Dlaczego druk 3D z metalu bywa mylony z nadrukiem na powierzchni metalu

Wielu osobom pojęcie druku na metalu kojarzy się wyłącznie z kolorowymi grafikami na aluminiowych tabliczkach lub dekoracyjnych panelach. Tymczasem przestrzenne wytwarzanie z metalu to zupełnie inna technologia oparta na inżynieryjnej produkcji addytywnej. W jej wyniku powstają pełne oraz w pełni funkcjonalne elementy z drobnego proszku. Pomyłka bierze się ze zbieżności nazw w mowie potocznej. Zwykłe nadrukowywanie grafiki stanowi jedynie powierzchowną obróbkę dekoracyjną. Z kolei zaawansowany druk addytywny buduje fizyczną objętość i wewnętrzną strukturę części od podstaw.

Jak działa budowanie części z proszku metalowego?

W technologii selektywnego topienia laserowego maszyna wykorzystuje drobnoziarnisty proszek metalowy. Precyzyjna wiązka lasera topi kolejne warstwy materiału o grubości od 20 do 100 mikronów. Kiedy jedna płaszczyzna jest gotowa, platforma robocza opuszcza się o ułamek milimetra. Urządzenie nanosi następną porcję proszku, a laser spieka zarys docelowego przedmiotu zgodnie z wgranym modelem trójwymiarowym. Cykl powtarza się nieprzerwanie aż do momentu ukończenia całego detalu. Właśnie dlatego tak często podkreśla się różnicę technologiczną. Przemysłowy druk na metalu oznacza najczęściej naniesienie warstwy ozdobnej na gotowy arkusz, natomiast procesy proszkowe to tworzenie skomplikowanej geometrii zupełnie od zera.

Po zakończeniu głównego procesu operator maszyny usuwa niewykorzystany materiał roboczy z komory. Gotowy element przechodzi następnie obróbkę termiczną w specjalnym piecu. Taki zabieg skutecznie redukuje wewnętrzne naprężenia materiału powstałe podczas gwałtownego topienia laserem.

Projektując części do tej formy produkcji, inżynierowie muszą uwzględniać rygorystyczne reguły konstrukcyjne. Wymiary końcowe nie są idealne, ponieważ standardowe tolerancje technologiczne wynoszą od ±0,1 do ±0,2 milimetra. Konstruktorzy na etapie rysunku technicznego przyjmują również, że minimalna bezpieczna grubość ścianki wynosi 0,5 milimetra. Wytrzymałość końcowa elementu zależy od wybranego stopu, ale wymaga zoptymalizowania kształtu pod kątem kierunku układania warstw. Części posiadające kąt nachylenia powyżej 45 stopni bezwzględnie potrzebują wygenerowania specjalnych struktur podporowych. Pozwala to uniknąć zapadania się płynnego metalu podczas fazy chłodzenia.

Różnice materiałów i ich zastosowanie w motoryzacji

Dobór odpowiedniego stopu bezpośrednio warunkuje późniejsze zachowanie detalu w pojeździe. Powszechnie stosowana stal nierdzewna 316L zapewnia wysoką odporność na korozję oraz wytrzymałość rzędu od 500 do 600 MPa. Taki materiał świetnie sprawdza się w przypadku elementów podwozia i niestandardowych uchwytów, które pracują w bardzo wilgotnym środowisku. Z kolei stop aluminium AlSi10Mg wyróżnia się niezwykle niską masą i dobrą przewodnością cieplną. Przy gęstości około 2,7 g/cm³ i wytrzymałości dochodzącej do 400 MPa inżynierowie tworzą z niego wydajne radiatory oraz skomplikowane obudowy silnikowe. W wymagającym sporcie motorowym królują natomiast lekkie stopy tytanu takie jak Ti6Al4V. Gwarantują one najwyższy stosunek wytrzymałości mechanicznej do masy na poziomie około 1100 MPa. Służą do produkcji wahaczy i komponentów napędowych znoszących stałą temperaturę roboczą sięgającą 400 stopni Celsjusza.

Wytwarzanie przestrzenne z proszków metalowych zyskuje znaczną przewagę ekonomiczną przy budowie prototypów oraz szybkiej produkcji małoseryjnej. Opłaca się to szczególnie tam, gdzie bardzo skomplikowana geometria wewnętrzna uniemożliwia tradycyjne frezowanie na maszynach CNC lub odlewanie. Warsztaty samochodowe chętnie zamawiają w ten sposób rzadkie, trudno dostępne mocowania. Przedsiębiorstwo 3D Tarnawa realizuje zlecenia na produkcję takich prototypowych elementów z materiałów proszkowych, dostarczając gotowe zamienniki nawet w ciągu jednego dnia. Należy jednak pamiętać o podstawowych ograniczeniach samej technologii addytywnej. Jeśli dany projekt zakłada masową produkcję tysięcy powtarzalnych i bardzo prostych kształtów, klasyczna obróbka skrawaniem pozostaje rozwiązaniem tańszym w przeliczeniu na pojedynczą sztukę.

Zrozumienie technicznej różnicy między nakładaniem warstw na gotowy przedmiot a budowaniem go z proszku ułatwia prawidłowe zaplanowanie całego cyklu wytwarzania. Przed zleceniem wykonania detalu inżynierowie dokładnie analizują jego docelowe środowisko pracy. Weryfikują, czy projektowany element będzie przenosił głównie obciążenia statyczne, czy może musi wytrzymać silne uderzenia dynamiczne. Sprawdzają również temperatury panujące pod maską pojazdu oraz ogólne ryzyko wystąpienia korozji w danym węźle. Te zebrane informacje pozwalają trafnie wytypować odpowiedni gatunek proszku. Na samym końcu określa się ostateczne tolerancje wymiarowe i akceptowalną chropowatość powierzchni po wyjęciu detalu z drukarki. Dopiero pełna analiza techniczna decyduje o tym, czy wydrukowany zamiennik bezpiecznie spełni swoje zadanie w prawdziwym mechanizmie.