru.

Kovový prášek Ti6Al4V

GE nabízí i vlastní výchozí materiály. Slitina Ti6Al4V je charakteristická vysokou pevností, lomovou houževnatostí, nízkou hustotou, výbornou odolností proti korozi a vynikající biokompatibilitou. Jedná se o nejpoužívanější titanovou slitinu, zabírající téměř polovinu celkového trhu s titanovými produkty. Hlavní podíl patří leteckému průmyslu, dále energetice a zdravotnictví. Výrobní proces je náročný kvůli nízké tepelné vodivosti, sklonu k deformačnímu zpevnění materiálu a reakci s kyslíkem za zvýšených teplot. Konvenční zpracování této slitiny spočívá v odlévání, kování a následném obrábění. Pro účely EBM a výrobu kovového prášku je využívána prášková metalurgie, konkrétně plazmová atomizace. Výchozí kov v podobě drátu je veden do horní části atomizéru, kde je taven plazmovým hořákem, padající roztavený kov tuhne a tvoří sférické částice. Hotový kovový prášek Arcam Ti6Al4V-ELI obsahuje částice převážně velikosti 50–100 mikrometrů, což je dvakrát více, než se jedná např. u technologie selektivního tavení laserem (což při vyšším výkonu elektronového paprsku umožňuje až desetinásobné zvýšení rychlosti stavby).

Komplexní výrobek s hutnou i trámčitou strukturou – kolenní implantát. (Zdroj: archiv prof. Píšky)

Nemá to chybu!

Zdaleka ne. Tento výrobní proces má řadu úskalí a podmínek pro jeho úspěšné zvládnutí, aby mohl konkurovat tradičním technologiím. Jeho problémy začínají už v metalurgii přípravy polotovarů pro atomizaci kuliček, protože se jedná o práškovou metalurgii a elektrické přetavování bez míchání tavby, což může vést například k tvorbě nehomogenního chemického složení. Dále zde platí vysoké požadavky na čistotu materiálu (používají se tzv. materiály třídy ELI – Extra Low Interstitials, tzn. velmi nízký obsah nečistot). Podobně je pokročilý celý proces tavení, kde se musí optimalizovat vzdálenost/překrytí řádků, výkon zařízení, fokusace paprsku a jeho posuvová rychlost. Na mechanické vlastnosti má vliv i směr paprsku ke spékanému povrchu. I při nejvyšší pečlivosti se tak ve strukturách mohou objevit klasické trhliny za horka, póry, oxidické pleny. Iniciace únavových trhlin může probíhat na vnějším, ale i vnitřním povrchu zatěžovaných těles, na cizorodých fázích, pórech i neprotavených částicích zpracovávaného materiálu. Ale i přesto se daří technologicky vytvářet struktury materiálů stejně pevné jako materiály tvářené. Nejcitlivějším způsobem testování, které odhalí vnitřní nedokonalosti a vady materiálu, je samozřejmě únavové testování, kde lze najít nukleaci vnějších i vnitřních trhlin i u čistých materiálů. Nicméně tato technologie potvrdila, že vhodně připravený vzorek dokáže cyklickému namáhání úspěšně odolávat. A to dokonce při symetrickém cyklu na hladinách zatížení přibližně 35 % meze kluzu, po více než 10–13 milionech cyklů, bez porušení vzorku. Pokud dojde ke vzniku lomové plochy, jsou zde patrné povrchové striace po šíření únavových trhlin, řada stop jejich odklonů od primárního směru šíření a doslova napjatostně-deformační boj o každé zrno materiálu.

Dílčí morfologie povrchu při stavbě kruhovitého vzorku. (Zdroj: archiv prof. Píšky)
Pozn. Úhel w je úhel mezi směrem dopadajícího elektronového paprsku a povrchem vzorku. Nejvyšší pevnosti se pak dosahuje při následovném tažení „po vlákně“. 1) ÚST FSI VUT v Brně.

Produkty a výchozí materiály

Na trhu je hned několik zařízení, lišících se výkonem paprsku, velikostí a tvarem stavební komory a zpracovávaným materiálem. Arcam Spectra umožňuje tisk velkých dílů a stavění více dílů najednou. Díky schopnosti udržovat vysoké teploty jsou aplikace vhodné i pro materiály náchylné k trhlinám, jako například intermetalika titan či žárupevné i antikorozní materiály. K dispozici jsou dvě velikosti komor (Spectra L a Spectra H). Arcam Q20 plus je speciálně navržen pro výrobu leteckých součástek, jako jsou lopatky turbín, konstrukční části a mnoho dalšího. Stavěcí komora umožňuje jak výrobu velkých součástí, tak stohování menších. Arcam A2X je určen pro letecký průmysl, výzkum a vývoj materiálů i všeobecný průmysl díky široké škále výchozích materiálů – proto je oblíben i univerzitami a často pořizován na výzkumné účely. Arcam Q10 plus je stroj nové generace určený pro výrobu ortopedických implantátů. Stavěcí platforma umožňuje stohování nejběžnějších typů implantátů, interiér je sestaven pro snadnou a rychlou manipulaci s práškem. Pro bezpečnou manipulaci s práškem je dodávána sada pomocných zařízení, což zahrnuje vysavače, vozíky a speciální systém recyklace prášků. V závislosti na aplikaci je potřeba respektovat speciální požadavky, jako například při výrobě implantátů po použití jednoho druhu výchozího materiálu již není možný přechod na jiný materiál.

Dílčí morfologie povrchu při stavbě plochého vzorku. (Zdroj: archiv prof. Píšky)

Závěr

EBM představuje v dnešní době mezi aditivními výrobními metodami patrně nejdokonalejší technologii, schopnou úspěšně konkurovat konvenčním technologiím. I přes drobná úskalí nabízí zcela unikátní struktury a vlastnosti, jinými technologiemi nedosažitelné a aplikovatelné v technice a lékařství všude tam, kde zatím matka příroda jednoznačně vládla. Jejich aplikace se časem znásobí a zlevní, což povede k dalšímu rozšíření této perspektivní technologie.

Tahové zkoušky prokázaly vysoké pevnostní vlastnosti i dostatečnou plasticitu vzorků. (Zdroj: archiv prof. Píšky)

Prof. Miroslav Píška

Katrin Bučková

Reklama
Související články
Zcela jiné možnosti s aditivními technologiemi

Nadnárodní společnost General Electric napříč všemi svými dceřinými společnostmi neustále prohlubuje obrovské know-how. Vlastní zkušenosti s vývojem aditivně vyráběných částí zejména pro potřeby leteckého průmyslu přesahující již dvě dekády daly podnět ke vzniku zákaznického centra. GE Additive otevřela v roce 2017 zákaznické centrum (Customer experience center – CEC) kousek od Mnichova, kde firmám nabízí pomoc s nelehkými začátky s aditivními technologiemi.

Vliv složek ochranných atmosfér na WAAM

Svařování v současné době není už pouze technologií ke spojování materiálů. S rozvojem aditivní výroby strojních součástí lze tento proces využít také pro výrobu komplexních a geometricky složitých součástí. Technologie WAAM využívá svařování pro vrstvení jednotlivých svarových housenek do tvaru vyráběné strojní součásti a je charakterizována mnoha proměnnými – mimo jiné i účinky ochranné atmosféry. Cílem příspěvku je zhodnotit vliv jednotlivých složek ochranných atmosfér používaných pro MAG svařování.

Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

Související články
Automatizace lidem práci nebere

Automatizaci se ve firmě Kovosvit MAS věnují od roku 2013. Z původního projektu vznikla samostatná divize MAS Automation a na letošní rok má plánované téměř dvojnásobné tržby oproti roku 2017. V porovnání s plánovaným obratem celého Kovosvitu jsou tržby divize zatím nevýznamné, ale průměrný růst divize o dvě třetiny ročně dokládá, že automatizace má v podniku ze Sezimova Ústí zelenou.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Nový stroj pro laserový 3D tisk kovů

Na specializovaném veletrhu Formnext ve Frankfurtu nad Mohanem, zaměřující se výhradně na systémy aditivní výroby, představila firma Trumpf nový stroj pro laserový 3D tisk kovů - TruPrint 2000. Univerzální stroj TruPrint 2000 vyniká několika technologickými novinkami a jeho koncepce je uzpůsobena zejména pro precizní a choulostivé produkty zdravotnického průmyslu a stomatologie. Nicméně firma již nyní deklaruje, že stroj má výhody i pro použití v automotive, leteckém a strojírenském průmyslu nebo pro výrobu nástrojů a forem, protože standardně zvládne zpracovávat všechny typy materiálů od ocelí a nerezu, přes hliníkové, titanové, niklové slitiny až po chrom kobalt a slitiny mědi.

Vývoj v oblasti 3D tisku z kovu pokračuje

Již téměř před rokem představila společnost Kovosvit MAS v rámci tradičních zákaznických dnů stroj WeldPrint5X. Na zářijovém strojírenském veletrhu v Brně byla novinka, která kombinuje plnohodnotnou generickou technologii (navařování kovu) a plnohodnotnou subtraktivní technologii pomocí frézování až v pěti osách, oceněna Zlatou medailí. „Ocenění ještě zvýšilo motivaci celého týmu, který na vývoji technologie pracuje,“ říká Petr Heinrich, technický ředitel Kovosvitu MAS. A prozradil, že firma chystá další novinky v oblasti 3D tisku z kovu.

3D technologie letem světem

Vývoj 3D technologií dnes již zasahuje téměř do všech oblastí výroby. Uplatnění nachází u kusové výroby, ale dokáže si najít své místo i v sériové a dokonce velkosériové výrobě, kde nemusí jít nutně o samotné výrobky, ale např. o výrobu nástrojů nebo přípravků.

Od aditivních strojů k hybridním zařízením

Zlepšující se funkčnost a výkon hardwaru, široká paleta volby materiálů a stále se zlepšující kvalita vyráběných součástí přispívají k růstu aditivní výroby. Technik ve výrobě tak získává neustále na významu.

Aditivní výroba unikátních řezných nástrojů

Aditivní technologie jsou jedním z nosných pilířů Průmyslu 4.0. Od roku 2014, kdy v ČR 3D tisk kovů odstartoval „ve velkém“, byla o této problematice napsána celá řada publikací, díky nimž je tato technologie považována za poměrně známou. Jedním z průkopníků 3D tisku v ČR je firma Innomia, která přinášela informace o technologii DMLS do povědomí českého průmyslu již několik let před tímto zmiňovaných boomem.

Odlehčovací optimalizace 3D tištěné frézy

Vývoj v oboru obrábění se tradičně potýká s mimořádným dynamickým zatížením soustavy na straně jedné a požadavky na přesnost a produktivitu obrábění na straně druhé. Nalezení takové konstrukce nástroje, která odolá extrémním provozním podmínkám, a přitom umožní proces obrábění urychlit, může vést k zefektivnění výrobního procesu. Příkladem toho může být vývoj odlehčené frézovací hlavy. Dosavadní konstrukce obráběcích nástrojů vycházely z jednolitých plných tvarů zaručujících vysokou tuhost na úkor dynamických vlastností nástroje. Změnou vnitřní struktury je však možné najít optimum mezi těmito protichůdnými požadavky.

Již druhý hybridní stroj WeldPrint

Kovosvit MAS ve spolupráci s ČVUT vyvinul již druhý tzv. hybridní stroj pod obchodním názvem WeldPrint. Jde o technologii 3D tisku z kovu plně vyvinutou v České republice patřící do kategorie Hybrid Manufacturing (HM). Umožňuje vytvářet kovové dílce navařováním pomocí elektrického oblouku a jejich obrábění v jednom pracovním prostoru s výrazně menšími náklady než u jiných technologií 3D tisku z kovu. Nový stroj bude díky nižší pořizovací ceně dostupnější než jeho předchůdce.

Výrobní laserové technologie

Výrobní laserové technologie lze dělit mnoha způsoby-, podle použitého výkonu, délky pulzu nebo interakce s materiálem. Nejjednodušší způsob rozdělení laserových technologií je do tří skupin: dělení a odebírání materiálu, spojování materiálu a úprava povrchu materiálu. Vzhledem k rozmanitosti využití laseru není toto dělení zcela jednoznačné a existuje několik dalších technologií, které se nacházejí mezi těmito kategoriemi.

Ultra lehké komponenty vyráběné 3D tiskem

V posledních letech se do širšího povědomí dostávají aditivní technologie, neboli 3D tisk, kde je součást tvořena přidáváním materiálu nikoliv jeho odebíráním, jako je tomu u klasického obrábění. Jejich využití je zkoumáno napříč nejrůznějšími obory od strojírenství přes architekturu až po medicínu a módu. Pokud se omezíme na 3D tisk kovů, zjistíme, že aditivní technologie jsou brány jako prostředek pro výrobu tvarově složitých a občas konvenčními způsoby zcela nevyrobitelných dílů. Jsou brány jako jakási ideální výrobní technologie pro výrobu čehokoliv. V posledních letech se navíc stále více skloňuje spojení aditivní technologie a topologické optimalizace, což je způsob návrhu tvaru dílu na základě matematické optimalizace. Jak lze tušit, navržený tvar je značně složitý a často bývá označován jako organický. Takové díly jsou údajně vhodné pro 3D tisk, ale není tomu tak. Ve většině případů je realita daleko prozaičtější. Použití aditivní technologie je pouze jediná možnost, jak takový díl vyrobit.

Výuka a výzkum aditivních technologií

Inovativní výrobní technologie nacházejí své místo také v technickém vzdělávání. Do svých osnov je dříve či později zakomponovaly všechny technické vysoké školy. Avšak pořízení nákladných technologií se neobejde bez podpory ze strany průmyslového výzkumu. Na Fakultě strojní ČVUT v Praze nyní disponují úplně novým zařízením M2 cusing pro výrobu dílů metodou DMLS německého výrobce Concept Laser, dnes působící pod značkou GE Additive. Stroj dodala společnost Misan a technologie slouží primárně pro výzkum v leteckém průmyslu.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit