EBM - průlomová technologie výroby exponovaných součástí

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

Prof. Miroslav Píška

Katrin Bučková