Možnosti využitia aditívnej technológie DMLS v strojárskom priemysle

Metóda DMLS

Direct Metal Laser Sintering (DMLS) je technológia umožňujúca vyrobiť plne funkčné kovové diely priamo z 3D CAD dát, pričom odpadá investícia do výrobných nástrojov a technológií, čo prináša podstatne vysokú úsporu nákladov a času. Kovové diely vyrobené technológiou DMLS sú z hľadiska mechanických vlastností úplne porovnateľné s obrábanými a odlievanými dielmi [1].

Technológia DMLS je založená na postupnom tavení veľmi jemných vrstiev kovového prášku pomocou laserového lúča. 3D CAD model výrobku je najprv „rozrezaný“ na jednotlivé vrstvy a diel sa potom stavia vrstva po vrstve. Energia laserového lúča priamo taví kovový prášok iba v kontúrach rezu, ktorý je definovaný prienikom danej roviny (vrstvy) telesom (3D CAD modelom) výrobku. Počas stavby dielu je nevyhnutná fixácia jeho správnej polohy pomocou podpornej štruktúry, ktorá je ukotvená k základnej oceľovej platforme. Podporné prvky sa stavajú vrstva po vrstve zároveň s produktom. Minimálna hrúbka vrstvy je 20 mikrometrov. Laser dôkladne taví kov vo forme prášku a tým je zaistené dokonalé spojenie jednotlivých vrstiev. Laserový lúč je precízne riadený v súradniciach x a y, os z je riadená posunom platformy o 20 mikrometrov pri zmene vrstvy, čo umožňuje dodržanie tvarových tolerancií v rozmedzí ±0,1 mm. Výroba dielov malej až strednej veľkosti trvá niekoľko hodín či dní, pričom pri využití tradičných technológií to trvá niekoľko dní až týždňov, ak sa vôbec taká zložitá súčiastka vyrobiť dá. Po spustení procesu dané zariadenie pracuje v plnom automatickom režime 24 hodín denne. Po skončení výrobného procesu je platforma s výrobkom vybratá z pracovného priestoru zariadenia a diel je oddelený od platformy [2].

Nevyhnutnou súčasťou výroby kovových dielcov metódou DMLS sú dokončovacie operácie. V prvom rade treba odstrániť podporné štruktúry z povrchu výrobku a potom povrch možno ďalej brúsiť, leštiť či obrábať rovnakým spôsobom ako klasický kovový materiál. Dôležitou výhodou priamej výroby kovových dielov pomocou technológie DMLS je odstránenie potreby výrobného náradia (foriem, lisovacích nástrojov apod.). Výrobný proces je ekonomický a zároveň ekologický, pretože 98 % prášku sa znova využíva na výrobu. Táto technológia umožňuje vytvárať vonkajšie aj vnútorné tvary súčiastky (akokoľvek zložité) zároveň, čo prináša možnosť priamej výroby tvarovo zložitých dielov, ktoré by predtým bolo nevyhnutné z technologických dôvodov vyrobiť z niekoľkých súčastí [3].

Materiály pre DMLS

Výber materiálov je pomerne dosť široký – od ľahkých zliatin cez ocele až po superzliatiny a kompozity. V súčasnosti existujú rôzne špecifické zliatiny pre proces DMLS a zároveň sú optimalizované aj štandardné priemyselné materiály, napr. nehrdzavejúca oceľ. V tejto časti článku sú opísane tri najpoužívanejšie práškové materiály, ktoré svojimi vlastnosťami uspokoja požiadavky náročného zákazníka. Nasledujúca tabuľka prezentuje súhrn základných vlastností vybraných materiálov pre technológiu DMLS.

* Hodnoty sú uvedené pre tepelne spracovaný materiál

Tab. 1 Základné vlastnosti vybraných materiálov pre technológiu DMLS [4], [5], [6]

Direct Metal 20

Materiál je svojou konzistenciou veľmi jemným práškom na báze bronzu, ktorý sa označuje DM 20. Bol špeciálne vyvinutý pre potreby tavenia kovu technológiou DMLS. Výhodou tohto materiálu je vyššia rýchlosť stavby a ľahké dokončenie povrchu vyrobeného komponentu. Výsledné diely ponúkajú dobré mechanické vlastnosti s výborným rozlíšením detailu a kvalitou povrchu. Povrch výrobku možno ľahko dokončiť obrábaním alebo môže byť veľmi ľahko vyleštený. Tento materiál je ideálny na výrobu funkčných kovových prototypov, zároveň je vhodný na výrobu prototypových či malosériových vstrekovacích foriem [4].

Nehrdzavejúca oceľ (GP1)

Tento typ ocele je charakteristický vysokou koróznou odolnosťou a dobrými mechanickými parametrami. Zloženie ocele zodpovedá US klasifikácii 17-4 a európskej 1.4542. Spĺňa požiadavky AMS 5643 pre Mn, Mo, Ni, Si, C, Cr a Cu. Vyrobené súčasti sa môžu ďalej opracúvať obrábaním, leštením alebo môžu byť zvárané. Tento materiál je ideálny na výrobu funkčných kovových prototypov či náhradných dielov [5].

Vysokopevnostná oceľ (MS1)

Maraging Steel alebo vysokopevnostná oceľ je kovový prášok optimalizovaný predovšetkým na prácu na systémoch EOSINT M. Zloženie ocele zodpovedá európskej klasifikácii 1.2709. Tento typ ocele je charakteristický veľmi vysokou pevnosťou a tvrdosťou povrchu. Súčiastky vyrobené z tohto materiálu majú homogénnu štruktúru s tvrdosťou 36-39 HRC a môžu byť ďalej tepelne zušľachtené až na 54 HRC (6 hod. pri 490 °C). Diely možno ďalej obrábať, erodovať, leštiť, rovnako ako konvenčné diely z nástrojovej ocele. Materiál sa bežne používa na výrobu foriem, nástrojov a vysoko záťažových priemyselných komponentov [6].

Aplikácia metódy DMLS v strojárskom priemysle

DMLS postupne získava pozíciu výrobnej metódy na rýchlu a zároveň presnú výrobu plne funkčných prototypových dielov alebo finálnych výrobkov. Proces 3D tlače vytvára vysoko odolné, ale pritom jemné komponenty, ktoré nachádzajú využitie v mnohých odvetviach, ako je letectvo, automobilový a elektronický priemysel, medicína, spotrebný tovar, architektúra atď. Široké pole uplatnenia je hlavne v oblasti foriem a nástrojov na výrobu plastových či kovových výrobkov – prototypové a malosériové formy, tvarovo zložité vložky a jadrá s chladiacimi kanálmi na rýchlejší odvod tepla [7].

Metódy rýchlej výroby nástrojov a foriem na vstrekovanie tvoria jednu z dôležitých oblastí využitia technológie DMLS v strojárskom priemysle. Najmä pri zhotovovaní foriem je hlavnou výhodou, že výrobný čas nie je príliš ovplyvnený zložitosťou geometrie dutiny formy na rozdiel od výroby konvenčnými technológiami. V prípade prototypových či malosériových foriem sa bežne používa výroba tvarových vložiek do univerzálnych rámov. Ako materiál formy sa väčšinou volí zliatina bronzu (Direct Metal 20) s ohľadom na rýchlosť stavby a jednoduché dokončenie povrchu dutiny. Životnosť tohto typu foriem závisí od druhu vstrekovaného materiálu, ale približne sa pohybuje do 2 000 ks výliskov. Prototypové formy sú vhodné pre zákazníkov, ktorí potrebujú získať prototypy už zo sériových materiálov a priamo si tak overiť vstrekovací proces, funkčnosť a mechanické vlastnosti výliskov a pod. Malosériové formy sú navrhované pre série výliskov tisíc kusov v rade. Konštrukčné riešenie a mechanika formy zodpovedá tomuto zadaniu. Pri zložitejších výliskoch sa forma rozoberá ručne [7].

Metóda DMLS je len jedna z mnohých metód RP, ktorá nachádza uplatnenie v strojárskom, konkrétne v automobilovom priemysle pri vývoji a výrobe súčastí. Okrem tohto uplatnenia možno metódu DMLS aplikovať pri výrobe súčastí pre crash testy, dielov na overenie funkčnosti a zmontovateľnosti (záves kapoty, zámkové systémy) alebo pri výrobe vysoko záťažových komponentov v závodných autách. Metódu možno využiť aj pri výrobe luxusnejších modelov automobilov, kde sa využíva na výrobu tvarovo komplikovaných dizajnových prvkov. K hlavným dôvodom aplikácie metódy DMLS v daných odvetviach sa radí rýchlosť, ktorá je spojená s geometrickou zložitosťou vyrábaných dielov [7].

Záver

Komponenty vyrábané technológiou DMLS sú vysoko odolné a využívajú sa v mnohých výrobných i nevýrobných odvetviach. Ako každá metóda, aj metóda DMLS má výhody aj nevýhody. Za základné výhody možno považovať redukciu výrobného času, vysokú pevnosť a húževnatosť vyrobených dielcov, plne automatickú prevádzku zariadenia, vysokú geometrickú flexibilitu, výrobu dielov priamo z 3D CAD dát od zákazníka, nízku materiálovú spotrebu (neroztavený prášok je znovu využitý) a kompatibilitu s ďalšími procesmi. Avšak na druhej strane technológia potrebuje vyššie obstarávacie náklady na výrobné zariadenia, zariadenie je priestorovo a energeticky náročné, je nevyhnutné aplikovať dokončovacie operácie a veľkosť vyrábaných dielov je čiastočne limitovaná výrobným zariadením [8]. Aj vzhľadom na uvedené nevýhody technológie DMLS možno však konštatovať, že v strojárskom priemysle je široko uplatniteľná pri výrobe foriem, nástrojov, prototypov náhradných dielov a všade tam, kde netreba vyrábať veľké množstvo rovnakých dielov, pričom je nevyhnutná pružná reakcia na požiadavky trhu alebo priania zákazníka.

Poďakovanie

Táto práca vznikla vďaka Agentúre na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-15-0700.

Literatúra

[1] BADIRU, A. B. – VALENCIA, V. V. – LIU, D.: Additive Manufacturing Handbook: Product Development for the Defense Industry. CRC Press 2017. ISBN 9781351645393.

[2] GU, D.: Laser Additive Manufacturing of High-Performance Materials. Springer 2015. ISBN 9783662460894.

[3] Direct Metal Laser Sintering. [online]. Citované 10. 12. 2017. Dostupné na: http://www.custompartnet.com/wu/direct-metal-laser-sintering

[4] Direct Metal and Direct Steel Materials: Material data sheet. [online]. Citované 11. 12. 2017. Dostupné na: < http://www.innomia.cz/files/tinymce/files/dm20-eng.pdf>

[5] EOS Stainless Steel GP1: Material data sheet. [online]. Citované 11. 12. 2017. Dostupné na: http://gpiprototype.com/images/PDF/EOS_StainlessSteel-GP1_en.pdf

[6] EOS Maraging Steel MS1: Material data sheet. [online]. Citované 11. 12. 2017. Dostupné na: http://ip-saas-eos-cms.s3.amazonaws.com/public/1af123af9a636e61/042696652ecc69142c8518dc772dc113/EOS_MaragingSteel_MS1_en.pdf

[7] MILEWSKI, J. O.: Additive Manufacturing of Metals: From Fundamental Technology to Rocket Nozzles, Medical Implants, and Custom Jewelry. Springer 2017. ISBN 9783319582054.

[8] ROZKOŠNÝ, L.: Technologie DMLS - 3D tisk kovů. In: MM Průmyslové spektrum, 2017, č. 4, s. 108. ISSN 1212-2572.

[9] TROMANS, G.: Developments in Rapid Casting. John Wiley & Sons 2003. ISBN 9781860583902.

Ing. Darina Dupláková, PhD.
Dr. h. c. prof. Ing. Jozef Zajac, CSc.

Technická univerzita v Košiciach
Fakulta výrobných technológií so sídlom v Prešove
Katedra počítačovej podpory výrobných technológií
Štúrova 31, 08001 Prešov

doc. Ing. Michal Hatala, PhD.

Technická univerzita v Košiciach
Fakulta výrobných technológií so sídlom v Prešove
Katedra automobilových a výrobných technológií
Štúrova 31, 08001 Prešov

doc. Ing. et Ing. Mgr. Jana Petrů, Ph.D.

VŠB – Technická univerzita Ostrava
Katedra obrábania, montáže a strojárenskej metrológie
17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava – Poruba

prof. dr. hab. inż. Stanisław Legutko

Politechnika Poznańska
Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania
ul. Piotrowo 3, 60 – 965 Poznań