Čo je aditívna výroba kovov?
Aditívna výroba kovov, známa aj ako 3D tlač kovov, je high-tech výrobná metóda, pri ktorej sa predmety vyrábajú pridávaním postupných vrstiev materiálu. Pri tomto prístupe sa využíva zdroj energie, napríklad laser alebo elektrónový lúč, na spájanie kovového prášku alebo drôtu, čím sa vytvorí pevný objekt. V dôsledku toho táto technika umožňuje vývoj zložitých konštrukcií, ktoré nie je možné dosiahnuť alebo je náročné dosiahnuť tradičnými výrobnými postupmi.
Aditívna výroba z kovu ponúka niekoľko výhod vrátane bezkonkurenčnej slobody dizajnu a použitia rôznych kovov. Vďaka tomu sa stala nepostrádateľnou pre rast výrobného priemyslu, pretože pomáha zvyšovať efektivitu, znižovať množstvo odpadu, znižovať emisie a zvyšovať rýchlosť výroby rozmernejších a ľahších dielov. Za hlavných príjemcov tejto technológie boli označené letecký, automobilový, zdravotnícky a spotrebný tovar.
Metódy aditívnej výroby kovov
Metódy práškového lôžka
Metóda práškového lôžka znamená, že sa na povrch lôžka nanesie tenká vrstva kovového prášku. Tieto tenké vrstvy sa potom selektívne tavia a tavia pomocou vysokoenergetických zdrojov, ako sú lasery alebo elektrónové žiarenie, a vytvárajú požadovaný predmet. Poskytuje výnimočnú schopnosť vytvárať zložité geometrie s presnosťou.
Smerované vylučovanie energie (DED)
Pri usmernenom energetickom nanášaní sa materiál taví pomocou ohrievača a súčasne sa nanáša cez dýzu. Týmto procesom sa vytvárajú vrstvy a vzniká pevný objekt. DED je užitočná v rôznych priemyselných odvetviach, pretože dokáže opravovať existujúce diely a pridávať materiály.
Vystrekovanie kovových spojív
Pri tryskaní kovových spojív sa používajú tekuté spojivá dávkované na po sebe idúce vrstvy práškového kovu, teda ako lepidlo medzi týmito časticami. Výsledný objekt si vyžaduje ďalšiu úpravu, zvyčajne spekanie alebo infiltračné procesy, aby bol pevnejší/tvrdší ako predtým, ale stále si zachoval svoj tvar bez deformácie. Táto metóda je užitočná pre mnohé aplikácie, najmä tie, ktoré zahŕňajú hromadnú výrobu, kde sú potrebné komplexné diely bez prílišného zvyšovania teploty.
Porovnanie rôznych kovových prísadových výrobných metód
Metódy práškového lôžka
Výhody
Metódy práškového lôžka sú najlepšími metódami na vytváranie zložitých tvarov. Táto metóda je veľmi presná a používa len potrebný prášok, čím sa šetrí plytvanie. Možno ju upraviť tak, aby vyhovovala individuálnym výrobkom, a preto je použiteľná pre rôzne kovy a zliatiny.
Nevýhody
Drahé suroviny používané pri postupoch spôsobujú, že nákup všetkých potrebných nástrojov je nákladný. Okrem možných objemových obmedzení počas výroby má aj obmedzenú rýchlosť. Povrchové úpravy si môžu vyžadovať dodatočnú konečnú úpravu po spracovaní, takisto existujú prísne bezpečnostné pokyny pri práci s kovovými práškami.
Výstrekovanie
Výhody
Podpory sú potrebné len niekedy pri tryskaní spojiva, čo znižuje množstvo odpadu a náklady na následné spracovanie. Recykluje až 99 % sypkého prášku, čo umožňuje vytvárať zložité konštrukcie bez zvýšenia nákladov. Pri jednej tlači možno vyrobiť viacero dielov, čo šetrí čas a znižuje náklady.
Nevýhody
Striekacia technika si však vyžaduje ďalšie zariadenia na následné spracovanie, pričom väčšina procesov po tlači je manuálna, hoci sa pripravuje automatizácia. Okrem toho sú náklady na stroje na tryskanie spojiva vyššie ako náklady na mnohé konvenčné výrobné metódy.
Priame vylučovanie energie (DED)
Výhody
Technológia DED má rýchlejšiu rýchlosť vytvárania ako iné technológie AM a vytvára husté diely s menším množstvom odpadového materiálu. Môže vyrábať významné komponenty a pracovať s rôznymi materiálmi.
Nevýhody
Nevýhodou je, že DED má nízke rozlíšenie, čo má za následok drsnú povrchovú úpravu. Stroje sú pomerne drahé a v tomto procese nie sú povolené žiadne podporné štruktúry, čo znamená, že nie je možné realizovať určité konštrukčné prvky.
Kovové aditívne výrobné materiály
Obvyklé kovové prášky
Výber materiálu pri aditívnej výrobe kovov výrazne ovplyvňuje vlastnosti konečného výrobku. Medzi bežné materiály patria:
- Titán a zliatiny titánu
Vysoká pevnosť, odolnosť proti korózii a biokompatibilita, ideálne na použitie v leteckom, automobilovom a lekárskom priemysle.
- Nerezová oceľ
Vyvážená pevnosť, odolnosť proti korózii a cenová dostupnosť.
- Hliník a zliatiny hliníka
Ľahký s dobrou vodivosťou.
- Superzliatiny na báze niklu
Vynikajúca odolnosť voči teplu a korózii pre vysokoteplotné aplikácie.
- Kobalt-chrómové zliatiny
Vysoká pevnosť a biokompatibilita, často sa používa v medicíne.
- Drahé kovy
Používajú sa v šperkoch pre estetické vlastnosti a odolnosť proti korózii.
- Nástrojové ocele
Vysoká tvrdosť a odolnosť proti opotrebovaniu, ideálne na vytváranie foriem a rezných nástrojov.
Drahé kovy v aditívnej výrobe
Vzácne kovy, ako je zlato, striebro, platina a ruthénium, sa používajú v aditívnej výrobe na rôzne účely:
- Silver
Elektrické kontakty a vysokokapacitné batérie vďaka ich vysokej vodivosti.
- Zlato
Zubné lekárstvo, medicína a elektronika pre ich poddajnosť a odolnosť voči deštrukcii.
- Platinum
Šperky, chirurgické nástroje a laboratórne pomôcky pre ich hustotu a odolnosť voči vzduchu a vode.
- Ruthenium
Elektronický a chemický priemysel pre svoju odolnosť voči kyselinám a dechtovaniu.
Priemyselné aplikácie aditívnej výroby kovov
Transformujte svoju výrobu pomocou aditívnej výroby kovov. Znížte náklady, inovujte rýchlejšie a dosiahnite bezkonkurenčnú presnosť.
Letecký a kozmický priemysel
Letecký a kozmický priemysel bol jedným z prvých, ktorý začal používať aditívnu výrobu kovov, pretože potreboval ľahké a odolné materiály. Táto technológia optimalizuje komponenty motorov, lopatky turbín a palivové systémy. Vytváranie zložitých tvarov bez vnútorných chýb výrazne zlepšilo výkon a funkčnosť leteckých dielov, čo viedlo k ľahším lietadlám a zníženiu spotreby paliva.
Automobilový priemysel
Aditívna výroba kovov sa v automobilovom priemysle používa na
Medicínsky priemysel
Výrobu lekárskych implantátov a chirurgických nástrojov uľahčuje aditívna výroba kovov v oblasti medicíny. Vďaka tejto technológii sa napríklad vytvárajú implantáty na mieru pacienta, ktoré presne zodpovedajú anatómii jednotlivca, čo vedie k lepším výsledkom a rýchlejšiemu hojeniu pacientov po operácii alebo úraze spôsobenom nehodou. Umožňuje tiež výrobu jemných chirurgických nástrojov, ktoré zvyšujú presnosť počas operácií.
Energetický priemysel
Aditívnou výrobou kovov sa vyrábajú komponenty energetických systémov v energetickom sektore. Pomáha vyrábať takéto súčiastky, ktoré zvyčajne potrebujú vysoké pevnostné vlastnosti a dokážu odolávať náročným podmienkam prostredia, čím sa AM stáva ideálnou metódou pre ich výrobné požiadavky. Aditívna výroba umožňuje navrhovať zložité geometrie, ktoré zvyšujú účinnosť a spoľahlivosť týchto systémov.
Šperky a spotrebný tovar
Šperkársky priemysel sa zmenil vďaka aditívnej výrobe kovov, pri ktorej sa zložité návrhy vyrábajú s veľmi malým plytvaním materiálom. Táto technika umožňuje šperkárom vytvárať komplikované šperky, ktoré by pri použití tradičných metód boli nepraktické alebo nemožné. Aj výrobcovia spotrebného tovaru využívajú AM na prispôsobenie predmetov s jedinečnou geometriou.
Výskum a vývoj
V oblasti výskumu a vývoja (R&D) je aditívna výroba kovov potrebná na rýchlu výrobu prototypov počas experimentovania. Výskumníci preto môžu tento technologický postup využiť na krátku výrobu a testovanie nových návrhov, čo im pomôže inovovať a objavovať nepoznané. Rýchla iterácia dizajnu prispieva k rýchlemu vývoju nových výrobkov a technológií.
Výhody aditívnej výroby kovov
Komplexné tvary a geometrie
Možnosť vytvárať zložité tvary a geometrie, ktoré je ťažké alebo nemožné vyrobiť tradičnými metódami, je jednou z najvýznamnejších výhod aditívnej výroby kovov (AM). Vďaka tomu je možné navrhovať diely s vnútornými dutinami a zložitými detailmi.
Zníženie hmotnosti
Na rozdiel od iných výrobných metód umožňuje aditívna výroba vytvárať ľahké komponenty bez toho, aby sa znížila ich pevnosť. Medzi odvetvia, ktoré si toto zníženie hmotnosti osvojili, patria okrem iného automobilový a letecký priemysel, kde aj malé zníženie hmotnosti môže viesť k značným úsporám nákladov na palivo.
Časová a nákladová efektívnosť
V porovnaní s tradičnými procesmi trvá aditívna výroba kovov kratšie, pretože eliminuje výrobu nástrojov a sekundárne operácie, čím sa znižujú výrobné náklady a časy realizácie, aby výrobcovia mohli rýchlejšie vstúpiť na trh. Okrem toho nulové zásoby znižujú náklady na skladovanie.
Prínosy pre životné prostredie
V porovnaní s bežnými subtraktívnymi technikami sa tvorba odpadu pri 3D tlači znižuje, pretože sa pridáva len materiál potrebný v konkrétnej oblasti. To znižuje náklady na materiál a pozitívne prispieva k ochrane životného prostredia. Recyklácia nepoužitého prášku navyše pomáha podporovať udržateľnosť.
Výzvy aditívnej výroby kovov
Technické výzvy
Technológie aditívnej výroby kovov čelia viacerým technickým výzvam vrátane dosiahnutia požadovanej povrchovej úpravy a presnosti, ktorá je dostatočne vysoká na zamýšľané účely, v dôsledku požiadavky na dodatočné následné spracovanie, ako je obrábanie alebo leštenie.
Ekonomické obmedzenia
Vysoké počiatočné investície bránia väčšine podnikov v zriadení strojov AM na spracovanie kovov. Zároveň sú tieto stroje drahé, spolu s požiadavkami na školenia, spotrebný materiál, údržbu atď. Okrem toho materiály používané pri 3D tlači bývajú nákladné, čo znamená, že sa bude vysoko plytvať surovinami.
Problémy regulácie a štandardizácie
Technológia aditívnej výroby kovov potrebuje štandardizované testovacie metódy alebo usmernenia na kontrolu kvality, čím sa zabezpečenie kvality stáva náročnou úlohou, najmä v oblastiach, ako je letecký priemysel a zdravotnícke zariadenia s prísnymi požiadavkami.
FAQS
Čo je druh fúzie práškového lôžka？
Selektívne laserové spekanie (SLS)
Selektívne laserové spekanie využíva laser na spekanie práškového kovu a jeho spájanie na dosiahnutie pevnej štruktúry, ktorej charakteristickými znakmi sú presnosť a účinnosť.
Priame laserové spekanie kovov (DMLS)
Technológia DMLS je podobná technológii SLA, ale zameriava sa na rôzne kovy a zliatiny, aby bolo možné vytvárať prototypy a konečné výrobky s vysokou presnosťou.
Selektívne laserové tavenie (SLM)
Okrem toho SLM zahŕňa tavenie kovového prášku, čo vedie k hustejšiemu a robustnejšiemu finálnemu výrobku pre aplikácie vyžadujúce vysokú pevnosť a odolnosť.
Tavenie elektrónovým lúčom (EBM)
Tento proces sa líši od iných aditívnych výrobných technológií. Vo vákuu sa nepoužíva laser, ale elektrónový lúč, aby sa zabránilo oxidácii, čo uľahčuje výrobu zložitých dielov s vynikajúcimi vlastnosťami materiálu.
Záver
Aditívna výroba kovov je transformačná technológia, ktorá ponúka množstvo výhod vrátane slobody dizajnu, zvýšenia efektívnosti a zníženia vplyvu na životné prostredie. Vďaka rôznym dostupným metódam, ako je tavenie v práškovom lôžku, usmernené vylučovanie energie a striekanie spojiva, si výrobcovia môžu vybrať najlepší prístup pre svoje špecifické potreby. Široká škála materiálov používaných pri aditívnej výrobe kovov umožňuje vytvárať diely s rôznymi vlastnosťami a aplikáciami.
Aditívna výroba kovov sa naďalej vyvíja a je pripravená priniesť revolúciu do výrobného priemyslu. Schopnosť rýchlo a nákladovo efektívne vyrábať zložité, ľahké a vysokokvalitné diely bude hnacím motorom jej zavádzania vo viacerých odvetviach. Hoci výzvy pretrvávajú, pokračujúci pokrok a zvyšujúca sa dostupnosť pomôžu tieto prekážky prekonať, vďaka čomu sa aditívna výroba kovov stane v nasledujúcich rokoch základným kameňom priemyselných inovácií.
