Témata
Reklama

Selektivní laserové slinování polymerů

Další pokrok lidstva nelze realizovat bez zásadních inovací výroby. Hnací silou je neustále sílící konkurence globálního rozsahu. Ta vyvolává rostoucí tlak na inovace materiálů a výrobních technologií a na efektivnější využívání znalostního potenciálu vědeckých a výzkumných pracovišť. V posledních letech se do popředí zájmu dostávají inovativní výrobní procesy, jejichž podstatou jsou tzv. aditivní technologie, původně vyvinuté pro účely rychlé výroby prototypů (rapid prototyping, 3D printing).

Prof. Josef Steidl

Emeritní profesor ČVUT v Praze. Jeho oborovým zaměřením jsou materiálové vědy a inženýrství se specializací na plasty a kompozity. Je členem Inženýrské akademie ČR, kde zastává funkci předsedy sekce Materiálové inženýrství a technologie.

Jednou z těchto metod je selektivní laserové slinování (SLS), patentované C. Deckardem a jeho spolupracovníky ze strojní fakulty texaské univerzity v Austinu na konci 80. let minulého století. Zatímco při klasickém obrábění se pro dosažení konečného tvaru výrobku materiál z polotovaru odebírá, u aditivních technologií se naopak materiál ve formě prášku po tenkých vrstvách postupně přidává. Teplo potřebné pro slinování prášku a spojení jednotlivých vrstev mezi sebou se u SLS dosahuje laserovým paprskem. Postupem času se ukázalo, že této metody lze využít nejenom pro rychlou výrobu prototypů, ale i jako perspektivní a vysoce inovativní technologii pro sériovou výrobu.

Reklama
Reklama

Aditivní technologie – naděje do budoucna

Naléhavou potřebou materiálových a technologických inovací se v nedávné době zabývala i administrativa amerického prezidenta Baracka Obamy, který v roce 2012 vyčlenil značné finanční prostředky na podporu inovací výroby. Na základě této iniciativy a pod heslem „We Can´t Wait“ (nemůžeme čekat) by mělo být na území USA v rámci programu národní sítě výrobních inovací (National Network for Manufacturing Innovation) založeno patnáct nových institucí, které se budou zabývat výrobními inovacemi. Není náhodou, že náplní pilotního institutu ve městě Youngstown (Ohio) jsou právě aditivní technologie. Do programu National Additive Manufacturing Innovation Institute je zapojeno čtyřicet významných průmyslových společností, mezi jinými např. Boeing, Honeywell, IBM, Parker Hannifin nebo Westinghouse Nuclear, dále devět renomovaných univerzit, např. Case Western Reserve, Akron, Carnegie Mellon, Pittsburgh, pět vyšších odborných škol a jedenáct neziskových organizací. Pro rozvoj aditivních technologií tak vzniká centrum excelence světového významu a vytváří i špičkově vybavené prostředí pro výchovu odborníků tohoto vysoce perspektivního oboru. Tento příklad ukazuje na razantní vstup státu do podpory inovací výrobních technologií a zajištění jejich budoucího vývoje masovou finanční podporou. Již předtím, v roce 2009, byl v USA zpracován dokument nazvaný „Roadmap to Additive Manufacturing“, který následně podnítil zájem několika tisíc výzkumných i výrobních subjektů o aditivní výrobní technologie. Hlavním cílem uvedených aktivit je revitalizovat současnou průmyslovou výrobu, urychlit růst výrobního sektoru a podpořit výrobní podniky v posilování konkurenceschopnosti, zejména vůči Asii. Důraz je přitom kladen na minimalizaci nákladů na výrobní nástroje a zařízení, na bezodpadovou výrobu a nízkou energetickou náročnost. Význam aditivních metod pro budoucí technologický pokrok dokumentovali specialisté firmy Boeing v úvodní přednášce konference SEICO 2013 na příkladu vývoje bezpilotního letadla Phantom Eye s vodíkovým pohonem (SEICO v Paříži je každoroční konferencí evropské pobočky společnosti SAMPE, USA, zaměřené na pokročilé materiály a technologie).

Příklady technických součástí vyrobených aditivní technologií z polymerního prášku (mnl.co.uk)

Přínosy technologie SLS

SLS umožňuje návrhářům a konstruktérům větší svobodu při navrhování a optimalizaci geometrického tvaru výrobku, než je tomu u klasických technologií. Dovoluje výrobu stacionárních i pohyblivých tvarově velmi složitých součástí a dílů (obr. 1, 2), aniž by byl konstruktér omezován výrobní technologií. Přitom nevzniká odpadový materiál, stupeň zhodnocení materiálu je velmi vysoký. SLS je vhodné i pro výrobky s funkčně gradovanou strukturou. Na rozdíl od klasických technologií se jedná o velmi rychlý výrobní postup, jak od 3D digitálního modelu dojít ke konečnému výrobku. Splňuje rostoucí nároky na energetickou efektivitu i dopady na životní prostředí. Zařízení pro SLS se vyznačují kompaktním tvarem s uzavřenou pracovní částí (obr. 3) a mají charakter čisté technologie. Naskýtá se ovšem otázka, proč při uvedených nesporných výhodách trvá vývoj SLS technologie čtvrt století od doby vynálezu, aniž by zatím dosáhl širšího průmyslového využití. Odpověď lze hledat v tom, že SLS je vysoce sofistikovanou technologií, která svojí myšlenkou poněkud předběhla vývoj v počítačové sféře, vývoj vhodných materiálů i možnosti a ceny v oblasti laserových zařízení. Nicméně při současné úrovni technických zařízení pro SLS jsou předpovědi pro uplatnění této technologie výrazně příznivější a pro nejbližší roky se předpokládá její využití zejména v leteckém a automobilovém průmyslu, v biomedicínckých aplikacích, ale i ve spotřebním průmyslu.

SLS a materiálový výzkum

Technologie SLS je vyvíjena i pro kovové a keramické materiály, největší pozornost je však věnována materiálům polymerním. Například v rámci České republiky byla materiálová problematika aditivních technologií řešena na Ústavu materiálového inženýrství Fakulty strojní ČVUT v Praze. V roce 2004 tuto celosvětově sledovanou technologii přivedl na ústav čtyřletý projekt 6. rámcového programu EU s názvem Custom-Fit. Jednalo se o integrovaný projekt založený na metodách rychlé výroby prototypů, informačních technologií a specializovaného materiálového výzkumu s cílem zlepšit kvalitu života lidí za pomoci personalizovaných výrobků („šitých na míru“), jako jsou např. protetické pomůcky, implantáty, ochranné helmy, sedadla v motorových vozidlech apod. Aditivní technologie umožňují personalizovanou výrobu v masovějším měřítku. Custom-Fit byl největším projektem v Evropě rozvíjejícím myšlenky a praktické využití aditivních technologií. Jeho řešení se účastnilo přes třicet evropských institucí. Po ukončení projektu pokračoval na Ústavu materiálového inženýrství výzkum SLS technologie ve spolupráci s belgickou firmou Materialise, která se rovněž účastnila řešení projektu Custom-Fit. Ing. M. Vyroubalová, Ph.D. se ve své práci zabývala dosud málo probádanou oblastí, a to vztahy mezi strukturou polymerního materiálu, mechanickými vlastnostmi konečného výrobku a technologickými parametry laserového zařízení. Výzkum byl uzavřen na konci roku 2011 její disertační prací. Představitelem firmy Materialise byl vysoce hodnocen vědeckotechnický přínos výsledků tohoto výzkumu pro další vývoj technologie SLS.

Složité soukolí vyrobené aditivní technologií z polymerního prášku (objet.com)

Faktory ovlivňující kvalitu výrobků

Na rozdíl od tradičních zpracovatelských technologií plastů, jako je vstřikování, je prozatím sortiment polymerních materiálů vhodných svými vlastnostmi pro technologii SLS omezen. Kromě toho ne všechny polymerní prášky dobře slinovatelné laserem vyhovují požadavkům na vlastnosti konečného výrobku – mechanické, tepelné i elektrické. Proto je potřeba vyvíjet polymerní prášky, které by plně vyhovovaly jak zpracovatelské technologii SLS, tak aplikační sféře. Mechanismus spojování částic prášku je dvojí: částečné natavení u termoplastů a termoplastů s vyztužujícími plnivy anebo i úplné roztavení u neplněných termoplastů. Zatím málo prověřený je mechanismus chemicky indukovaného slinování u reaktoplastů. Přes všechny výhody, které SLS technika do budoucna nabízí, jde v principu o složitější proces, než je vstřikování, protože konečný tvar výrobku se tvoří postupně po tenkých vrstvách. Částice prášku se musí dokonale spojit jednak mezi sebou v každé vrstvě, jednak mezi jednotlivými vrstvami. Konečné vlastnosti výrobku jsou závislé na vlastnostech polymerního prášku, tloušťce vrstev, parametrech laserového paprsku a orientaci výrobku vůči směru kladení vrstev. Charakteristickým rysem všech slinovacích technologií je vznik pórů. Ty mají negativní dopad na mechanické vlastnosti i fyzikální vlastnosti slinovaného výrobku. Základními materiálovými vlastnostmi, které ovlivňují úspěšnost slinovacího procesu, jsou u krystalizujících polymerů teplota tání, teplota a rychlost krystalizace a krystalinita, které lze za daných podmínek slinování dosáhnout. Tepelné podmínky při slinování ovlivňují smrštění a zbytková napětí. U amorfních polymerů je důležitým kritériem teplota viskózního toku. Rozhodující význam pro SLS má dále index toku taveniny. Všechny tyto parametry jsou řízeny molekulární strukturou polymeru, molární hmotností a její distribucí. Další rozhodující charakteristikou jsou morfologie, velikost a distribuce částic polymerního prášku. Vedle materiálových charakteristik polymerního prášku hrají významnou roli technologické podmínky slinování, dané typem slinovacího zařízení a jeho nastavitelnými parametry.

Zařízení pro selektivní laserové slinování (kwanngte.com)

Polymerní materiály pro technologii SLS

Pro SLS se v současné době v největší míře používá polyamid 12 (polylauryllaktam). Otázkou je, proč právě méně běžný polyamid 12 je pro technologii SLS nejvhodnější. Ačkoliv důvody pro to nejsou ještě detailně prozkoumány, jeho přednosti ve srovnání s polyamidem 6 nebo 66 spočívají např. v nižší teplotě tání, úzkém teplotním intervalu tání a větším rozdílu mezi teplotou tání a teplotou krystalizace. Jsou to všechno vlastnosti výhodné pro teplotní režim slinování laserovým paprskem. Polyamid 12 má i z hlediska požadavků na technické výrobky, zejména ve strojírenství, atraktivní vlastnosti, jako jsou hustota okolo 1 000 kg.m-3, velmi dobrá rázová i vrubová houževnatost i při záporných teplotách, výborné tribologické vlastnosti, chemická odolnost, odolnost proti korozi za napětí (hydraulické kapaliny, oleje, paliva, maziva), tlumení vibrací, únavové vlastnosti. Ze všech komerčně vyráběných polyamidů má nejnižší sorpci vody, což je podstatné pro rozměrovou stabilitu výrobků a pro elektrické vlastnosti.

Vzhledem k předpokládané perspektivě SLS existují intenzivní snahy sortiment polymerních materiálů rozšířit a otevřít tím i oblasti použití této technologie. Byly již připraveny kompozitní systémy na bázi PA 12 se skleněnými a uhlíkovými vlákny, uhlíkovými nanotrubičkami, částicemi hliníku nebo mědi. Pro SLS jsou zkoušeny další typy termoplastů, jak krystalizujících, tak amorfních, polymerní směsi a slitiny, elastomery i reaktoplasty. Pozornost je věnována také vývoji polymerních prášků s nehořlavostí UL94V-0 pro aplikace v leteckém a automobilovém průmyslu. Zkoumány jsou rovněž polymerní kompozitní systémy obsahující vyztužující plniva a nanoplniva. Očekává se tak, že se SLS stane jedním ze zásadních inovačních směrů v technologii zpracování polymerních materiálů.

FS ČVUT v Praze, Ústav materiálového inženýrství

prof. Ing. Josef Steidl, CSc., FEng.
jose.steidl@gmail.com

Reklama
Vydání #5
Kód článku: 130563
Datum: 07. 05. 2013
Rubrika: Inovace / Plasty
Firmy
Související články
Kompozity s přírodními vlákennými plnivy kokosu

Polymerní materiály a jejich kompozity patří k nejprogresivněji se rozvíjejícím materiálům. Mezi polymerní materiály s prudkým rozvojem patří aplikace přírodních vláken (NF) do syntetických matric.

On-line sledování forem

Zásadní otázka sledování nástrojů se dá zjednodušit na boj mezi manažery projektů a mezi výkonnými pracovníky. Zatímco řídicí pracovníci by chtěli maximum informací pokud možno v reálném čase, výkonní pracovníci jsou časově zaneprázdněni samotnou výrobou a přepisování informací do systému je nijak zvlášť neinteresuje, ba naopak zdržuje od jejich hlavní práce.

Střídavě stejnosměrné názory na elektromobilitu, 9. a 10. díl: Jak se staví odborníci k e-mobilitě

V minulém díle našeho seriálu jsme dali prostor pověřenci ministra dopravy pro čistou mobilitu Mgr. Janu Bezděkovskému pro vyjádření se k jednotlivým problematickým aspektům, které s sebou přináší deklarovaný úplný přechod na elektromobilitu. V tomto díle jsme s podobnými otázkami oslovili odborné garanty našeho seriálu – prof. Macka a Ing. Morkuse –, již na ně velmi obšírně odpověděli. Zároveň tímto rozhovorem s odborníky, kteří náš seriál dozorovali, připomínkovali jednotlivé díly a motivovali nás k tvorbě dalších, seriál Střídavě stejnosměrné názory na elektromobilitu končí. Snad svůj účel – jímž bylo představit některé problematické stránky úplného přechodu na elektromobilitu a předložit je k další diskuzi – splnil.

Související články
Česko a Sasko společně pro plasty

Pracovní skupina zabývající se technologiemi plastů a vláknových kompozitů se na Vysoké škole v Žitavě/Zhořelci (Hochschule Zittau/Görlitz) začala postupně ustavovat v zimním semestru roku 2015.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Bakterie a olej od hranolek zachraňují svět

Svět má slušnou šanci být zbaven jednoho ze svých nejtíživějších problémů. Týmu z Vysokého učení technického v Brně se totiž podařilo přijít s technologickou inovací, která dokáže zastavit pokrývání zeměkoule odpadem.

Quo vadis, svařování?

Svařování je dlouhodobě jedna z nejvýznamnějších strojírenských výrobních technologií. Má rozhodující vliv na jakost řady výrobků a na výrobní náklady, proto má klíčové postavení mezi výrobními technologiemi. Patří také mezi technologie zpracovávající největší objem kovových materiálů (cca 25 %). Žádná jiná technologie nezpůsobuje tak rozsáhlé změny ve vlastnostech materiálů.

Světová hvězda v oblasti inovací míří na pražský festival

Na Festival Česká inovace 2014 míří Tony Ulwick, strategický guru a neochvějný inovátor, který světovým firmám pomáhá k úspěchu více než čtvrt století. Zakladatel severoamerické firmy Strategyn a autor metody Jobs-To-Be-Done představí inovační postupy, které pomáhají světovým značkám uspět v boji o zákazníka.

Tradice a perspektivy slévárenství

Slévárenství je jedním z nejstarších výrobních oborů, odlitky velmi úspěšně nahrazují součásti, vyráběné svařováním nebo obráběním z hutních polotovarů. Slévárenství umožňuje vyrobit velmi složité dílce pro nejrůznější odvětví průmyslu. Odlitky jsou využívány také v lékařství (kloubní náhrady, dentální odlitky a podobně), slévárenské postupy jsou využívány ve šperkařství a dalších výtvarných oborech (drobné plastiky, prsteny, náramky, brože, reliéfy, sochy a podobně).

Nový rámcový program pro financování výzkumu

Základní informace o programu Horizont 2020 přednesl W. Burtscher, zástupce generálního ředitele direktorátu pro výzkum a inovace, na konferenci s názvem "The EU Horizon 2020 Programme and Teaming for Excellence in the European Research Area" (H2020-TEERA), která se uskutečnila 17. a 18. října 2013. Uvedl, že H2020 je součástí víceletého finančního rámce (MFF), který v období 2014-2020 bude disponovat rozpočtem 960 miliard eur.

Technická normalizace

Technická normalizace není oborem na okraji jiných technických oborů, ale je jejich rovnocenným partnerem, bez kterého by se tyto obory nemohly rozvíjet.

Lipsko letos jenom digitálně

Tradiční dvojice veletrhů pro oblast strojírenství a subdodavatelského průmyslu Intec a Z v Lipsku se letos uskuteční v termínu 2.–3. března 2021 výhradně digitálně pod názvem „Intec/Z connect“. Společnost Leipziger Messe, pořadatel veletrhu, se takto rozhodla, neboť současný vývoj koronavirové pandemie a s tím spojená omezení neumožňují takto velkou akci smysluplně realizovat klasickou ani hybridní formou

Igráček slaví 40. narozeniny

Generace Husákových dětí si jistě dobře vzpomíná na malou plastovou figurku představující různá povolání. Igráček letos oslaví 40. narozeniny, a tak určitě stojí za to, podívat se důkladněji na jeho osud i na jeho výrobu.

Výroba stavebnic leteckých modelů

Pamětníci si možná vzpomenou na reportáž o výrobě plastikových leteckých modelů, která vyšla v MM Průmyslovém spektru 1, 2/2004. Když jsem loni na setkání uživatelů softwaru NX potkal pana Vladimíra Šulce, jednoho ze zakladatelů společnosti Eduard – Model Accessories, pozval mě, ať se k nim do Obrnic přijedu znovu podívat, protože za tu dobu se mnohé změnilo.

Plazmová povrchová úprava nanovlákených polymerních struktur

Technologie plazmových povrchových úprav spočívá v navázání funkčních skupin na povrch řetězce polymeru v plazmovém výboji. Jedná se převážně o hydroxylové skupiny. Nepolární charakter povrchu materiálu se tímto mění na polární, tedy hydrofobní povrch se stává hydrofilním či naopak. Tato technologie nachází stále širší uplatnění v různých průmyslových, ale i medicínských aplikacích.

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