Co je aditivní výroba kovů?
Aditivní výroba kovů, známá také jako kovový 3D tisk, je high-tech výrobní metoda, při níž se objekty vyrábějí přidáváním postupných vrstev materiálu. Tento přístup využívá zdroj energie, například laserový nebo elektronový paprsek, ke slévání kovového prášku nebo drátěné formy, čímž vzniká pevný objekt. V důsledku toho tato technika umožňuje vývoj složitých konstrukcí, kterých nelze dosáhnout nebo je náročné dosáhnout tradičními výrobními postupy.
Aditivní výroba kovů nabízí několik výhod, včetně bezkonkurenční volnosti designu a použití různých kovů. Díky tomu se stala nepostradatelnou pro růst výrobního průmyslu, protože pomáhá zvyšovat efektivitu, snižovat množství odpadu, snižovat emise a zvyšovat rychlost výroby podstatnějších a lehčích dílů. Za hlavní příjemce této technologie byly označeny letecký a automobilový průmysl, zdravotnictví a spotřební zboží.
Metody aditivní výroby kovů
Metody práškového lůžka
Metoda práškového lože znamená, že se na povrch lože rozprostře tenká vrstva kovového prášku. Tyto tenké vrstvy se pak selektivně taví a taví pomocí vysokoenergetických zdrojů, jako jsou lasery nebo elektronové záření, a vytvářejí požadovaný předmět. Umožňuje výjimečnou schopnost vytvářet složité geometrie s přesností.
Nasměrované ukládání energie (DED)
Při usměrněném energetickém nanášení je materiál taven ohřívačem a současně nanášen tryskou. Tento proces vytváří vrstvy a vytváří pevný objekt. Metoda DED je užitečná v různých průmyslových odvětvích, protože umožňuje opravovat stávající díly a přidávat materiály.
Vystřikování kovových pojiv
Při tryskání kovových pojiv se používají kapalná pojiva, která se dávkují na po sobě jdoucí vrstvy práškového kovu, tedy jako lepidlo mezi těmito částicemi. Výsledný objekt vyžaduje další úpravu, obvykle spékání nebo infiltrační procesy, aby byl pevnější/tvrdší než předtím, avšak stále si zachovával svůj tvar bez deformací. Tato metoda je užitečná pro mnoho aplikací, zejména pro ty, které zahrnují hromadnou výrobu, kde je zapotřebí složitých dílů bez přílišného zvyšování teploty.
Srovnání různých kovových přídavných výrobních metod
Metody práškového lůžka
Výhody
Metody práškového lože jsou nejlepšími metodami pro vytváření složitých tvarů. Tato metoda je velmi přesná a používá pouze nezbytný prášek, čímž se šetří plýtvání. Lze ji upravit tak, aby vyhovovala individuálním výrobkům, a proto je použitelná pro různé kovy a slitiny.
Nevýhody
Nákladné suroviny používané při těchto postupech prodražují nákup všech nezbytných nástrojů. Kromě možných objemových omezení při výrobě má omezenou rychlost. Povrchové úpravy mohou vyžadovat dodatečné dokončovací práce po zpracování, rovněž existují přísné bezpečnostní předpisy při práci s kovovými prášky.
Výstřikování
Výhody
Podpěry jsou při tryskání pojiva potřeba jen někdy, což snižuje množství odpadu a náklady na následné zpracování. Recykluje až 99 % sypkého prášku, což umožňuje komplexní konstrukce bez zvýšení nákladů. Při jednom tisku lze vyrobit více dílů, což šetří čas a snižuje náklady.
Nevýhody
Tryskání do pojiva však vyžaduje další zařízení pro následné zpracování, přičemž většina procesů po tisku probíhá ručně, ačkoli se pracuje na automatizaci. Kromě toho jsou náklady na stroje pro tryskání pojiva vyšší než u mnoha konvenčních výrobních metod.
Přímá energetická depozice (DED)
Výhody
Technologie DED má rychlejší rychlost výroby než jiné technologie AM a vytváří husté díly s menším množstvím odpadního materiálu. Může vyrábět významné součásti a pracovat s různými materiály.
Nevýhody
Nevýhodou DED je nízké rozlišení konstrukce, což má za následek hrubý povrch. Stroje jsou poměrně drahé a v tomto procesu nejsou povoleny žádné podpůrné konstrukce, což znamená, že nelze realizovat určité konstrukční prvky.
Materiály pro aditivní výrobu kovů
Běžný kovový prášek
Volba materiálu při aditivní výrobě kovů významně ovlivňuje vlastnosti konečného výrobku. Mezi běžné materiály patří:
- Titan a slitiny titanu
Vysoká pevnost, odolnost proti korozi a biokompatibilita, ideální pro použití v letectví, automobilovém průmyslu a zdravotnictví.
- Nerezová ocel
Vyváženost pevnosti, odolnosti proti korozi a cenové dostupnosti.
- Hliník a slitiny hliníku
Lehké a dobře vodivé.
- Superslitiny na bázi niklu
Vynikající odolnost proti vysokým teplotám a korozi pro vysokoteplotní aplikace.
- Slitiny kobaltu a chromu
Vysoká pevnost a biokompatibilita, často se používá ve zdravotnictví.
- Drahé kovy
Používají se ve šperkařství pro své estetické vlastnosti a odolnost proti korozi.
- Nástrojové oceli
Vysoká tvrdost a odolnost proti opotřebení, ideální pro vytváření forem a řezných nástrojů.
Drahé kovy v aditivní výrobě
Drahé kovy, jako je zlato, stříbro, platina a ruthenium, se používají v aditivní výrobě pro různé aplikace:
- Silver
Elektrické kontakty a vysokokapacitní baterie díky své vysoké vodivosti.
- Zlato
Zubní lékařství, medicína a elektronika pro jejich kujnost a odolnost proti dehtování.
- Platinum
Šperky, chirurgické nástroje a laboratorní náčiní pro jejich hustotu a odolnost vůči vzduchu a vodě.
- Ruthenium
Elektronický a chemický průmysl pro svou odolnost vůči kyselinám a dehtování.
Průmyslové aplikace aditivní výroby kovů
Změňte svou výrobu pomocí aditivní výroby kovů. Snižte náklady, inovujte rychleji a dosáhněte bezkonkurenční přesnosti.
Letecký a kosmický průmysl
Letecký a kosmický průmysl byl jedním z prvních, kdo začal používat aditivní výrobu kovů, protože potřeboval lehké a odolné materiály. Tato technologie optimalizuje součásti motorů, lopatky turbín a palivové systémy. Vytváření složitých tvarů bez vnitřních vad výrazně zlepšilo výkon a funkčnost leteckých dílů, což vedlo k lehčím letadlům a snížení spotřeby paliva.
Automobilový průmysl
Aditivní výroba kovů se v automobilovém průmyslu používá pro kovové prototypy, zakázkové díly a nástroje. Výrobci automobilů mohou tuto inovaci využít k vývoji nových návrhů, které mohou okamžitě testovat, a zkrátit tak iterační cykly během vývoje. Vytváření lehkých, ale složitých pevných konstrukcí navíc zlepšuje efektivitu vozidel.
Medicínský průmysl
Výrobu lékařských implantátů a chirurgických nástrojů usnadňuje aditivní výroba kovů ve zdravotnictví. Tato technologie například vytváří implantáty na míru pacientovi, které přesně odpovídají anatomii jedince, což vede k lepším výsledkům a rychlejšímu hojení pacientů po operaci nebo úrazu způsobeném nehodou. Umožňuje také výrobu jemných chirurgických nástrojů, které zvyšují přesnost při operacích.
Energetický průmysl
Aditivní výroba kovů umožňuje vyrábět komponenty energetických systémů v energetickém sektoru. Pomáhá vyrábět takové díly, které obvykle vyžadují vysoké pevnostní vlastnosti a odolávají náročným podmínkám prostředí, a proto je AM ideální metodou pro jejich výrobu. Aditivní výroba umožňuje navrhovat složité geometrie, které zvyšují účinnost a spolehlivost těchto systémů.
Šperky a spotřební zboží
Šperkařský průmysl se změnil díky aditivní výrobě kovů, při níž se složité návrhy vyrábějí s velmi malým plýtváním materiálem. Tato technika umožňuje šperkařům vytvářet složité šperky, které by byly při použití tradičních metod nepraktické nebo nemožné. Také výrobci spotřebního zboží využívají AM k úpravě předmětů s jedinečnou geometrií.
Výzkum a vývoj
V oblasti výzkumu a vývoje je aditivní výroba kovů nezbytná pro rychlou výrobu prototypů během experimentů. Výzkumníci proto mohou tento technologický postup využít ke krátké výrobě a testování nových návrhů, což jim pomůže inovovat a objevovat neznámé. Rychlá iterace návrhu přispívá k rychlému vývoji nových výrobků a technologií.
Výhody aditivní výroby kovů
Složité tvary a geometrie
Jednou z nejvýznamnějších výhod aditivní výroby kovů (AM) je možnost vytvářet složité tvary a geometrie, které je obtížné nebo nemožné vyrobit tradičními metodami. Díky tomu je možné navrhovat díly s vnitřními dutinami a složitými detaily.
Snížení hmotnosti
Na rozdíl od jiných výrobních metod umožňuje aditivní výroba vytvářet lehké součásti, aniž by se snížila jejich pevnost. Mezi odvětví, která toto snížení hmotnosti využila, patří mimo jiné automobilový a letecký průmysl, kde i malé snížení hmotnosti může vést k výrazným úsporám nákladů na palivo.
Časová a nákladová efektivita
V porovnání s tradičními postupy trvá aditivní výroba kovů kratší dobu, protože odpadá výroba nástrojů a sekundární operace, což snižuje výrobní náklady a zkracuje dodací lhůty, aby výrobci mohli rychleji vstoupit na trh. Nulové zásoby navíc snižují náklady na skladování.
Přínosy pro životní prostředí
V porovnání s běžnými subtraktivními technikami je produkce odpadu při 3D tisku nižší, protože se přidává pouze materiál potřebný v určité oblasti. To snižuje náklady na materiál a pozitivně přispívá k ochraně životního prostředí. Recyklace nepoužitého prášku navíc přispívá k podpoře udržitelnosti.
Výzvy aditivní výroby kovů
Technické výzvy
Technologie aditivní výroby kovů čelí několika technickým výzvám, včetně dosažení požadované kvality povrchu a přesnosti, která je dostatečně vysoká pro zamýšlené účely, kvůli požadavku na další následné zpracování, jako je obrábění nebo leštění.
Ekonomická omezení
Vysoké počáteční investice brání většině podniků ve zřízení strojů pro AM zpracování kovů. Zároveň jsou tyto stroje drahé, stejně jako požadavky na školení, spotřební materiál, údržbu atd. Kromě toho materiály používané při 3D tisku bývají nákladné, což znamená, že bude docházet k vysoké míře plýtvání surovinami.
Problémy regulace a standardizace
Technologie aditivní výroby kovů potřebuje standardizované zkušební metody nebo pokyny pro kontrolu kvality, což činí zajištění kvality nelehkým úkolem, zejména v oblastech, jako je letectví a zdravotnické přístroje s přísnými požadavky.
ČASTO KLADENÉ DOTAZY
Co je to druh fúze práškového lůžka？
Selektivní laserové slinování (SLS)
Selektivní laserové spékání využívá laser ke spékání práškového kovu, který se taví a vytváří pevnou strukturu, jejímiž charakteristickými znaky jsou přesnost a účinnost.
Přímé laserové spékání kovů (DMLS)
Technologie DMLS je však podobná technologii SLA, ale zaměřuje se na různé kovy a slitiny a umožňuje vytvářet prototypy a výrobky pro konečné použití s vysokou přesností.
Selektivní laserové tavení (SLM)
Kromě toho SLM zahrnuje tavení kovového prášku, což vede k hustšímu a robustnějšímu finálnímu výrobku pro aplikace vyžadující vysokou pevnost a odolnost.
Tavení elektronovým svazkem (EBM)
Tento proces se liší od ostatních technologií aditivní výroby. Ve vakuu se nepoužívá laser, nýbrž elektronový paprsek, který zabraňuje oxidaci, což usnadňuje výrobu složitých dílů s vynikajícími vlastnostmi materiálu.
Závěr
Aditivní výroba kovů je transformační technologie, která nabízí řadu výhod, včetně svobody designu, zvýšení efektivity a snížení dopadu na životní prostředí. Díky různým dostupným metodám, jako je tavení v práškovém loži, usměrněné nanášení energie a tryskání pojiva, si výrobci mohou vybrat ten nejlepší přístup pro své konkrétní potřeby. Široká škála materiálů používaných při aditivní výrobě kovů umožňuje vytvářet díly s různými vlastnostmi a použitím.
Aditivní výroba kovů se neustále vyvíjí a je připravena způsobit revoluci ve výrobním průmyslu. Schopnost vyrábět složité, lehké a vysoce kvalitní díly rychle a s nízkými náklady bude hnací silou jejího zavádění v mnoha odvětvích. Přestože stále přetrvávají problémy, neustálý pokrok a rostoucí dostupnost pomohou tyto překážky překonat, takže aditivní výroba kovů se v příštích letech stane základním kamenem průmyslových inovací.
