Začínáme s 3D tiskem kovů #4: Příprava výroby v řešení QuantAM

Výhody 3D tisku spočívají v možnosti topologicky optimalizovat požadovaný díl a provést na něm patřičné úpravy s ohledem na snížení váhy a objemu spotřebovaného materiálu. Součásti lze tisknout duté nebo jejich topologii může tvořit bionická či minimalistická příhradová konstrukce. Přebytečný prášek se vysype malým otvorem, který je ponechám ve stěně. Podívejme se společně, jak připravit výrobu topologicky optimalizovaného dílu 3D tiskem v řešení QuantAM na zařízení Renishaw AM400.

Kapitoly:

• Příprava laboratoře pro aditivní výrobu (3D tisk kovů).
• Klasifikace aditivních technologií princip metody Selective Laser Melting.
• Předvýrobní etapa (záměr návrhu a související topologická optimalizace a bionické konstrukce).
• Příprava tisku (programování a návrh podpor).
• Postprocessing (tepelné zpracování, obrábění a kontrola a měření). (připravujeme)
• Současná charakteristika vývoje 3D kovového tisku (posouzení výhodnosti). (připravujeme)
• Druhy prášků a jejich mechanické vlastnosti. (připravujeme)
• Parametry 3Dtiskárny Renishaw AM400. (připravujeme)
• Jak probíhá zaškolení obsluhy stroje a prosévacího zařízení. (připravujeme)
• Uvedení stroje do provozu (kalibrace laseru, tlakové a vakuové zkoušky a referenční stavba). (připravujeme)
• Základní parametry tisku a tisk prototypů. (připravujeme)
• Co ovlivňuje cenu 3D tisku kovů. (připravujeme)

Příprava 3D tisku kovů v řešení QuantAM

Zapůjčené zařízení Renishaw AM400 v Laboratoři aditivní výroby na Fakultě strojní VŠB-TU Ostrava umožňuje přípravu 3D tisku v řešení QuantAM, které si pro vlastní potřebu vyvíjí mateřská společnost Renishaw v Anglii. QuantAM je otevřené řešení a uživatelům umožňuje použít pro stavbu jakýkoli kovový prášek splňující předpoklady tisku. Procesní parametry si pak může uživatel přizpůsobit v řešení Renishaw Material Editor, které je dodáváno společně s řešením QuantAM. V editoru lze měnit procesní parametry, jako jsou:

• výkon laseru,
• výška vrstvy,
• rychlost skenování,
• strategie tisku atd.

Tyto parametry je vhodné upravovat a vyvíjet společně s 3D tiskem zkušebních vzorků (například zkušebních tyčinek pro zkoušku tahem), aby si uživatel ověřil finální a současně požadované mechanické vlastnosti stavby. Ty se mění v závislosti na použitých parametrech. Ve výchozím nastavení však řešení QuantAM obsahuje připravené (optimalizované) parametry pro kovové prášky dodávané od společnosti Renishaw. Ta u dodávaných prášků zaručuje mechanické vlastnosti vytištěných dílů uvedených v technických specifikacích.

Před samotnou přípravou probíhá posouzení tvaru dílů, provádí se topologická optimalizace, navrhuje se technologičnost konstrukce a nosníkové konstrukce, které mohou snížit váhu výrobku, objem použitého práškového kovu a eliminovat tvorbu podpor. Tento krok je nezbytný, jelikož mnoho uživatelů má od 3D tisku příliš velká očekávání. Nutné je zdůraznit, že žádná z dostupných technologií aditivní výroby nedovede vyrobit součást s vysokými požadavky na rozměrovou přesnost a kvalitu výroby. Prozatím je vždy nutné uvažovat s dokončovacími operacemi obráběním, broušením nebo povrchovými úpravami. K diskuzi je samozřejmě i finální kontrola, měření a destruktivní a nedestruktivní zkoušení mechanických vlastností.

Tip: Topologické optimalizaci, bionickým konstrukcím a navrhování příhradových konstrukcí jsme se věnovali ve 3. dílu tohoto seriálu, proto se zaměříme pouze na přípravu výroby již topologicky upraveného dílu v řešení QuantAM.

Postup přípravy 3D tisku v řešení QuantAM

Pro názornou ukázku přípravy výroby jsme použili topologicky optimalizovaný model konzole exportovaný do formátu STL. Tento datový formát je vyžadován pro import do prostředí QuantAM.

Postup přípravy výroby v řešení QuantAM se skládá ze čtyř základních částí:

1. změna orientace součásti (polohování) s ohledem na tvorbu podpor a stanovení výchozí výšky stavby od horní plochy substrátu, kterou je nutné ponechat pro odřezání stavby ze substrátu (odřezání stavby se provádí pásovou pilou nebo elektroerozivním řezáním drátem),
2. automatický návrh podpor a následná manuální úprava,
3. lineární pole pro kopírování instancí,
4. volba materiálu a výpočet procesních parametrů (cena stavby, výška stavby, doba tisku atd.).

Se součástí lze různě natáčet pomocí triády po stisknutí tlačítka Orientace součásti (2). S pomocí barvené mapy tak může uživatel spolehlivě určit optimální polohu modelu, která potlačí nebo eliminuje 3D tisk podpor.

Tip: Tvorba podpor souvisí s uživatelskými zkušenostmi. Například díry do velikosti průměru 10 mm nevyžadují podpory, je však vhodné ponechat na stěnách přídavek na obrobení a dokončení.

Stavební prostor lze díky více instancím efektivně využít a zkopírovaný totožný díl můžete současně tisknout různými procesními parametry. Ty totiž ovlivňují mechanické vlastnosti hotových prototypů. Jako příklad lze zmínit rozdílnou velikost výkonu laseru. Se zvyšujícím se výkonem se snižuje pórovitost, zhoršují se však parametry drsnosti povrchu

Přibližná cenová kalkulace zahrnuje spotřebovaný prášek, energie, amortizaci stroje, spotřebu ochranné atmosféry (argonu) a práci obsluhy. Nezahrnuje topologickou úpravu modelu, návrh výroby a programování, odřezání stavby ze substrátu, finální kontrolu modelu (skenování a 3D měření), tepelné zpracování, destruktivní a nedestruktivní testování (CT skener), obrábění a povrchové úpravy. Cenové kalkulaci se budeme věnovat v samostatném dílu našeho seriálu Začínáme s 3D tiskem kovů.

Fotografie: Laboratoř aditivní výroby, Fakula strojní, VŠB-TU Ostrava; 3d-tisk-kovu.cz