Témata
Zdroj: Messer Technogas

Technické plyny pro 3D tisk a laserové navařování

Laserové aplikace nacházejí ve strojírenské praxi stále větší uplatnění. Kromě dnes již velmi rozšířeného laserového dělení materiálu se lasery stále častěji uplatňují i v dalších oblastech. Laserovou techniku lze pro její nesporné výhody použít pro mnoho dalších operací, jako je např. 3D tisk, navařování, svařování a pájení.

Reklama

Laserové navařování se označuje také jako laser cladding, laser additive manufacturing či direct metal deposition. Pomocí této technologie lze zlepšit mechanické vlastnosti určité části vyrobeného dílu a tím prodloužit jeho životnost. Navařování se s výhodou využívá i pro opravy a renovace opotřebovaných dílů.

Laserový návar na tvarové součásti. (Zdroj: Matex PM)

Laserem se standardně navařuje vrstva o tloušťce 1–5 mm na již existující povrch součásti. Manipulace s optikou nebo díly je zpravidla řešena pomocí CNC systémů nebo pomocí robotů, což umožňuje navařování na součásti různých tvarů. Přídavný materiál je do ohniska laseru dodáván buď ve formě prášku, nebo jako drát. Drát může být ještě předehříván elektrickým proudem.

Cílem laserového navařování není vytvořit přesný tvar bez následného obrobení, ale spíše se klade důraz na vysokou produktivitu, spolehlivost a zabránění defektům v návarové vrstvě. V principu není problém navařit vrstvu o tloušťce mnoha centimetrů. Pokud při navařování vytváříme z jednotlivých vrstev požadovaný tvar nebo dochází ke vzniku nového dílu (tvořeného z jednotlivých navařených vrstev), můžeme již hovořit o 3D tisku.

Laserové navařování LMD. (Zdroj: Messer Technogas)

Stejně jako při svařování je i během navařování nutné použít vhodný ochranný plyn. Přívod plynu může být zajištěn samostatnou trubicí nebo se přivádí do navařovací optiky. Cílem je jednak zabránit oxidaci navařovaného materiálu, jednak omezit vznik plazmy a zajistit stabilní chování taveniny.

Reklama
Reklama
Reklama

3D tisk

3D tisk se řadí k technologii Rapid Prototyping. Nesporným přínosem této technologie je úspora výrobního času prototypových modelů a součástek díky přímé generaci fyzického objektu z CAD databáze. S těmito daty následně pracuje již samotná 3D tiskárna. Výsledkem může být prototypový díl, který přímo zhmotňuje možnou podobu sériového dílu, nebo tvarově velmi složitá součást, jinými technologiemi stěží vyrobitelná.

3D tisk je založen na principu navařování jedné vrstvy přídavného materiálu na druhou s cílem vytvořit objemové 3D těleso. Obvykle se takový výrobek vytváří „z ničeho“, tj. bez základu. Celý výrobek je „vytištěn“.

3D tiskárny pracují obvykle jako tzv. powder bed fusion (tavení práškového lože). Tato technologie využívá k tvorbě součásti přídavný materiál ve formě prášku, který je ze zásobníku nanesen v tenké konstantní vrstvě na základní, tedy nosnou platformu. Následuje spojení jednotlivých zrnek prášku pomocí tepelného zdroje v selektivních bodech tvořících jednu vrstvu vznikající součásti. Po kompletním sjednocení prachových částic dojde k poklesu nosné platformy o tloušťku vrstvy a celý proces se opakuje, a to až do vzniku navržené součásti. Zbývající prášek v neovlivněné zóně slouží v průběhu tisku jako podpora a po dokončení je mechanicky odstraněn a recyklován pro další použití.

Princip metod DMLS a SLM. (Zdroj: Messer Technogas)

Tavení práškového lože s využitím laserového zdroje je označováno jako metoda DMLS či SLM. Celý proces probíhá ve vzduchotěsné komoře naplněné vhodným ochranným plynem, aby se zabránilo oxidaci prášku během jeho spékání.

Výhodou této technologie je především možnost výroby prostorových, tvarově komplikovaných struktur, chladicích kanálů v nástrojích, dílů s tvarově složitými dutinami a podobně. 3D tisk nachází uplatnění nejen v typické strojírenské výrobě, jako je například výroba turbín či lopatek proudových motorů, ale i ve zdravotnickém průmyslu při výrobě stomatologických zařízení, chirurgických nástrojů a ortopedických implantátů.

Výhodou 3D tisku je vysoká přesnost vyrobených součástí, mnohdy bez nutnosti dalšího opracování. Nevýhodou metody je nízká produktivita, a tedy vysoká cena takto vyrobených dílů. Dalším problémem je, že v řadě případů je k dosažení požadovaných mechanických vlastností nutné provést následné tepelné zpracování. Obvykle se používá HIP (hot isostatic pressing). Tím se ztrácí výhoda spočívající v tisku dílů o přesných rozměrech, neboť je nutné počítat s určitými přídavky na deformace, vznikající při tepelném zpracování.

Tvarově složité struktury vyrobené 3D tiskem. (Zdroj: Messer Technogas)

Ochranné a nosné plyny pro navařování a pro 3D tisk

Důležitou součástí laserového navařování a 3D tisku jsou bezpochyby technické plyny a jejich správný výběr. Nelze na ně nahlížet pouze z hlediska nutné ochrany nataveného materiálu před okolní atmosférou, je to také prvek, který dokáže spékání a tavení kovů do značné míry metalurgicky a termicky ovlivnit. Typ a čistota ochranného plynu se odvíjí u jednotlivých metod především od použitého základního a přídavného materiálu.

V případě vysokolegovaných kovů je zastoupení plynů dost široké: lze využít jedno- či vícesložkové plyny. U nelegovaných a nízkolegovaných ocelí je nejčastěji využíván argon doplněný o příměs CO2 či o příměs O2. Vhodné použití ochranných plynů pro různé typy materiálu shrnuje přiložená tabulka.

Hotové výrobky je často nutné tepelně zpracovat, respektive žíhat, aby se snížilo vnitřní pnutí. Ani tato operace se neobejde bez ochranné atmosféry. Návarové metody pro změnu potřebují nosný plyn, který pod tlakem unáší prášek přídavného materiálu do svarové lázně. S ohledem na kontakt tohoto plynu s nataveným materiálem mu musí být věnována také značná pozornost. Pečlivý výběr plynu se určitě vyplatí, neboť i malý podíl vhodně zvolené příměsi vede k značnému vlivu na proces aditivní výroby.

Reklama

Závěr

Výše popsané metody jsou právem označovány jako technologie budoucnosti, a to především díky okamžité pružnosti výroby a schopnosti vytvořit i tvarově velmi složité součásti s požadovanými vlastnostmi. Nejdůležitějším klíčem ke komerčnímu úspěchu je stabilita daného procesu, zabránění oxidaci a udržení stabilní tloušťky navařované vrstvy. Ukazuje se, že toho je možné dosáhnout pouze správným nastavením procesních parametrů a vhodně zvolenými technickými plyny.

Související články
Laserové navařování, 3D tisk a volba technických plynů

V tomto článku bychom se chtěli zamyslet nad současným postavením technologie návarů vysoce výkonným laserem, porovnat tuto metodu s 3D tiskem a objasnit některá technická úskalí obou metod. Za zmínku stojí také ochranné plyny vhodné pro tyto moderní metody.

Přestaneme vyrábět a budeme tisknout?

3D tisk (AM – Additive Manufacturing) je obor, který přes svou krátkou historii překvapuje v mnoha ohledech – efektivitou, praktičností, flexibilitou... Jeho využitelnost jako technologie roste téměř exponenciálně, a přitom ale trochu utajeně.

Téma: technologie pro výrobu forem

Díly, součásti či výrobky, které spatřily světlo světa díky tomu, že byly vylisovány, odlity či vykovány ve formě, jsou doslova všude kolem nás. Forma je zařízení často velmi složité a komplexní a k její výrobě je potřeba řada špičkových technologií. Následující článek představuje některé z nich.

Související články
Zajímavosti ze světa 3D tisku

3D tisk nabízí stále nové možnosti uplatnění, ať už jde o vlastnosti nebo rozměry finálního výrobku, nebo o zcela nové aplikační oblasti. Jednou ze zajímavých novinek je 3D tiskárna na desky plošných spojů, která umožňuje výrobu prototypu nebo malé série během několika hodin. Nebo z jiného soudku - v největších výrobních systémech lze vytisknout plastové díly s rozměry kolem 900 mm. Pokud máte za to, že se vám investice do takového zařízení nevyplatí, není třeba zoufat, neboť technologie jsou dostupné i formou služby.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
EMO zrcadlem pokroku a inovací

Při příležitosti prezentace veletrhu EMO 2017 Hannover před evropskou novinářskou obcí se uskutečnilo i pražské zastavení. Zastoupení Deutsche Messe pro ČR zorganizovalo tiskovou konferenci, které se vedle generálního ředitele EMO Hannover Christopha Millera účastnil i tiskový mluvčí hannoverského veletržního komplexu Hartwig von Sass spolu s ředitelem českého svazu SST Ing. Paclíkem a předsedou Společnosti pro obráběcí stroje doktorem Smolíkem.

Ruční laserové svařování s ochranným plynem

Laserové svařování není příliš rozšířenou metodou, ale pro své nesporné výhody nachází stále větší uplatnění. V praxi jsme se doposud setkávali především s robotickým laserovým svařováním v sériové či velkosériové výrobě. V poslední době však nachází své uplatnění také ruční laserové svařování, které lze využít i pro malé série výrobků či kusovou výrobu.

Automatizace plug and play bez programování

Automatizace má za úkol usnadnit život lidem pracujícím u obráběcích center a samozřejmě zvýšit produktivitu, zajistit stabilní kvalitu výroby a stát se úsporným opatřením v nelehkých časech. Pokud se podíváte správným směrem, nemusí být robotizace frézky nikterak nedosažitelná, i když jste třeba společnost skromnějších poměrů.

Ocelové město a CO2

Co Jules Verne nemohl tušit… Nebo mohl? Zlého profesora nechává umřít na zadušení kysličníkem uhličitým…

Plzeňské setkání strojařů

Katedra technologie obrábění Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni letos uspořádala již devátý ročník mezinárodní konference Strojírenská technologie Plzeň. V porovnání s minulým ročníkem zaznamenala podstatně větší návštěvnost – čítala téměř dvě stě účastníků a uskutečnilo se bezmála šedesát prezentací. Náš časopis na konferenci figuroval jako mediální partner akce.

CIMT a Čína v roce 2023

Počínaje Velikonočním pondělím se v Pekingu, téměř tradičně v tomto čase, po pět dnů konal další ročník veletrhu výrobních strojů CIMT 2023. Pro cizince byla poslední výstava jednoduše dostupná na jaře roku 2019. Od ledna 2020 se přestalo do Číny létat a události nabraly nečekaný spád. V tomto krátkém textu se podíváme na výstavu i před brány výstaviště.

Made in Česko: Kde rostou srdce laserů

Že se dá pěstovat kdeco, je jasné – žampiony ve sklepě počínaje a vzácnou orchidejí konče. A není vůbec vyloučeno, že se snadno stanete světově proslulými pěstiteli. Stačí, aby vaše orchidej chytila nějak výjimečnou, netypickou barvu nebo byla větší než jiné, a je to, budete v novinách a stanete se světově známým pěstitelem. Existuje však jedno pěstování, které na hobby úrovni realizovat a dosáhnout v něm světového věhlasu nelze. Jde o pěstování monokrystalů pro vědu, výzkum, inovace a průmysl.

Jak ušetřit za energie: 10 kroků k vyšší efektivitě

Ačkoli se zdá, že největší vlna zdražování energií už začíná opadat, potřeba energetických úspor v průmyslu je stále velice naléhavá, a v příštích desetiletích tato naléhavost ještě poroste. Příčinou není jen rostoucí tlak na snižování finančních nákladů na výrobu, ale zejména nutnost omezovat její negativní dopady na životní prostředí, a to při očekávaném zvyšování celkové produkce. Abychom si zajistili udržitelný rozvoj, musíme už nyní hledat možnosti, jak zvýšit energetickou účinnost výroby, a těchto možností využívat.

Důraz na udržitelnost, digitalizaci a 3D tisk

Japonsko je zemí, kde se rodí nejmodernější technologie a kde se dbá na udržitelný způsob života. Je kolébkou průmyslu a domovem největších průmyslových firem. Každé dva roky mají návštěvníci z celého světa možnost nahlédnout prostřednictvím veletrhu Jimtof (Japan International Machine Tool Fair) pod pokličku nejnovějších inovací v oboru obráběcích strojů a jejich příslušenství. Díky pozvání Japonské asociace výrobců obráběcích strojů JMTBA jsme měli možnost zúčastnit se tohoto veletrhu osobně. V následující reportáži se vám pokusíme zprostředkovat alespoň pár nejzajímavějších témat, která zde zazněla.

Zdraví a stroje

Nové technologie prodlužují průměrný i maximální věk člověka a zvyšují jeho schopnosti. Jejich použití je přitom v podstatě oborově neomezené a neexistuje snad oblast výzkumu, která by se nějakým způsobem nepromítla do vývoje pro medicínu – od elektroniky až po strojírenství.

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