Selektivní laserové slinování polymerů

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.

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).

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.

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.

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.

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