Co je kovový 3D tisk?

1. Zavedení

Kovový 3D tisk, také známý jako výroba kovových přísad, přináší revoluci ve způsobu, jakým jsou produkty navrhovány, prototypovaný, a vyrobené.

Tato technologie umožňuje vytvoření komplexu, vysoce výkonné díly přímo z digitálních modelů, nabízí bezprecedentní svobodu designu a materiálovou efektivitu.

Zde je důvod, proč kovový 3D tisk získává na popularitě:

• Přizpůsobení: Umožňuje výrobu vysoce přizpůsobených dílů pro specializované aplikace.
• Rychlé prototypování: Výrazně urychluje proces iterace návrhu.
• Snížený odpad: Vyrábí díly s minimálním odpadem materiálu ve srovnání s tradiční výrobou.
• Složité geometrie: Umožňuje vytváření složitých tvarů, které je nemožné nebo velmi nákladné vyrábět konvenčními metodami.

V tomto blogu, ponoříme se do procesu, výhody, výzvy, a aplikace kovového 3D tisku, zkoumání toho, jak tato technologie přetváří výrobní prostředí.

2. Co je kovový 3D tisk?

Kovový 3D tisk je formou aditivní výroby, kde se vrství materiál, typicky ve formě prášku nebo drátu, jsou sloučeny do trojrozměrného objektu.

Na rozdíl od tradiční subtraktivní výroby, což zahrnuje odříznutí materiálu z pevného bloku, aditivní výroba vytváří objekt vrstvu po vrstvě.

Tento proces nabízí významné výhody z hlediska flexibility designu, materiálová účinnost, a rychlost výroby.

Historie kovového 3D tisku sahá až do 80. let minulého století, s rozvojem selektivního laserového slinování (Sls) a přímé laserové spékání kovů (DMLS).

V průběhu let, pokroky v laserové technologii, materiály, a software vedly k vývoji různých technologií 3D tisku kovů, každý s vlastní sadou schopností a aplikací.

3. Technologie 3D tisku kovů

Kovový 3D tisk, také známý jako Aditivní výroba, využívá různé techniky k výrobě složitých a funkčních kovových dílů vrstvu po vrstvě, přímo z digitálního souboru.

Každá technologie 3D tisku kovů má svůj jedinečný proces a výhody, díky tomu je vhodný pro různé aplikace napříč průmyslovými odvětvími, jako je letecký průmysl, automobilový průmysl, zdravotnictví, a energie.

Níže, prozkoumáme nejběžnější technologie kovového 3D tisku, jejich vlastnosti, a ideální aplikace.

Přímé kovové laserové slinování (DMLS) & Selektivní laserové tání (Slm)

Přehled:

DMLS i SLM jsou technologie fúze práškového lože, které využívají vysoce výkonné lasery k roztavení a roztavení kovového prášku do pevných částí..

Rozdíl spočívá především v jejich přístupu ke kovovému prášku a vlastnostem materiálu.

• DMLS obvykle používá kovové slitiny (jako nerezová ocel, titan, nebo hliník) a pracuje s různými kovovými prášky, včetně slitin jako Inconel a kobalt-chrom.
• Slm používá podobný proces, ale zaměřuje se více na čisté kovy jako nerezová ocel, titan, a hliník. Laser zcela roztaví kovový prášek, tavením, aby vytvořil pevnou součást.

Pros:

• Vysoké rozlišení: Schopnost vyrábět díly s jemnými detaily a složitou geometrií.
• Vynikající povrchová úprava: Lze dosáhnout dobré povrchové úpravy přímo z tiskárny, i když pro nejvyšší kvalitu může být stále vyžadováno následné zpracování.
• Široká škála materiálů: Pracuje s různými kovy včetně nerezové oceli, titan, hliník, A další.

Nevýhody:

• Pomalé pro velké díly: Proces po vrstvách může být u větších dílů časově náročný.
• Podpůrné struktury: Vyžaduje podpůrné konstrukce pro převislé prvky, který musí být po tisku odstraněn.
• Vysoké tepelné namáhání: Vysokoteplotní gradienty mohou vyvolat tepelné pnutí v součástech.

Ideální aplikace: Aerospace komponenty, lékařské implantáty, složité nářadí, a vysoce výkonné automobilové díly.

Tání elektronového paprsku (EBM)

Přehled:

EBM je proces fúze práškového lože, který využívá an elektronový paprsek místo laseru k tavení a tavení kovových prášků. Provádí se ve vakuovém prostředí, aby byly zajištěny optimální podmínky pro tavení.

EBM se obvykle používá pro vysoce výkonné materiály, jako jsou titan slitiny, kobalt-chrom, a Inconel.

• Proces funguje na vysoké teploty, nabízí výhody v vysokoteplotní výkon a přesnost pro konkrétní slitiny.

Pros:

• Není potřeba podpůrných struktur: EBM může vyrábět díly bez podpory díky předehřívání práškového lože, což snižuje tepelné namáhání.
• Schopnost vysoké teploty: Vhodné pro materiály, které vyžadují vysoké teploty pro tavení, jako titan.

Nevýhody:

• Materiální omezení: Omezeno na materiály, které jsou kompatibilní s vakuovým prostředím, což vylučuje některé slitiny.
• Povrchová úprava: Povrchová úprava nemusí být tak hladká jako u SLM/DMLS kvůli větší velikosti bodu paprsku.

Ideální aplikace: Lékařské implantáty (zejména titan), Aerospace komponenty, a části, kde je absence podpůrných struktur prospěšná.

Tryskání pojiva

Přehled:

Tryskání pojiva zahrnuje rozprašování kapalného pojiva na vrstvy kovového prášku, které se pak spojí a vytvoří pevnou část.

Obvykle se používá prášek při tryskání pojiva kovový prášek, například nerez, hliník, nebo bronz.

Po vytištění dílu, prochází slinováním, kde se odstraní pojivo, a součást je roztavena na svou konečnou hustotu.

Pros:

• Rychlý tisk: Dokáže rychle tisknout díly díky nižší energetické náročnosti na vazbu.
• Plnobarevný tisk: Umožňuje plnobarevný tisk, který je mezi technologiemi kovového 3D tisku unikátní.
• Žádné tepelné namáhání: Protože proces nezahrnuje tavení, dochází k menšímu tepelnému namáhání.

Nevýhody:

• Spodní hustota části: Počáteční části mají nižší hustotu díky pojivu; ke zvýšení hustoty je zapotřebí slinování nebo infiltrace.
• Vyžaduje dodatečné zpracování: Je nutné rozsáhlé následné zpracování, včetně slinování, infiltrace, a často obrábění.

Ideální aplikace: Nástroje, formy, pískových odlévacích jader, a aplikace, kde jsou rychlost a barva důležitější než hustota konečného dílu.

Řízená depozice energie (DED)

Přehled:

DED je proces 3D tisku, při kterém se materiál roztaví a nanese na povrch laserem, elektronový paprsek, nebo plazmový oblouk.

DED umožňuje ukládání materiálu a zároveň přidávání nebo opravy dílů.

Na rozdíl od jiných metod, DED využívá kontinuální podávání materiálu (prášek nebo drát), a materiál se při ukládání roztaví zdrojem energie.

Pros:

• Velké díly: Vhodné pro výrobu nebo opravy velkých dílů.
• Opravy a nátěry: To lze použít pro přidání materiálu do stávajících dílů nebo pro povrchové obložení.
• Flexibilita: Dokáže pracovat se širokou škálou materiálů a během tisku může přepínat mezi různými materiály.

Nevýhody:

• Nižší rozlišení: Ve srovnání s metodami fúze práškového lože, DED má obvykle nižší rozlišení.
• Povrchová úprava: Díly často vyžadují rozsáhlé následné zpracování pro hladký povrch.

Ideální aplikace: Aerospace komponenty, velké konstrukční díly, opravy stávajících komponentů, a přidávání funkcí ke stávajícím dílům.

Modelování taveného kovu (Kovové FDM)

Přehled:

Metal FDM je variací tradičního Fused Deposition Modeling (FDM) proces, kde se kovová vlákna zahřívají a vytlačují vrstvu po vrstvě za účelem vytvoření 3D dílů.

Použitá vlákna jsou obvykle kombinací kovový prášek a polymerní pojivo, který je později odstraněn během fáze následného zpracování.

Díly se pak slinují v peci, aby se kovové částice spojily do pevné struktury.

Pros:

• Nižší náklady: Často levnější než jiné metody 3D tisku na kov, zejména pro základní systémy.
• Snadné použití: Využívá jednoduchost technologie FDM, zpřístupnění pro ty, kteří znají tisk z plastů.

Nevýhody:

• Vyžaduje slinování: Díl musí být po tisku sintrován, aby bylo dosaženo plné hustoty, což zvyšuje čas a náklady.
• Nižší přesnost: Méně přesné než metody fúze v prášku, vyžadující více následného zpracování pro úzké tolerance.

Ideální aplikace: Malé díly, prototypování, vzdělávací účely, a aplikace, kde jsou náklady a snadnost použití důležitější než vysoká přesnost.

4. Materiály používané při 3D tisku kovů

Jednou z klíčových výhod Kovový 3D tisk je široká škála materiálů, které podporuje, nabízí jedinečné vlastnosti vhodné pro různé aplikace.

Materiály používané při výrobě kovových přísad jsou typicky kovové prášky které se selektivně taví vrstvu po vrstvě,

přičemž každý materiál má odlišné výhody v závislosti na specifických potřebách projektu.

Nerez

• Charakteristiky:
  Nerez je jedním z nejběžnějších materiálů používaných v kovovém 3D tisku díky svému vysoká síla, odolnost proti korozi, a všestrannost. Slitiny nerezové oceli, zejména 316L a 17-4 Ph, jsou široce používány napříč průmyslovými odvětvími.

• • Pevnost: Vysoká pevnost v tahu a výnosu.
  • Odolnost proti korozi: Vynikající ochrana proti korozi a skvrnám.
  • Machinability: Snadno obrobitelný post-tisk, takže je vhodný pro různé metody následného zpracování.

Slitiny titanu (NAPŘ., TI-6AL-4V)

• Charakteristiky:
  Slitiny titanu, zejména TI-6AL-4V, jsou známé svými výjimečný poměr pevnosti a hmotnosti, odolnost proti korozi, a schopnost odolávat vysokým teplotám.

• • Poměr síly k hmotnosti: Vynikající mechanické vlastnosti s nižší hustotou.
  • Vysokoteplotní výkon: Odolává vyšším teplotám než většina ostatních kovů.
  • Biokompatibilita: Bezpečné pro použití v lékařských implantátech díky netoxicitě.

Hliníkové slitiny (NAPŘ., AlSi 10Mg)

• Charakteristiky:
  Hliník je lehký a nabízí vynikající tepelná vodivost a odolnost proti korozi. Slitiny jako AlSi 10Mg se běžně používají ve 3D tisku, protože mají vysoký poměr pevnosti k hmotnosti a Dobrá machinabilita.

• • Nízká hustota: Ideální pro aplikace vyžadující lehké komponenty.
  • Tepelná vodivost: Díky vysoké tepelné vodivosti je vhodný pro aplikace na odvod tepla.
  • Povrchová úprava: Hliníkové díly lze snadno eloxovat, aby se zlepšila tvrdost povrchu a odolnost proti korozi.

Slitiny kobaltu a chromu

• Charakteristiky:
  Slitiny kobalt-chrom jsou známé pro své vysoká síla, nosit odpor, a biokompatibilita, což z nich dělá oblíbenou volbu lékařské aplikace.

• • Odolnost proti korozi: Vynikající odolnost proti korozi a opotřebení.
  • Vysoká síla: Zvláště užitečné pro těžké průmyslové aplikace.
  • Biokompatibilita: Kobalt-chrom je v lidském těle nereaktivní, takže je ideální pro implantáty.

Slitiny na bázi niklu (NAPŘ., Inconel 625, Inconel 718)

• Charakteristiky:
  Slitiny na bázi niklu, například Inconel 625 a Inconel 718, jsou vysoce odolné vůči oxidace a vysokoteplotní korozi.
  Tyto slitiny nabízejí vynikající výkon v extrémních prostředích s vysokou teplotou, tlak, a odolnost proti korozi jsou rozhodující.

• • Pevnost při vysoké teplotě: Dokáže odolat extrémnímu teplu bez ztráty síly.
  • Odolnost proti korozi: Zejména proti vysoce korozivnímu prostředí, jako je mořská voda nebo kyselá média.
  • Odolnost proti únavě: Vysoká únavová pevnost a odolnost proti tepelnému cyklování.

Drahé kovy (NAPŘ., Zlato, Stříbro, Platina)

• Charakteristiky:
  Drahé kovy, například zlato, stříbro, a platina, se používají pro aplikace, kde vysoká estetická hodnota a odolnost proti korozi jsou vyžadovány.

• • Estetická kvalita: Ideální pro šperky a luxusní předměty.
  • Vodivost: Díky vysoké elektrické vodivosti jsou vhodné pro vysoce přesné elektrické součástky.
  • Odolnost proti korozi: Vynikající odolnost proti zmatnění a korozi.

5. Proces 3D tisku kovů

Proces kovového 3D tisku obvykle zahrnuje několik klíčových kroků:

• Krok 1: Návrh pomocí softwaru CAD a příprava souborů:

• • Inženýři a návrháři používají počítačově podporovaný návrh (CAD) software pro vytvoření 3D modelu součásti.
    Soubor je poté připraven pro 3D tisk, včetně orientace, podpůrné struktury, a krájení na vrstvy.
    Pokročilý CAD software, jako je Autodesk Fusion 360, umožňuje návrhářům vytvářet složité geometrie a optimalizovat design pro 3D tisk.

• Krok 2: Krájení a nastavení parametrů:

• • 3D model je rozřezán na tenké vrstvy, a parametry, jako je tloušťka vrstvy, výkon laseru, a rychlost skenování jsou nastaveny.
    Tato nastavení jsou rozhodující pro dosažení požadované kvality a vlastností finálního dílu.
    Software pro krájení, jako Materialize Magics, pomáhá při optimalizaci těchto parametrů pro nejlepší výsledky.

• Krok 3: Proces tisku:

• • 3D tiskárna nanáší nebo spojuje kov vrstvu po vrstvě, podle zadaných parametrů. Tento krok může trvat hodiny nebo dokonce dny, v závislosti na složitosti a velikosti dílu.
    Během procesu tisku, tiskárna nepřetržitě sleduje a upravuje parametry, aby byla zajištěna konzistentní kvalita.

• Krok 4: Následné zpracování:

• • Po vytištění, díl může vyžadovat kroky následného zpracování, jako je tepelné zpracování, povrchová úprava, a odstranění nosných konstrukcí.
    Tepelné zpracování, například, může zlepšit mechanické vlastnosti součásti, zatímco techniky povrchové úpravy jako pískování a leštění mohou zlepšit kvalitu povrchu.
    Kontrola kvality je nezbytná v každé fázi, aby se zajistilo, že díl splňuje požadované specifikace.

6. Výhody kovového 3D tisku

Kovový 3D tisk nabízí oproti tradičním výrobním metodám několik výhod:

Svoboda designu:

• Složité geometrie, vnitřní kanály, a mohou být vytvořeny příhradové struktury, umožňující inovativní návrhy, které byly dříve nemožné.
  Například, schopnost vytvářet duté, lehké konstrukce s vnitřními chladicími kanály je zásadní změnou v leteckém a automobilovém průmyslu.

Rychlé prototypování:

• Rychlá iterace a testování návrhů, snížení času a nákladů na vývoj.
  S kovovým 3D tiskem, prototypy mohou být vyrobeny během několika dnů, umožňující rychlou zpětnou vazbu a vylepšení designu.

Materiálová účinnost:

• Minimální odpad, protože se používá pouze materiál potřebný pro díl, na rozdíl od subtraktivní výroby, což může mít za následek značné materiální ztráty.
  To je výhodné zejména pro drahé materiály, jako je titan a drahé kovy.

Lehký:

• Příhradové konstrukce a optimalizované konstrukce mohou snížit hmotnost dílů, což je zvláště výhodné v leteckém a automobilovém průmyslu.
  Například, Boeing použil kovový 3D tisk ke snížení hmotnosti součástí letadel, což vede k výrazné úspoře paliva.

Přizpůsobení:

• Řešení na míru pro maloobjemovou nebo jednorázovou výrobu, umožňující personalizované a jedinečné produkty.
  Lékařské implantáty na míru, například, mohou být navrženy tak, aby vyhovovaly specifické anatomii pacienta, zlepšení výsledků a doby zotavení.

7. Výzvy a omezení

Zatímco kovový 3D tisk nabízí mnoho výhod, přichází také s vlastní řadou výzev:

Vysoká počáteční investice:

• Náklady na kovové 3D tiskárny, materiály, a zařízení pro následné zpracování může být značné.
  Například, špičková kovová 3D tiskárna může stát i více $1 milión, a materiály mohou být několikrát dražší než materiály používané v tradiční výrobě.

Omezená velikost sestavení:

• Mnoho kovových 3D tiskáren má menší objemy sestavení, omezení velikosti dílů, které lze vyrobit.
  Však, objevují se nové technologie, které umožňují větší velikosti sestavení, rozšíření škály možných aplikací.

Povrchová úprava:

• Díly mohou vyžadovat dodatečné dodatečné zpracování k dosažení požadované povrchové úpravy, zvýšení celkových nákladů a času.
  Techniques like chemical etching and electro-polishing can help improve the surface quality, but they add extra steps to the manufacturing process.

Materiálová dostupnost:

• Not all metals and alloys are suitable for 3D printing, and some may be difficult to obtain or expensive.
  The availability of specialized materials, such as high-temperature alloys, can be limited, affecting the feasibility of certain projects.

Dovednost a školení:

• Operators and designers need specialized training to effectively use metal 3D printing technology.
  The learning curve can be steep, and the need for skilled personnel can be a barrier to adoption, especially for small and medium-sized enterprises.

8. Aplikace kovového 3D tisku

Metal 3D printing is finding applications across a wide range of industries:

Aerospace:

• Lehký, complex components for aircraft and satellites, reducing weight and improving performance.
  Například, Airbus použil kovový 3D tisk k výrobě lehkých držáků a palivových trysek, což vede k výrazné úspoře hmotnosti a lepší spotřebě paliva.

Automobilový průmysl:

• Zakázkové a výkonové díly pro motorsport, prototypování, a výroba, zvýšení výkonu a účinnosti vozidla.
  BMW, například, používá kovový 3D tisk k výrobě vlastních dílů pro svá vysoce výkonná vozidla, jako je i8 Roadster.

Lékařský:

• Implantáty, Protetika, a dentální aplikace nabízejí přesné geometrie a biokompatibilitu.
  Stryker, přední lékařská technologická společnost, používá kovový 3D tisk k výrobě přizpůsobených páteřních implantátů, zlepšení výsledků pacientů a zkrácení doby zotavení.

Energie:

• Výměníky tepla, turbíny, a komponenty pro výrobu energie zlepšují účinnost a životnost.
  Siemens, například, použila kovový 3D tisk k výrobě lopatek plynových turbín, které vydrží vyšší teploty a tlaky, což vede ke zvýšení účinnosti a snížení emisí.

Nástroje a formy:

• Rychlé obrábění s konformními chladicími kanály, zkrácení doby cyklu a zlepšení kvality dílů.
  Konformní chladicí kanály, které sledují tvar formy, může výrazně zkrátit dobu chlazení a zlepšit kvalitu konečného produktu.

Konzumní zboží:

• Špičkové šperky, hodinky na míru, a skříně elektroniky umožňují jedinečné a personalizované produkty.
  Společnosti jako HP a 3DEO používají kovový 3D tisk k výrobě vysoké kvality, zakázkové spotřební zboží, jako jsou luxusní hodinky a pouzdra na elektroniku.

9. Kovový 3D tisk vs. Tradiční výroba

Při porovnávání kovového 3D tisku s tradičními výrobními metodami, do hry vstupuje několik faktorů:

Rychlost a efektivita:

• 3D tisk vyniká rychlým prototypováním a malosériovou výrobou, zatímco tradiční metody jsou efektivnější pro velkoobjemovou výrobu.
  Například, 3D tisk dokáže vyrobit prototyp za pár dní, zatímco tradiční metody mohou trvat týdny.

Srovnání nákladů:

• Pro maloobjemové nebo zakázkové díly, 3D tisk může být nákladově efektivnější díky sníženým nákladům na nastavení a nástroje.
  Však, pro velkosériovou výrobu, tradiční metody mohou být stále ekonomičtější. Bod zvratu se liší v závislosti na konkrétní aplikaci a složitosti součásti.

Složitost:

• 3D tisk umožňuje výrobu složitých geometrií a vnitřních prvků, které jsou konvenčními metodami nemožné, otevírá nové možnosti designu.
  To je zvláště cenné v odvětvích, kde je rozhodující snížení hmotnosti a optimalizace výkonu, jako je letecký a automobilový průmysl.

Zde je srovnávací tabulka shrnující hlavní rozdíly mezi nimi Kovový 3D tisk a Tradiční výroba:

Funkce	Kovový 3D tisk	Tradiční výroba
Dodací lhůta	Rychlejší pro prototypování, malosériová výroba.	Delší časy seřízení díky nástrojům a formám.
Rychlost výroby	Pomalejší pro velkoobjemovou výrobu. Ideální pro malý objem, zakázkové díly.	Rychlejší pro hromadnou výrobu, zejména pro jednoduché díly.
Konstrukční složitost	Dokáže snadno vytvářet složité geometrie.	Omezeno nástrojovými omezeními; složité návrhy vyžadují další kroky.
Přizpůsobení	Ideální pro jednorázové nebo zakázkové díly.	Přizpůsobení je dražší kvůli změnám nástrojů.
Materiálová dostupnost	Omezeno na běžné kovy (nerez, titan, atd.).	Široká škála kovů a slitin dostupných pro různé aplikace.
Materiálové provedení	Mírně nižší pevnost a jednotnost materiálu.	Vynikající pevnost a konzistentnější vlastnosti materiálu.
Počáteční investice	Vysoké počáteční náklady kvůli drahým 3D tiskárnám a kovovým práškům.	Nižší počáteční investice pro základní nastavení.
Cena za jednotku	Vysoká pro velkosériovou výrobu; nákladově efektivní pro malé série.	Nižší pro hromadnou výrobu, zejména s jednoduchým designem.
Pevnost & Trvanlivost	Vhodné pro mnoho aplikací; může vyžadovat dodatečné zpracování pro zvýšení pevnosti.	Typicky vyšší pevnost, zejména pro vysoce výkonné slitiny.
Povrchová úprava	Vyžaduje následné zpracování pro hladké povrchové úpravy.	Obvykle lepší povrchová úprava pro jednoduché návrhy.
Následné zpracování	Vyžaduje se pro lepší mechanické vlastnosti, a povrchová úprava.	Obvykle minimální následné zpracování, pokud nejsou složité nebo vysoce přesné požadavky.
Materiální odpad	Minimální odpad materiálu díky aditivní povaze.	Vyšší materiálový odpad u některých metod (NAPŘ., obrábění).
Ideální pro	Maloobjemový, zakázkové díly, Složité geometrie, prototypování.	Velkoobjemový, jednoduché části, konzistentní vlastnosti materiálu.
Aplikace	Aerospace, lékařské implantáty, automobilový průmysl (nízký objem, Složité díly).	Automobilový průmysl, Těžké stroje, průmyslové díly (velkoobjemový, velkosériová výroba).

10. Závěr

Kovový 3D tisk stojí v popředí výrobních inovací, nabízí jedinečné výhody, jako je svoboda designu, Rychlé prototypování, a materiálové účinnosti.

I když čelí výzvám, jako jsou vysoké náklady a materiálová omezení, jeho transformační potenciál napříč průmyslovými odvětvími je nepopiratelný.

Ať už jste v letectví, automobilový průmysl, nebo spotřební zboží,

zkoumání toho, jak může kovový 3D tisk vyhovovat vašim specifickým potřebám, může být klíčem k otevření nových možností ve vývoji a výrobě produktů.

TOTO poskytuje služby 3D tisku. Pokud potřebujete 3D tisk, Neváhejte Kontaktujte nás.