Uwolnij wyobraźnię! TruPrint – druk 3D elementów metalowych

13-02-2020

Technologie przyrostowe to obecnie gorący temat – cieszą się coraz większym zainteresowaniem i znajdują kolejne zastosowania. Metoda laser metal fusion (LMF) – przetapiania proszku metalowego warstwa po warstwie w zaprogramowanych miejscach za pomocą wiązki laserowej – pozwala na tworzenie elementów o kształtach do tej pory niemożliwych do uzyskania, prototypów, których wykonanie tradycyjnymi metodami było zbyt kosztowne, albo na produkcję małych serii.

Najwcześniej zalety technologii LMF dostrzegli producenci elementów z drogich materiałów (ponieważ w procesie wytwarzania metodami ubytkowymi bezpowrotnie traci się dużo materiału) oraz wyrobów jednostkowych. Tytanowe implanty, protezy, korony, mostki, uzupełnienia kości po wypadkach czy operacjach usunięcia raka – to unikatowe, lekkie, cienkościenne konstrukcje, a im bardziej odzwierciedlają model 3D, tym lepiej adaptują się w organizmie.

Metoda laser metal fusion pozwala na tworzenie elementów o kształtach do tej pory niemożliwych do uzyskania

Metoda laser metal fusion pozwala na tworzenie elementów o kształtach do tej pory niemożliwych do uzyskania, prototypów, których wykonanie tradycyjnymi metodami było zbyt kosztowne, albo na produkcję małych serii (fot. TRUMPF)

W produkcji małych detali, prób materiałowych i prototypów sprawdza się urządzenie TruPrint 1000 o komorze zabudowy w kształcie walca (⌀100 mm× 100 mm). Użytkownicy pracujący z drogimi materiałami, takimi jak tytan i metale szlachetne, czy z materiałami o specjalnych właściwościach doceniają możliwość wykorzystania adapterów redukujących średnicę nadbudowy. Lista standardowych materiałów, dla których przygotowano bazę gotowych parametrów technologicznych, cały czas rośnie – wraz z oczekiwaniami klientów. Najbardziej popularne są: tytan, stal nierdzewna, stal żaroodporna typu Inconel i aluminium (po kilka rodzajów w każdej grupie materiałowej).

Konstruktorzy prześcigają się w pomysłach na redukcję masy poszczególnych elementów z jednoczesnym zwiększam ich wytrzymałości. Optymalizacja topologiczna – czyli projektowanie na podstawie analizy MES – pozwala na pozostawienie materiału wyłącznie wokół obszarów naprężeń. Absolutnym przełomem okazała się możliwość wykonywania kanałów o kształtach innych niż proste i o przekrojach innych niż okrągły. W takich rozwiązaniach jak chłodzenie konformalne, czyli dopasowane do kształtu detalu, dzięki wykorzystaniu analiz obliczeniowych można swobodnie kształtować kanały chłodzące. W ten sposób uzyskuje się większą wydajność chłodzenia oraz równomierne naprężenia cieplne, co przekłada się nie tylko na skrócenie cykli chłodzenia, lecz również na znaczne wydłużenie żywotności i wytrzymałości produkowanych elementów.

Coraz większa wiedza w dziedzinie technologii przyrostowych otwiera nowe możliwości ich zastosowania, wyjścia poza prototypowanie i wytwarzanie jednostkowe, odnalezienia ich miejsca w produkcji seryjnej. Wiele firm optymalizuje swoje produkty: poszukują takich rozwiązań, by ograniczyć liczbę elementów montażowych, zmieniają konstrukcje, aby część można było w sposób ekonomiczny wydrukować jako monolit, uzyskując w ten sposób wysoką powtarzalność, eliminując błędy montażowe i tym samym wydłużając żywotność, a na pewno zmniejszając ryzyko zwrotów i napraw gwarancyjnych.

Na TruPrint 3000 o komorze zabudowy w kształcie walca (⌀300 mm × 400 mm) można drukować detale małego i średniego formatu, zarówno jednostkowo, jak i w ramach produkcji seryjnej. Ze względu na dużą objętość zabudowy (ponad 28 l) należy wziąć pod uwagę więcej zagadnień. Wydrukowany detal z płytą podstawy nadbudowy może ważyć kilkadziesiąt kilogramów. Po zakończeniu druku cylinder roboczy jest wypełniony proszkiem, który należy odzyskać (czyli przesiać i przygotować do ponownego wykorzystania).

TruPrint 3000 (fot. TRUMPF)

TruPrint 3000 (fot. TRUMPF)

Firma TRUMPF proponuje uzupełniający system zarządzania detalami i proszkiem – Part and Powder Management System (PPMS). Organizuje on na wymianę całych cylindrów pomiędzy stacjami: roboczą – odpakowującą – przesiewającą – magazynującą – i znów roboczą w szczelnie zamkniętym systemie, dlatego nie jest konieczny przestój maszyny w czasie odzyskiwania proszku i detalu. Przy tak dużej ilości proszku należy ograniczyć czas ekspozycji operatora na kontakt z drobinami metalu.

Jeden system PPMS może obsłużyć kilka systemów TruPrint 3000 i TruPrint 1000 (fot. TRUMPF)

Jeden system PPMS może obsłużyć kilka systemów TruPrint 3000 i TruPrint 1000 (fot. TRUMPF)

Pierwsze urządzenie tego typu – TrumaForm – Grupa TRUMPF przedstawiła w 2003 r. Jednakże największy rozwój tej technologii nastąpił dopiero w ostatnich latach, gdy zainteresował się nią przemysł lotniczy i samochodowy. Systemy są tak projektowane, aby były jak najbardziej autonomiczne. Warto uważnie obserwować rozkwit tej technologii, a kto wcześniej rozpocznie, szybciej zdobędzie niezbędne doświadczenie.

Największe wyzwania stoją przed konstruktorami. Technologia przyrostowa otwiera wiele możliwości, a jednocześnie burzy wiele dotychczasowych zasad konstruktorskich, co wymaga od projektantów zupełnie nowego spojrzenia. Uwolniwszy się od tradycyjnych ograniczeń, można tworzyć wspaniałe kształty, dotąd niemożliwe lub nieopłacalne do wyprodukowania.

Druk 3D z metalu (fot. TRUMPF)