Utópia: 3D fémnyomtatás, formák igény szerint

Változó időkben élünk. Az energiaforradalom kora, a geopolitikai feszültségek és a bizonytalan szállítási láncok szinte minden nap próbára tesznek bennünket. A tárgyalások ezekről a témákról gyakran ellentmondásosak és hevesek. De egy dolog biztos: a gyártás még sosem volt ilyen kihívást jelentő—hiszen a jövőben hatékonyabbnak, gyorsabbnak, rugalmasabbnak, költséghatékonyabbnak, környezetbarátabbnak kell majd lennie. És itt jön képbe a fém 3D nyomtatása.

Mi is az a 3D fémnyomtatás pontosan?

A 3D fémnyomtatás, hasonlóan más 3D nyomtatási folyamatokhoz, egy olyan gyártási technika, amely jelentősen átalakította sok termék gyártását mind technikailag, mind gazdaságilag. A termék rétegről rétegre történő építése, ami tegnap még csak a sci-fi világába tartozott, ma már valóság. Háromdimenziós tárgyak készülnek egy alapanyag réteges, hozzáadásos felépítésével. Az ipari 3D nyomtatás teret nyert számos ágazatban, mivel növeli a vállalatok rugalmasságát és ezáltal versenyképességét. Potenciális alkalmazások találhatók az autóiparban, az elektronikai és háztartási cikkek területén, az olaj- és gáziparban, a repülőgépiparban, az erőműépítésben, a szerszámkészítésben, az orvosi eszközgyártásban és az építőiparban is.

Számos előny és lehetőség a 3D fémnyomtatásban

A klasszikus gyártási technikák gyakran összetett formák és eszközök kialakítását igénylik, hosszú előkészítési időkkel és magas beállítási költségekkel járnak. Az additív gyártás jelentősen lerövidíti a fejlesztési ciklusokat. Az igény szerinti alkatrészek nyomtatása felgyorsítja a prototípus készítést, lehetővé teszi a just-in-time gyártást – megszünteti a tartalék alkatrész raktározását és az ehhez kapcsolódó költségeket – illetve jelentősen egyszerűsíti a javítási munkálatokat.
Ha tartalék alkatrészekre van szükség, a megfelelő “recepteket” kiválasztják a szoftverben, és szükség szerint nyomtatják vagy másolják. Korlátok aligha léteznek az alkatrész geometriájára. Még a nagyon bonyolult méhsejt szerkezetek és az üreges szerkezetek is elkészíthetők. A fémek 3D nyomtatása különleges előnyt kínál a prototípus készítésben, mivel a tervezési problémákat korai szakaszban felismerhetik és kijavíthatják, anélkül, hogy bonyolult és költséges formák készülnének. Eközben a folyamat felgyorsítja az innovációt és növeli a vállalat termelékenységét. A forma és a teherbírás szempontjából optimalizált nyomtatott alkatrészek gyakran könnyebbek a hagyományosnál, és csökkenthetik a repülőgépek vagy járművek üzemanyag-fogyasztását, miközben növelik a szállítójárművek teherbírását.

3D fémnyomtatás magas szintű hegesztés-technológiával

Különféle additív módszerek állnak rendelkezésre a 3D nyomtatási folyamatokhoz. A tárgyak rétegről rétegre épülnek fel és alakulnak ki az anyag egyes rétegeinek összekapcsolásával. Folyamatait két alapvető típusra osztják: por alapú és huzal alapú. A por alapú folyamatokban a rétegeket olvasztott fémporral építik fel. A leggyakoribb módszer, a porágyas folyamat, ami magas fokú pontossággal büszkélkedhet, de viszonylag lassú. A huzal alapú folyamat a munkadarab felépítését azáltal végzi, hogy a huzalt megolvasztja, legyen az elektronsugár, lézer vagy villamos ív használatával. Ezeknek a folyamatoknak magas lerakási sebessége van, így segítenek csökkenteni a gyártási időket.
A huzal-ív közvetlen energia bevitelű ívhegesztés, röviden DED-Arc, villamos ív alapú és a fogyóelektródás ívhegesztési eljárást (GMAW) használja. Ennek a 3D fém nyomtatási változatnak akár 4 kg/óra lerakási sebessége is lehet, de ez a szám a jövőben várhatóan növekedni fog, amint bevezetésre kerülnek a speciális eljárások és többhuzalos megoldások. Az eszköz- és anyagköltségek fontos tényezők a nyomtatási folyamat kiválasztásánál. A DED-Arc módszer központjában egy stabil hegesztő rendszer áll. Nincs szükség drága vákuumkamrákra, mint az elektronsugaras eljárásban. “A megfelelő hegesztési pálya, a hegesztési paraméterek és folyamatok kritikusak a kiváló nyomtatott eredmény szempontjából” – magyarázza Philipp Roithinger, az additív gyártás szakértője. “Emellett szükség van egy automatizált hegesztő rendszerre, amely biztosítja, hogy a hegesztőpisztoly pontosan kövesse a pályát. A mai magas minőségű hegesztő robotok +/- 0,02 mm-es pálya- és ismétlési pontosságot tudnak.”

Nagy térfogatú 3D fémnyomtatás alkalmazása alkatrészgyártásra

A DED-Arc-nál használt hegesztési folyamat stabilitása és hőmérséklet szabálzása elengedhetetlen. A folyamatnak alacsony energiaigényűnek kell lennie, vagyis “hidegnek” kell lennie annak érdekében, hogy ne vigyen be túl sok hőt az alkatrészbe. A hegesztett rétegeknek egyenleteseknek és homogénnek kell lenniük. Ha valamilyen hiba jelentkezne, azok minden következő rétegben ismétlődnének.
Az intelligens folyamatvezérlési változatokkal a különleges Cold Metal Transfer (CMT) ívhegesztési folyamat már megfelel az additív gyártás hegesztési technológiájára helyezett magas követelményeinknek. “A CMT-t az extrém stabil ív jellemzi, és lehetővé teszi a szabályzott hőbevitelt” – magyarázza Roithinger, hozzátéve: “A folyamat szinte fröcskölésmentes anyagátvitelt tesz lehetővé, ami segít a hibák megelőzésében és a javítási munka csökkentésében. Ezenkívül a CMT lehetővé teszi, hogy kiváló lerakási sebességet érjünk el, és ellenőrizzük minden csepp leválását, így még pontosabban dolgozhatunk. Ráadásul a CMT Additive Proval-t tovább optimalizáltuk az additív gyártás számára annak érdekében, hogy biztosítsuk a stabil rétegstruktúrát és jobb hőkezelést.”

Az ív megfigyelése 3D fémnyomtatással

A magas technológiai felszerelések ellenére még mindig szükséges, hogy a hegesztési szakemberek folyamatosan figyeljék az ívet és a cseppek leválását. Erre különleges kamerarendszereket lehet használni a hegesztési munka monitorozására és a lehetséges hibák észlelésére, így a hegesztő szükség esetén azonnal beavatkozhat. Például az ArcView 2 egy folyamatvezérelt kamera, amely lehetővé teszi a folyamat közvetlen megfigyelését a munkaterületről. A kamera kristálytiszta képeket szállít milliomod másodperces tartományban. Az egyes fotókat a rövidzárlati fázisban készítik, azaz pontosan azon pillanatban, amikor nincs ívfény jelen. Sok ilyen kép biztosítja a hegesztési szakértőknek a tökéletes valós idejű videót a folyamatvezérléshez. Ez megtekinthető egy képernyőn a hegesztőrobot celláján kívül, biztosítva a hegesztők számára a legmagasabb szintű védelmet az ív sugárzása ellen.

Gazdasági és környezeti fenntarthatóság

Az additív gyártással szembeni alternatívák lehetnének a forgácsolási eljárások, de ezek sok hulladékot termelnek, mivel a szükséges alkatrészeket fém blokkokból vágják ki. Ha egy üreges testtel dolgozunk, akkor a hulladék mennyisége hatalmas. Az additív gyártás esetén rétegről rétegre állítjuk elő az alkatrészt, így utána csak a javításra van szükség. Ezenkívül ez nem mindig szükséges. A anyagfelhasználás ezért sokkal alacsonyabb a szokásos gyártási módszerekhez képest. Azokban a helyzetekben, amikor például a marás során bizonyos testeken az anyag 80%-a elveszik, az additív gyártás során – például a DED-Arc segítségével – a veszteség gyakran csak 20%, és a veszteség csak a javítás során jelentkezik.
“Nézzünk egy figyelemre méltó példát: az alábbi képen látható fém hajócsavar 3D fémnyomtatással készült. Ha egy blokkból martuk volna ki, akkor a blokk mérete 60 x 90 x 90 cm lett volna, és kb. 4 tonnát nyomna, míg a kész alkatrész súlya alig több mint 100 kg” – mondja Roithinger.

A 3D fémnyomtatás jövője a Fronius-nál

„Az additív hegesztési folyamat hatalmas potenciállal rendelkezik. Ahogy mindig, amikor új technológiák jelennek meg a piacon, mindig van valamilyen kezdeti nehézség, mielőtt megtalálnák a megfelelő alkalmazásokat, és a technológia elkezdene virágozni. A DED-Arc még mindig fiatal a többi 3D módszerhez képest” – magyarázza Roithinger. „Azonban már most is hatalmas a kereslet a sérült alkatrészek helyreállítására és javítására. A 3D fémnyomtatás lehetővé teszi számunkra, hogy évekkel meghosszabbítsuk néhány alkatrész élettartamát, mint például a hajócsavarokat vagy csigaszállítókat. De ez még nem minden: az összes lehetséges tartalékalkatrészt igény szerint nyomtathatjuk. Sok kereskedelmi és ipari vállalat független lesz a helytől és a szállítási időtől, ami versenyképesebbé teszi őket – és ez létfontosságú. Emellett sokat megtakaríthatnak a felesleges tárolási költségeken.”
A Fronius mérnökei az additív folyamatot egy új szintre emelik annak érdekében, hogy növeljék a 3D fémnyomtatás lehetséges alkalmazási területeinek skáláját, és még stabilabb folyamatot érjenek el. „A mi víziónk az, hogy előbb vagy utóbb rögtön a tervezési fázis után elkezdünk nyomtatni úgy, hogy a 3D nyomtató azonnal tökéletes eredményt hozzon. Miután ez a technológia kialakult, egyszerűen csak digitális recepteket kellene fejleszteni az alkatrészek helyett. Ezek akkor tartalmaznák a szükséges nyomtatási utasításokat a hegesztési pályákkal, hegesztési paraméterekkel, várakozási időkkel, és mindazzal, amire a felhasználónak szüksége van. Az ügyfélnek csak azt kellene tennie, hogy feltölti a receptet az automatizált rendszer számítógépére – a vezérlő rendszerre – és megnyomja a ‘Nyomtatás’ gombot” – teszi hozzá Roithinger, a Fronius innovációs csapatának gondolatait záró megjegyzésként.