Mi az additív gyártás, és mire jó?
A legtöbb 3D fémnyomtató a szelektív lézeres olvasztás módszerét alkalmazza, ami nevéből adódóan lézerrel megolvasztott fémpor felrakását jelenti. Az eljárás a fémnyomtatók 80%-ában kap szerepet, és több tucat gyártó kínálja a termékét az additív technológiákra nyitott vevők piacán, széles méretválasztékot biztosítva a gépeik között.
Az SLM technológia dominanciája elsőre talán fel sem tűnik. Ennek oka, hogy azonos működési elvre több név is épült. Létezik az SLM mellett a közvetlen lézer szinterezés, a közvetlen lézer olvasztás, a lézer fém fúzió és a lézer porágy olvasztás is. Az elnevezés különbsége felveti a kérdést. Mi a különbség közöttük?
A válasz azonban meglepő lehet. Nincs valódi különbség.
Mi az SLM?
A technológia szabadalma több mint húsz éves múltra tekint vissza, amikor is Wilhelm Meiners és kollégái Kurt Wissenbach és Andres Gasser kifejlesztették és szabadalmaztatták a módszert. Ők ekkor a németországi Fraunhofer Intézet munkatársai voltak.
A feltalálók a lézeres porágy fúzió kifejezést használták. A nevek különbözőségének okát pedig abban látják, hogy a gépgyártók a cégeik nevéhez igyekeznek kötni a módszert, azaz a gyártási technológiát, ezzel is erősítve a márkát. De a háttérben ugyanaz a megoldás húzódik. Ez pedig a lézer porágy fúzió.
A piacon elterjedt lézeres fémpor szinterezés kifejezés, valójában tévesen, de legalábbis félrevezetően. Nem szinterezésről, hanem olvasztásról van szó ez esetben is. A hiba egy fordítás során csúszhatott be.
És bár a legnépszerűbb név az SLM, amit a német SLM-Solutions piacvezető is használ, a cikkben ragaszkodva az eredetihez, a lézeres porágy fúzió kifejezést használom.
A terminológia zavarainak ellenére a porágy fúzió a legnépszerűbb additív eljárás. Használják prototípus gyártásra, egyedi de még sorozatgyártásra is. Olyan szintet ért el rövid idő alatt, amit 5-7 éve a legoptimistábbak sem jósoltak neki. Értem ezt akár a sebességre, akár a nyomtatható fémek típusaira, vagy a gyártási pontosságra. Lássuk hát!
Hogyan történik a fémnyomtatás
Az SLM, vagy lézeres porágy fúziós működése során egy nagy teljesítményű lézer megolvasztja a fémet, de csak ott, ahol ez szükséges. Ettől szelektív. A megolvadt fém rétegek össze fúzionálnak, rétegről rétegre molekuláris bázist alkotva. A végeredmény egy teljesen homogén alkatrész.
A fém nyomtatók használatának feltétele a nagy tisztaságú fémpor, ami természetesen lehet ötvözet is. Az elérhető, avagy nyomtatható anyagok száma több tucat, ebből a leggyakoribbak a következők:
- Aluminum
- Kobalt Króm
- Réz
- Nikkel
- Rozsdamentes és szerszám acél
- Titánium
- Precíziós fémek
Elméletileg a lézeres porágy fúzió, ahogy a szelektív lézer olvasztás vagy szinterezés is, támasztószerkezetet nem igénylő eljárás, mert a por ágy, ami körbeveszi, biztosítja a szükséges stabilitást.
Csakhogy a magas hőmérséklet különbség az olvadt fém és az azt körülvevő fémpor között feszültséget és geometriai torzulást okozhat. A támasztószerkezet pedig segít elvezetni a hőt, így csökkenteni a bekövetkező csavarodást. Emellett persze tovább növeli a nyomtatott alkatrész merevségét a gyártás során. Az ökölszabály szerint 0 és 45 fok között meg kell támasztani az alkatrészt.
A 3D nyomtató a tárolt fémport betolja a kamrába, ahol a terítést végző lapátok a beállított vastagságban szétterítik az építő tálcán. Ezt mikronban mérik, és jellemzően 20 és 90 mikron között van a rétegvastagság.
A következő lépés a nagy teljesítményű lézer olvasztása, a modell szerint szükséges részeken. A tálca ezután lesüllyed, és újabb réteg kerül leterítésre. A folyamat ismétlődik több ezer alkalommal.
Vannak nyomtatók, melyek a fémpor szétterítését két irányban képesek végezni, ezel jelentős időt spórolva a gyártásból. A hatékonyság növelésének másik módja, hogy nem egy, hanem több lézer dolgozik egyszerre az építő kamrában.
A legkisebb, kompakt méretű lézerek teljesítménye lehet akár csak 30 watt is. Ahogy a méret növekszik, úgy a lézer vagy lézerek teljesítménye is megugrik. Az SLM-Solutions NXG XII 600 nyomtatójában például 12 db 1000w -os lézer dolgozik. 2022-ben ez jelenti az additív gyártás csúcsát.
A lézer erejének vagy a számának a növelése a fém olvasztási hatékonyság növekedését jelenti. Ez pedig gyorsabb additív gyártást, több kimenetet és nagyobb profitot eredményez. Az NXG XII 600 például például 20x gyorsabb gyártást tesz lehetővé, mint egy szimpla lézeres társa. Ez számban kifejezve 1,000 cm3-t jelent óránként.
Az alkalmazni kívánt eljárástól függően a nyomtatás során számos szakmai szempontot figyelembe kell venni. Ilyen a lézer teljesítménye, a lézersugár átmérője, a szkennelési sebesség, a lehetséges réteg vastagság, a szkennelési stratégia. Az, hogy mik a lehetőségek, gyártónként változhat.
A fémnyomtatás kontrollált atmoszférában történik, ami védőgáz (nitrogén vagy argon) jelenlétét jelenti az építő kamrában.
Az alkatrész elkészülte után, mikor már kihűlt, kivehető a munkatérből. A lehűlés nagyméretű alkatrészek esetén több órát is igénybe vehet. Az össze nem fuzionált fémpor összegyűjtése fontos feladat, mert későbbi nyomtatásokhoz fehasználható marad.
Mivel a nyomtatás első rétege ráheged a tálcára, azt onnan le kell munkálni. Erre több alternatíva létezhet, például a huzalszikrázás.
Amennyiben az alkatrész gyártásához támasztó szerkezetre volt szükség, azt is le kell munkálni. Ez feladattól függően jelentős idő és energiaráfordítást is igényelhet, amire érdemes időben felkészülni.
A nyomtatott felület jellemzően durva. Amennyiben az igény ettől eltérő, az utómunkálás a felület simításáról és fényesítéséről is szól. Minden nyomtató esetében igaz, hogy amennyiben szűk mérettűrés, vagy felületi érdesség vonatkozik az alkatrész egyes részeire, azt a nyomtatásra épülő gyártási eljárással kell biztosítani.
Szerző: GépészPresszó
