Technologie DMLS - 3D tisk kovů

Před uvedením nového výrobku na trh je fáze vývoje a vzniku prototypu jednou z nejdelších částí celého výrobního procesu. Dnešní doba vyžaduje od všech výrobců rychlé reakce na požadavky zákazníků a právě zkrácení času vývoje přináší značné snížení nákladů a také konkurenční výhodu. Výhodou je vytvoření reálného dílu z počítačových dat, a to v co nejkratším čase a nejvyšší možné kvalitě.

Technologie s názvem direct metal laser sintering (DMLS) od firmy EOS vytváří kovové díly postupným vrstvením jemných vrstev práškových kovů, kde je materiál roztaven pomocí koncentrovaného paprsku energie, v tomto případě paprsku laseru. Každá vrstva se taví tak, aby přesně zapadala do definované geometrie modelu 3D CAD. Proces umožňuje rychlou výrobu dílců velmi složitých tvarů bez jakýchkoliv nástrojů nebo přípravků a bez odpadního materiálu. DMLS postupně získává pozici výrobní metody pro rychlou a zároveň přesnou výrobu plně funkčních prototypových dílů nebo malých sérií finálních výrobků.

Pole působnosti technologie DMLS je velice široké a neustále se rozrůstá, vzhledem k tomu, že technologie je relativně nová a potenciál využití nebyl dosud dostatečně prozkoumán. Se stále zvyšující se efektivitou zařízení a rozšiřujícím se počtem práškových materiálů vzrůstá i rozsah aplikací. Mezi ty typické patří výroba prototypů dílů, které jsou sériově vyráběny např. obráběním, tvářením, odléváním atd. Efektivita procesu vzrůstá se složitostí geometrie dílů a v některých případech tato metoda dokonce postupně nahrazuje ty konvenční.

Postupný nárůst rozmanitosti požadavků kladených na proces vedl k vývoji nových typů zařízení, která se liší velikostí pracovního prostoru nebo výkonem laseru. Nová zařízení jsou také navrhována modulárně, aby si uživatel mohl definovat konfiguraci podle potřeb. Řada zařízení technologie DMLS společnosti EOS začíná nejmenším typem M100, pokračuje nejvíce používaným typem M290 a končí největším M400 v provedení s jedním, popř. čtyřmi lasery.

Jednou z nejdynamičtěji se rozvíjejících oblastí aplikace DMLS je chlazení forem. U vstřikolisových forem se běžně používají vrtané chladicí kanály. Zajištění optimálního chlazení dutiny formy je mnohdy velmi obtížné nejen s ohledem na tvarovou složitost dutiny, ale často se v prostoru potřebném pro vedení chladicích kanálů nachází vyhazovače a výsuvné vložky, kterým se musí dráha chladicích kanálů vyhnout. Chladicí soustava je tedy kombinací přímých vrtaných kanálů, kde často není možné sledovat tvarovou zakřivenost dutiny formy. Výsledné řešení potom není zcela ideální. Technologie DMLS nabízí velké možnosti při návrhu chladicí soustavy z hlediska tvaru i umístění kanálů. Pokud chladicí kanály sledují tvar dutiny, hovoříme o tzv. „konformním chlazení“ forem (conformal cooling). Takto vyrobené chladicí kanály poskytují rovnoměrnější rozložení teploty v dutině formy, rychlejší chlazení, popř. ohřev dutiny formy a zároveň se zvyšuje rozměrová přesnost plastových výlisků. Zkrácení výrobního cyklu dosahuje hodnoty až 40 %. Pro proces DMLS je v současné době dostupná řada kovových prášků a další nové materiály jsou ve fázi vývoje. V oblasti sériových nástrojů je dnes nejpoužívanějším materiálem martenzitická nástrojová ocel s označením 1.2709. Díly vyrobené z tohoto materiálu mají homogenní strukturu s tvrdostí 36–39 HRC a mohou být dále zušlechtěny až na 52–54 HRC (6 hod. při 490 °C), při této tvrdosti dosahuje materiál pevnosti v tahu až 1 900 MPa. Díly lze dále obrábět, erodovat a leštit stejně jako konvenční nástrojové oceli.

Zdařilým příkladem aplikace konformního chlazení byl projekt pro firmu Magna, kde zákazník řešil dlouhodobé problémy s jádrem formy pro výrobu části loketní opěrky. Důvodem potíží bylo jádro tvořící hlubokou dutinu v plastovém výlisku. V původním provedení bylo toto jádro vyrobeno ze slitiny Cu-Be, která má vyšší teplotní vodivost než ocel, ale chladicí okruh bylo možné konvenčním způsobem vytvořit pouze u paty vložky, která pak musela být ochlazována vodou o teplotě 16 °C, aby bylo dosaženo vyššího teplotního spádu. Teplotní pole na povrchu jádra bylo v důsledku toho nerovnoměrné a docházelo ke značným tvarovým deformacím plastového výlisku při tuhnutí, zároveň díky nízké teplotě chladicí vody se v okolí jádra kondenzovala vzdušná vlhkost v dutině formy a na povrchu se občas vyskytovala koroze, což si vynucovalo častější údržbu formy.

Firma Innomia navrhla nové jádro formy s využitím předností procesu DMLS, tzn. jádro vyrobené z kvalitní nástrojové oceli s integrovanými chladicími kanály, s tzv. konformním chlazením. Výměnou jádra do stávající formy byly výše uvedené problémy eliminovány, z hlediska chlazení povrchu jádra došlo k výrazné homogenizaci teplotního pole na povrchu, pro chlazení byla poté využívána voda o teplotě 60 °C, čímž odpadl problém s kondenzací vzdušné vlhkosti a bylo možné prodloužit servisní intervaly formy. Celkově došlo ke zlepšení geometrické přesnosti plastového výlisku a dokonce ke zkrácení doby cyklu, byť byla oproti původnímu stavu použita chladicí voda o vyšší teplotě.

Vývojáři společnosti Innomia nespoléhají však pouze na řešení vyvinutá dodavatelem technologie, ale díky dlouholetým praktickým zkušenostem přicházejí dnes s vlastními nápady na vylepšení procesu. V letošním roce se mohou pochlubit např. vývojem technologie umožňující přesné a rychlé polohování sintrovaných částí na předobrobené polotovary. Tento postup je často využíván zejména pro ekonomicky výhodnou výrobu objemných vložek do forem. Díky důmyslné kombinaci vysoce výkonné kamery s programem vyvinutým na míru této aplikaci lze velmi snadno polohovat libovolnou geometrii pro 3D tisk na reálný předmět umístěný v pracovním prostoru zařízení.

Neméně zdařilým příkladem invence inženýrů této firmy je nedávno dokončený vývoj zařízení pro plně automatizované odstranění zbytkového materiálu – kovového prášku – z podpovrchových kanálů tvořících chladicí systém vložky do formy. Zařízení automaticky odstraní přebytečný prášek, který se po výrobě dílu nachází uvnitř chladicích kanálů, automaticky provede ověření průchodnosti a signalizuje ukončení operace. Celý proces přitom probíhá v uzavřeném pracovním prostoru a eliminuje možný únik prášku do okolí. Zařízení je schopno pracovat s díly až do hmotnosti 50 kg a zásadně tak usnadňuje manipulaci s takto hmotnými díly při čištění kanálů. Obě zařízení jsou již nabízena firmou jako volitelné příslušenství ke 3D tiskárnám.

V uplynulých pěti letech dosáhly technologie 3D tisku kovů významného pokroku. Inženýři jsou dnes schopni produkovat plně funkční komponenty z různých typů ocelí či superslitin s vlastnostmi, které jsou rovnocenné, mnohdy přečnívající své protějšky. Se stále vzrůstajícím vývojem těchto technologií budeme zanedlouho svědkem většího průmyslového přijetí aditivních technologií a volnosti vytváření koncových artefaktů. Revoluce 3D tisku probíhá na dvou opačných koncích spektra, které konvergují směrem do středu. Jeden konec spektra technologií vyžaduje drahé výkonné zdroje energie a složité skenovací algoritmy a ten druhý je zaměřen na snížení složitosti a nákladů na dobře zavedený proces 3D tisku přinášející technologii pro běžné užívání. Procesy 3D tisku kovů budou nadále přispívat našemu porozumění v oblasti metalurgie. Aditivní technologie mají čím dál vyšší přínos i z hlediska ekologie, ať je to již zmíněná absence odpadu při výrobě dílů, nebo např. potenciální eliminace nutnosti přepravy fyzických dílů – návrhy výrobků (3D modely) budou digitálně převáděny do míst, kde mohou být vytisknuty blíže k místu odběru. V této souvislosti je nutno zmínit, že rozšířené používání 3D tisku může hluboce ovlivnit globální ekonomiku. Výroba zboží na požadavek umístěná blíže k odběrateli přispěje k deglobalizaci, exportování a importování zboží. Významným snížením odpadního materiálu v aditivních procesech se mohou globálně zvýšit zdroje produktivity, což v důsledku znamená dostat více výrobků ze stejného množství zdroje. Tento přístup by mohl usnadnit rostoucí propast mezi nabídkou a poptávkou po neobnovitelných zdrojích (např. vzácné kovy). Dalším zdrojem odpadů, které by mohly být výrazně sníženy nebo zcela eliminovány, jsou přebytky produktů či neprodané produkce, stejně tak náklady na skladování zásob a náhradních dílů. Vše jmenované by mohlo snížit přímé peněžní náklady na údržbu nových a zásobních dílů.

V souvislosti s expanzí 3D tisku do různých odvětví průmyslu se objevuje další velká výzva, a to nutnost změny myšlení konstruktérů či vývojářů s ohledem na rozdílnou filozofii postupů 3D tiskových technologií. Konstrukce většiny současných součástí je optimalizována pro efektivní využití konvenčních výrobních metod, jako je např. obrábění či odlévání, zde se nachází značný potenciál pro další výzkum a vývoj 3D tisku. Zajímavou ukázkou nového konstrukčního přístupu je návrh tepelného výměníku od firmy 3TRPD.

Innomia

Luboš Rozkošný

rozkosny@innomia.cz

www.innomia.cz