Princípy a aplikácie kovových 3D tlačiarní

Kovové 3D tlačiarne, typický príklad technológie aditívnej výroby, fungujú tak, že prevracajú tradičnú „subtraktívnu“ logiku výroby a dosahujú priamu tvorbu kovových častí prostredníctvom prístupu „vrstva-po-vrstve“. Celý proces začína vytvorením digitálneho modelu. Dizajnéri používajú softvér na 3D modelovanie na vytvorenie digitálneho plánu dielu. Softvér potom rozdelí model na stovky alebo dokonca tisíce mikrónov-tenkých vrstiev, pričom 2D údaje každej vrstvy presne usmerňujú činnosť tlačiarne.

Počas procesu 3D tlače fungujú základné komponenty kovovej 3D tlačiarne podľa vopred-nastavenej dráhy. V typickom technickom prístupe stroj najprv položí rovnomernú vrstvu kovového prášku na pracovný stôl. Veľkosť častíc prášku je zvyčajne v desiatkach mikrónov, aby sa zabezpečilo presné tvarovanie. Potom vysokoenergetický laser alebo elektrónový lúč selektívne skenuje prášok na základe údajov o priereze aktuálnej vrstvy, pričom prášok okamžite zahreje do roztaveného stavu a vytvorí extrémne tenký roztavený kúpeľ. Po naskenovaní vrstvy sa roztavený bazén rýchlo ochladí a stuhne, pričom sa zlúči s vopred vytvorenou časťou pod ním. 3D tlačená časť tvorí silnú metalurgickú väzbu. Pracovný stôl potom klesne o hrúbku vrstvy a zariadenie na ukladanie prášku-nanesie novú vrstvu prášku, pričom proces tavenia a tuhnutia opakuje, kým sa celá časť nevytlačí 3D. Táto vrstvená výrobná metóda oslobodzuje zložitosť dielov od obmedzení tradičných procesov obrábania, čo umožňuje vytvorenie jedinečných štruktúr, ako sú vnútorné duté a prepletené dutiny, v jedinom kroku.
Na zabezpečenie kvality tlače musia kovové 3D tlačiarne pracovať v prísne kontrolovanom prostredí. Väčšina zariadení má utesnenú komoru naplnenú inertným plynom, aby sa zabránilo oxidácii kovového prášku pri vysokých teplotách. Teplota komory je presne kontrolovaná, aby sa minimalizovala koncentrácia napätia spôsobená veľkými teplotnými rozdielmi medzi vrstvami. Mierne úpravy parametrov, ako je výkon lasera, rýchlosť skenovania a hrúbka vrstvy prášku, môžu ovplyvniť kvalitu tuhnutia taveniny, a tým zmeniť hustotu a mechanické vlastnosti dielu. Zariadenie je preto zvyčajne vybavené systémom monitorovania-v reálnom čase, aby sa zabezpečil stabilný stav formovania každej vrstvy.

Kovové 3D tlačiarne sa používajú v rôznych priemyselných odvetviach. Vo viacerých priemyselných odvetviach spočíva jeho hlavná výhoda v riešení zložitých štruktúr a požiadaviek na prispôsobenie malých-sérií, ktoré tradičná výroba len ťažko spĺňa. V leteckom a kozmickom priemysle sa používa na výrobu komponentov motorov so zložitými chladiacimi kanálmi, ktoré sa ťažko formujú tradičným kovaním alebo odlievaním. 3Technológia tlače D umožňuje rozloženie kanálov chladiacej kvapaliny pozdĺž celého povrchu, čím sa výrazne zlepšuje účinnosť odvádzania tepla. Okrem toho je možné prostredníctvom topologickej optimalizácie znížiť hmotnosť dielov o viac ako 30 %, čím sa priamo zníži spotreba paliva kozmickej lode.

Lekárstvo a zdravotníctvo sú kľúčové aplikácie pre kovové 3D tlačiarne. Na základe údajov z CT vyšetrenia pacienta zariadenie presne vytlačí implantáty z titánovej zliatiny, ktoré dokonale zodpovedajú morfológii kosti. Dizajn s poréznym povrchom podporuje rast kostných buniek, čím výrazne zlepšuje úspešnosť implantátov. V stomatológii môžu byť personalizované korunky, implantáty a iné náhrady navrhnuté v ten istý deň a vyrobené nasledujúci deň prostredníctvom 3D tlače, čím sa výrazne skrátia čakacie doby pacienta.

V automobilovom priemysle je kovová 3D tlač kľúčovou aplikáciou pre priemysel. Tlačiarenské stroje sa často používajú na rýchle overenie dielov počas fázy výskumu a vývoja. V prípade nových modelov vozidiel, systémov zavesenia kolies, komponentov prevodoviek a iných komponentov môže tlač rýchlo vyrobiť prototypy na testovanie mechanického výkonu, čím sa skráti cyklus výskumu a vývoja o viac ako 50 % v porovnaní s tradičnou výrobou založenou-na formách. Pre špecializované aplikácie, ako sú preteky, môžu tieto stroje priamo vyrábať vysoko-pevné, ľahké, zákazkové diely, ktoré spĺňajú požiadavky na výkon v extrémnych prevádzkových podmienkach.

Postupne si túto technológiu osvojuje aj priemysel výroby foriem. Vstrekovacie formy vytvorené pomocou kovových 3D tlačiarní môžu obsahovať konformné chladiace kanály, čím sa zabezpečí rovnomernejšie rozloženie teploty formy. To znižuje lisovací cyklus plastových výrobkov o 20% - 30% a znižuje chyby výrobku spôsobené nerovnomerným chladením.

Ako technológia dospieva, hranice použitia kovových 3D tlačiarní sa naďalej rozširujú. Od kovových súčiastok pre umelecké inštalácie až po súčiastky pre energetické zariadenia odolné voči vysokým-teplotám{3}}, ich výrobné možnosti typu „čo chcete, to dostanete“ menia tradičné výrobné modely a poskytujú novú technologickú cestu pre personalizovanú, vysokovýkonnú-výrobu.