Fórum aditivní výroby, které se konalo při příležitosti Mezinárodního strojírenského veletrhu 2017 v Brně, přilákalo na 400 zájemců, kteří se zajímají o moderní trendy v 3D tisku. Velký ohlas vzbudila prezentace společnosti Desktop Metal, kterou v Česku zastupuje společnost MCAE Systems. Na unikátní technologii cenově dostupného 3D tisku kovových slitin jsme se zeptali Matyáše Chaloupky, specialisty na 3D tisk.
[Kontruktér.cz] Společnost Desktop Metal představila unikátní technologii 3D tisku kovových slitin, která je levnější než populární spékání laserem. Můžete představit princip technologie 3D tisku, kterou představila společnost Desktop Metal na Fóru aditivní výroby?
[Matyáš Chaloupka, MCAE Systems, distributor] Unikátní technologie levnějšího 3D tisku kovů vychází z technologie Metal Injection Molding (MIM), což lze zjednodušeně popsat jako plastické vstřikování kovů do vstřikovacích forem. Technologie od společnosti Desktop Metal se však liší od selektivního spékání laserem (SLM) technologickým procesem a tvorbou modelu. Ten lze realizovat prostřednictvím dvou systémů: Studio a Production.
Ekonomická varianta Studio s technologií Bound Metal Deposition vychází z populárního stolního 3D tisku (Fused Deposition Modeling – FDM). Do extruderu je přiváděn materiál ve formě tyčinek uložených v kazetě a prostřednictvím trysky je roztavený materiál nanášený vrstvou po vrstvě. Systém Studio má dvě tiskové hlavy. První hlava tiskne materiál a podpory, druhá tiskne keramický separátor. Výhodou použití keramického separátoru je, že se podpory nepřipečou k modelu a lze je tak snadno z prototypu odstranit.
Profesionální systém Production je podobný technologii PolyJet. Tisková hlava nejprve nanese tiskový prášek, který je vzápětí rovnoměrně rozprostřen a spěchován válcem na výšku vrstvy 50 mikrometrů. Na takto připravený tiskový prášek je následně nanášeno pojivo. Po dokončení vrstvy klesne vana o výšku vrstvy a proces pokračuje do té doby, než je hotový celý prototyp. Díky technologii Single Pass Jetting, kdy tisková hlava nanáší materiál na celou tiskovou plochu o rozměrech 330 mm × 330 mm během jediného přejezdu, je tato technologie až 100× rychlejší než laserové systémy.
Zmínil jste, že společnost Desktop Metal vyvinula dva rozdílné systémy, technologie výroby prototypů je však velmi podobná. Jak tedy probíhá typický výrobní proces?
Proces výroby lze demonstrovat na modelu konzole a výrobní proces lze rozdělit do tří částí (pozn. redakce: konzole byla vystavena na MSV 2017 v Brně):
První etapa: V 3D tiskárně se vytiskne tzv. Green Part. Po dokončení se vytáhne součást ze stavební komory 3D tiskárny. Z důvodu smrštění součásti spékáním (tzv. sintrováním) je nutné součást vytisknout přibližně o 20 % větší. Přesnou korekci velikosti modelu stanovuje software automaticky na základě velikosti a tvaru modelu. Výška vrstvy je 0,15 mm. Po vytažení prototypu z komory lze aplikovat různé mezioperační fáze, jako je například broušení. S modelem je nutné manipulovat opatrně, jelikož je poměrně křehký. Doba 3D tisku konzole trvala 9 hodin.
Druhá etapa: Jakmile je díl vytažený z komory, uloží se do zařízení podobné pračce, ve které je speciální roztok. Roztok rozpouští polymery a tímto vyplavováním se odstraní pojivo. Doba vyplavení pojiva souvisí s velikostí modelu a v případě konzole trvalo vyplavování 6 hodin. Po vyplavování pojiva následuje spékání a typický cyklus trvá 24 hodin. Zařízení pro spékání je intuitivní a technologický proces se stanovuje automaticky na základě daného materiálu. Výhodou této technologie je, že součást nemá žádná zbytková napětí.
Třetí etapa: Po spékání následuje odstranění podpor a postprocesní úpravy. Spodní část dílu byla obrobena, aby byla vidět nízká hustota výplně. Pokud uvažuje konstruktér nad dobou tisku, která ovlivňuje i cenu výroby, doporučuje se navrhovat řídkou vnitřní strukturu. Tato konstrukční úprava současně snižuje spotřebu materiálu a zkracuje dobu potřebnou pro odstranění pojiva. Z důvodu kvalitativních požadavků na povrch prototypu následovalo omílání brousícími keramickými kameny 3 hodiny.
Jaký byl celkový výrobní čas konzole?
3D tisk konzole trval 9 hodin. Po té následovalo odstranění pojiva v délce 6 hodin a spékání v sintrovací peci 24 hodin. Povrchová úprava řešená omíláním si vyžádala 3 hodiny. Výroba konzole z korozivzdorné oceli 17-4PH trvala přibližně 42 hodin.
Jaké materiály jsou dostupné pro technologii aditivní výroby od společnosti Desktop Metal s ohledem na současné požadavky z průmyslové praxe?
Dostupnými materiály jsou korozivzdorné oceli a nástrojové oceli, vysokopevnostní a hliníkové slitiny a měď. Celý výčet materiálů je dostupný on-line na webu výrobce Desktop Metal. Díky tomu, že je systém podobný technologii MIM, slibuje výrobce portfolio 40 materiálů pro verzi Studio a až 200 materiálů pro verzi Production.
Na funkční prototypy jsou kladeny vysoké provozní nároky, zejména na tuhost, pružnost a pevnost a mechanické vlastnosti. Jaké jsou funkční vlastnosti prototypů z kovových slitin vyrobených na 3D tiskárnách od Desktop Metal?
Společnost MCAE Systems je vázána na informace, které uvádí výrobce 3D tiskárny. My současně s tímto 3D tiskem nemáme zkušenosti, jelikož 3D tiskárna není zatím pro evropský trh dostupná a čeká se na její certifikaci. Desktop Metal uvádí v materiálových listech, že jsou mechanické vlastnosti velmi podobné tvářeným slitinám, nelze však očekávat, že budou prototypy zcela homogenní. Stejně jako u laserového tavení technologií SLM se bude v prototypech vyskytovat pórovitost. Jak velká homogenita bude a do jaké míry ovlivní funkci prototypů, si ověříme ve spolupráci s českými univerzitami. Podrobné mechanické vlastnosti budou dostupné, jakmile bude 3D tiskárna uvedena na náš trh.
Kdy můžeme očekávat uvedení 3D systémů od Desktop Metal na český trh a jaké budou jejich ceny?
Desktop Metal prodává 3D tiskárnu jako celý systém, který se skládá z 3D tiskárny, pračky pro odstranění pojiva a sintrovací pece. V případě systému Production doporučuje výrobce zakoupit tři sintrovací pece, aby byl zajištěný kontinuální proces spékání. Ten je totiž časově nejnáročnější.
V Americe bude verze Studio dostupná ke konci roku za 120 tisíc dolarů bez daně (asi 3 milióny korun). Uvedení systému Production je plánováno na rok 2019. S ohledem na objem financí, které je nutné vynaložit v případě pořízení technologie SLM, jejíž cena se zpravidla pohybuje okolo 16 miliónů korun bez příslušenství, je systém od Desktop Metal zcela určitě cenově dostupnější. V Česku čekáme na certifikaci, a pokud bude probíhat vše podle předpokladů, mohla by být 3D tiskárna Studio dostupná již v polovině příštího roku.
Myslíte si, že je 3D systém od Desktop Metal konkurenceschopný spékání kovového prášku laserem, tedy technologii SLM?
Zda nahradí 3D tisk od Desktop Metal stávající profesionální technologii SLM nelze předvídat. Oba systémy 3D tisku jsou stále na začátku a jejich vývoj nadále probíhá. Vývojem se zabývají kapacity v oboru a s uvedením 3D tiskáren na trh souvisely i desítky přidělených patentů. Jakmile provedeme první zkušební testy 3D tisku kovů, osaháme si technologii, ověříme si mechanické vlastnosti a spolehlivost systémů, budeme chytřejší. Co můžeme říct, tak konkurenceschopná je zcela určitě pořizovací cena.
Podívejte se na technologie 3D tisku kovů od Desktop Metal:
- verze Studio (anglicky; 1,5 minuty)
https://www.youtube.com/watch?v=momnO2xc7qo
- verze Production (anglicky; 3,5 minuty)
