W ostatnich latach uwagę zwracają nie tylko domowe drukarki 3D wykorzystujące materiały żywiczne, ale także „metalowe drukarki 3D”, które wykorzystują materiały metalowe. Ponieważ jest to metoda formowania jednej warstwy na raz, może być stosowana do kształtów trudnych do obróbki innymi metodami. Powyższe rozwiązanie jest wprowadzane głównie w przemyśle lotniczym i medycznym i wykorzystuje zalety charakterystyczne dla drukarek 3D. W tym artykule wyjaśnimy zalety i wady drukarek 3D do metalu, porównując je z drukarkami 3D typu osadzania topionego, które wykorzystują materiały żywiczne. Przedstawimy również branże, które są faktycznie mogą na tym skorzystać.
Co to jest drukarka 3D do metalu?
Metalowa drukarka 3D to urządzenie, które kształtuje materiały metalowe, takie jak tytan, aluminium i stal nierdzewna, na podstawie danych 3D CAD. Ogólnie rzecz biorąc, drukarki 3D wykorzystujące żywicę jako materiał do modelowania są szeroko stosowane w przemyśle, jednak obecna sytuacja jest taka, że niewiele jest firm, które wprowadziły drogie drukarki 3D do metalu.
Jak działa drukarka 3D do metalu?
Na podstawie danych przekrojów utworzonych za pomocą dedykowanego oprogramowania, drukarki 3D do metalu tworzą obiekty o dowolnym kształcie, łącząc materiały metalowe warstwa po warstwie i powtarzając laminację. W przeciwieństwie do procesu cięcia, który goli bryłę metalu, lub procesu kucia, który formuje go pod ciśnieniem, metalowe drukarki 3D są przeznaczone do nakładania warstw i formowania materiałów metalowych, dzięki czemu mogą obsługiwać złożone kształty, takie jak struktury siatkowe i projekty puste w środku. Inną kwestią jest to, że części metalowe można tworzyć bez przygotowania specjalnej formy - podobnie jak odlewanie.
Jakie są metody druku 3D metalu?
Istnieją różne typy drukarek 3D do metalu. Najpopularniejsze metody, które one wykonują to:
- metoda łoża proszkowego,
- metoda ukierunkowanego osadzania energii,
- metoda laminowania na gorąco,
- metoda strumienia spoiwa,
Jak działa metoda łoża proszkowego w drukarce 3D?
Metoda łoża proszkowego to metoda formowania, która napromieniowuje wiązkę na łożu proszkowym pokrytym proszkiem metalowym i powtarza topienie i krzepnięcie dla każdej warstwy . Po formowaniu tą metodą proszek, który nie został napromieniowany wiązką, można zebrać i przesiać do ponownego użycia, zapobiegając utracie materiału.Istnieją dwa rodzaje wiązek, które doprowadzają do obróbki materiału:
- laserowa,
- elektronowa.
Zaznaczyć w tym miejscu trzeba, że właściwości formowanego przedmiotu uzyskiwanego przez każde źródło ciepła są różne.
Na przykład - przy użyciu lasera, w porównaniu do metody wiązki elektronów, możliwe jest stworzenie modelu o gładkiej powierzchni, ale trudno jest zastosować go do materiałów, które nie absorbują wiązki. Ponadto stosowany proszek metalu powinien mieć wysoki stopień kulistość i łatwość sypkości, aby można go było dokładnie rozprowadzać. Dlatego powszechnie stosowanym surowcem jest sferyczny proszek otrzymywany metodą „gazowej atomizacji”, w której wykorzystuje się gaz obojętny .
Metoda ukierunkowanego osadzania energii
W metodzie ukierunkowanego osadzania energii modelowany produkt jest wytwarzany przez podanie proszku lub drutu, stopienie go wiązką lasera lub elektronów i osadzanie. Na ogół proszki są stosowane i dostarczane za pomocą gazu obojętnego. Ponieważ dostarczony materiał jest używany do modelu bez odpadów, jest to proces produkcyjny z niewielkimi stratami materiału i dobrą wydajnością. Powyższa metoda najczęściej jest używana do naprawy części metalowych. Niemniej jednak, ponieważ można dzięki niej formować duże części o prostych kształtach, rozważa się zastosowanie tego schematu w dziedzinie lotnictwa i kosmonautyki. Zaletą korzystania z tego urządzenia jest to, że powierzchnia może być obrabiana podczas formowania, co eliminuje potrzebę obróbki końcowej.
Na czym polega metoda laminowania na gorąco?
Metoda laminowania na gorąco, zwana także „wytłaczaniem materiału”, to metoda formowania, w której proszek metalu jest wprowadzany do żywicy termoplastycznej, a a następnie laminowany podczas topienia. Można wtedy dowolnie formować kształt i kontrolować za pomocą żywicy termoplastycznej, która mięknie po podgrzaniu. Ponieważ jednak żywica pozostaje po formowaniu, jest usuwana w procesie zwanym odtłuszczaniem. Po spiekaniu odtłuszczonej kształtki i zestaleniu proszku metalowego kształtowanie jest zakończone. Ponieważ żywica jest usuwana podczas spiekania, szczelina znika, a objętość kurczy się o około 20%. Dlatego ważne jest zaprojektowanie danych CAD z uwzględnieniem wielkości skurczu i utworzenie modelu o odpowiednich rozmiarach. Metoda laminowania stapianego była tradycyjnie stosowana jako drukarka 3D do żywicy.
Na czym polega metoda strumienia spoiwa?
Metoda strumienia spoiwa to metoda, w której ciekły środek wiążący „spoiwo” jest natryskiwany z dyszy na proszek metalowy. Po spryskaniu i zestaleniu spoiwa dla każdej warstwy, płytka modelująca jest opuszczana i ponownie umieszcza się tam proszek. Proces ten jest powtarzany i ostatecznie spiekany w piecu wysokotemperaturowym lub grzejniku w celu usunięcia spoiwa. W tym czasie model kurczy się o około 20%, dlatego podczas modelowania należy wziąć pod uwagę zmianę objętości materiału. Przedmioty wytwarzane metodą spoiwa mają zwykle mniejszą gęstość niż te wytwarzane metodą złoża proszkowego, co stwarza problem w praktycznym zastosowaniu. Obecnie jest to metoda formowania stosowana do małych części o drobnych kształtach.
Jakie są zalety drukarek 3D do metalu?
Drukarki 3D do metalu mają przewagę nad konwencjonalnymi metodami obróbki, takimi jak cięcie, odlewanie i kucie , a ponadto istnieją duże oczekiwania co do ich dalszego rozwoju technologicznego w przyszłości.
Drukarka 3D do metalu:
- Może drukować części metalowe o doskonałej wytrzymałości i trwałości.
- Oferuje krótkoterminowe wytwarzanie prototypów i produktów małoseryjnych.
- Prototypy można łatwo wyprodukować dzięki obniżeniu kosztów.
Jakie są wady drukarek 3D do metalu?
Drukarki 3D do metalu mają różne zalety, ale nie są to urządzenia uniwersalne. Dzieje się tak, ponieważ istnieją trzy wady o których musimy wspomnieć:
- Korzystanie ze sprzętu wymaga wiedzy o modelowaniu.
- Koszt początkowy jest drogi.
- Drukarki 3D do metalu są drogie w eksploatacji.
Warto wiedzieć
Dzięki drukarkom 3D do metalu materiały można układać w stosy i kształtować, dzięki czemu można wytwarzać nawet skomplikowane kształty, które są trudne do wycięcia. Podczas cięcia trudno jest zainstalować rurę wody chłodzącej wewnątrz formy, ponieważ istnieje ograniczenie obszaru, który może zostać wycięty przez narzędzie. Jednak za pomocą drukarek 3D do metalu można formować nawet puste konstrukcje i wytwarzać produkty, których nie można wyprodukować za pomocą konwencjonalnej obróbki. Taki sprzęt nadaje się również do „trudnych w obróbce materiałów”, które są zbyt skomplikowane do cięcia. Przykładowo - do tej pory w przemyśle lotniczym części ze stopów tytanu były wytwarzane przez odlewanie i obróbkę skrawaniem. Jednak stop tytanu jest materiałem trudnym w obróbce, dlatego drukarki 3D do metalu, które nie wymagają cięcia, zaczęto stosować i z powodzeniem wprowadzono do praktycznego zastosowania.
Drukarki 3D w medycynie
Drukarki 3D do metalu nadają się również do produktów z branży medycznej. Ważne jest w tym wypadku aby wykończyć sztuczne kości i protezy w kształcie dopasowanym do szkieletu i kształtu zębów każdego pacjenta. Tradycyjny proces odlewania wymaga czasu i wysiłku, aby przerobić formę dla każdego pacjenta. Jeśli używasz metalowej drukarki 3D, możesz zmienić kształt produktu po prostu poprawiając dane CAD, dzięki czemu będziesz w stanie szybko go uformować. W ten sposób drukarki 3D do metalu są procesem produkcyjnym odpowiednim do produkcji o dużym zróżnicowaniu i niskim wolumenie.
Przykłady drukarek 3D do metalu stosowanych w przemyśle
Drukarki 3D do metalu znajdują zastosowanie w następujących branżach ze względu na swoje liczne zalety:
- Dziedzina medycyny.
- Lotnictwo
- Branża motoryzacyjna.
Dziedzina medycyny
W branży medycznej drukarki 3D do metalu zaczynają być efektywnie wykorzystywane. Dzieje się tak, ponieważ konieczne jest zapewnienie „sztucznych kości” i „protez”, które są zaprojektowane w optymalnym dla pacjenta kształcie. Drukarki 3D do metalu mogą swobodnie sterować kształtem za pomocą danych CAD, dzięki czemu możliwe jest stworzenie optymalnego modelu dla każdego pacjenta. Z tego powodu nawet w Japonii coraz więcej firm i grup badawczych uzyskuje „akceptację farmaceutyczną (zgoda wymagana do produkcji i marketingu)” na sztuczne kości wykonane metalowymi drukarkami 3D.
Lotnictwo
Drukarki 3D do metalu mogą być również wykorzystywane w przemyśle lotniczym. Metalowe drukarki 3D nadają się do łopatek turbin i dysz spalania stosowanych w silnikach lotniczych, które mają skomplikowane kształty, które są trudne do odlewania i cięcia. GE Aviation, amerykańskiemu producentowi silników lotniczych, udało się wymodelować dyszę spalania, która faktycznie jest zamontowana w silniku. Konwencjonalnie zmontowano ponad 20 części, ale przy użyciu metalowych drukarek 3D produkt można zintegrować.
Branża motoryzacyjna
Samochody wykorzystują dużą liczbę materiałów tytanowych, które są trudne do cięcia, oraz części o skomplikowanych kształtach. Dlatego branża motoryzacyjna jest dziedziną, która z łatwością może skorzystać z zalet drukarek 3D do metalu. Włoski producent samochodów Bugatti produkuje model składający się wyłącznie z elementów, które są wykonane za pomocą drukarki do metalu 3D. Model ten jest jednak supersamochodem limitowanym do 40 sztuk i nie został wprowadzony do produkcji seryjnej. Drukarki 3D do metalu będą używane częściej, jeśli uda się przezwyciężyć wyzwania związane z masową produkcją.
Jak korzystać z metalowej drukarki 3D i wycinać?
Cięcie za pomocą centrum obróbczego lub tokarki NC charakteryzuje się doskonałą dokładnością obróbki. Dlatego, jeśli kształt można łatwo wytworzyć - użyj klasycznego cięcia. Jeśli jednak kształt produktu jest skomplikowany, to miej na uwadze, że zdarzają się przypadki, w których jest on trudny do obróbki, ponieważ nie ma możliwości włożenia noża. Ponadto trudno jest ciąć materiały odporne na ostrze, takie jak „tytan”, który łatwo zapala wióry podczas cięcia oraz „stal nierdzewna”, w której stopiony metal łatwo przylega do ostrza. Jeśli produkt ma skomplikowany kształt i nie da się go wyprodukować lub jeśli chcesz obrabiać materiały trudne do cięcia , lepiej jest użyć drukarki 3D do metalu. Dodatkowo w przypadku produktów wymagających wielu procesów cięcia, zastosowanie drukarki 3D do metalu może skrócić proces produkcyjny i wyprodukować je w krótkim czasie. Jeśli chcesz zapobiec stratom materiału, dobrym pomysłem jest skorzystanie z metalowej drukarki 3D. Wynika to z faktu, że podczas skrawania dochodzi do strat materiału z powodu usuwania powstałych wiórów, a w praktyce drukarki 3D do metalu zużywają tylko niezbędną ilość materiałów, co zmniejsza marnotrawstwo surowców i prowadzi do poprawy wydajności.
Podsumowanie
Drukarki 3D do metalu są wykorzystywane głównie w sytuacjach, w których cięcie, odlewanie i kucie są trudne do wykonania oraz do produktów o skomplikowanych kształtach. Ponieważ jednak koszt początkowy i koszt eksploatacji są bardzo wysokie, istnieje problem, którego nie jest łatwo wprowadzić w porównaniu z drukarką 3D wykorzystującą metodę laminowania topionego. Tak czy inaczej - jest to sprzęt drogi i skomplikowany, jednak jeżeli znajdziemy niszę w której możemy go wykorzystać, to warto to zrobić.