Jak vyrobit plně funkční kovové díly přímo z 3D CAD dat

CO JE DMLS? Direct Metal Laser Sintering (DMLS) je revoluční technologie umožňující vyrobit plně funkční kovové díly přímo z 3D CAD dat, přičemž odpadá investice do výrobních nástrojů a technologií, což přináší značnou úsporu nákladů a času. Kovové díly vyrobené technologií DMLS jsou z hlediska mechanických vlastností plně srovnatelné s obráběnými či odlévanými díly. Spektrum aplikací DMLS technologie je velmi široké – od prototypů, přes malosériové díly až po finální, individualizované výrobky. Výhody procesu rostou s tvarovou komplexností dílů – čím je geometrie výrobku složitější co do tvaru a četnosti výskytu detailních prvků, tím je technologie DMLS ekonomicky efektivnější. DMLS je technologie založená na postupném tavení velmi jemných vrstev kovového prášku pomocí laserového paprsku. 3D CAD model výrobku je nejprve „rozřezán“ na jednotlivé vrstvy, díl je pak stavěn vrstvu po vrstvě. Energie laserového paprsku lokálně taví kovový prášek pouze v konturách řezu, který je definován průnikem dané roviny (vrstvy) tělesem (3D CAD modelem) výrobku. V průběhu stavby dílu je nezbytná fixace správné polohy dílu pomocí podpůrné struktury, která je ukotvena k základní ocelové platformě. Podpůrné prvky jsou stavěny vrstvu po vrstvě zároveň s výrobkem. Minimální tloušťka vrstvy je 20 mikronů. Laser důkladně taví kov ve formě prášku, a tím je zajištěno dokonalé spojení jednotlivých vrstev. Výkonný 200 Ytterbium (Yb)-fibre „dual spot“ laser (zařízení EOSINT M 270) umožňuje dosažení jemného rozlišení detailu a díky vyšší hustotě energie je i rychlost stavby dílu vyšší v porovnání s předchozím typem zařízení EOSINT M 250, které bylo vybaveno CO2 laserem. Laserový paprsek je precizně řízen v x a y souřadnicích, osa z je řízena posunem platformy o 20 mikronů při změně vrstvy, což umožňuje dodržení tvarových tolerancí v rozmezí ±0,1 mm. Pracovní prostor zařízení EOSINT M270 je 250 x 250 x 215 mm. Tento rozsah umožňuje výrobu dílů malé až střední velikosti v rozmezí několika hodin či dnů oproti dnům až týdnům při využití tradičních technologií. Po spuštění procesu zařízení pracuje v plně automatickém režimu 24 hodin denně. Po zakončení výrobního procesu je platforma s výrobky vyjmuta z pracovního prostoru zařízení a díly jsou odděleny od platformy. Dokončovací operace jsou nezbytnou součástí výrobního procesu. Nejprve je nutno odstranit podpůrné struktury z povrchu výrobku, povrch lze dále tryskat, brousit, leštit či obrábět stejným způsobem jako klasický kovový materiál. Principiální výhodou přímé výroby kovových dílů pomocí DMLS procesu je fakt, že odpadá potřeba výrobního nářadí (forem, lisovacích nástrojů,…). Nespotřebovaný prášek je z 98 % znova využíván pro výrobu, tzn. že proces je ekonomický a zároveň ekologický. DMLS umožňuje vytvářet vnější i vnitřní tvary součástí (jakkoli složité) zároveň, což v důsledku přináší možnost přímé výroby tvarově komplexních dílů, které by dříve bylo nezbytné z technologických důvodů vyrobit z několika součástí - je zde určitý potenciál úspory výrobních nákladů, zkrácení doby kompletace a zvýšení spolehlivosti. DMLS proces umožňuje aplikovat drobné konstrukční variace pro každý jednotlivý díl, tzn. výrobu produktů optimalizovaných dle individuálních požadavků zákazníka. MATERIÁLY Výběr materiálů je široký - od lehkých slitin přes oceli až po superslitiny a kompozity. Firma EOS vyvinula specifické slitiny pro DMLS proces a zároveň optimalizovala standardní průmyslové materiály, jako např. nerezové oceli. DIRECT METAL 20 (DM 20): - velmi jemný multikomponentní prášek na bázi bronzu. Výsledné díly nabízí dobré mechanické vlastnosti s výborným rozlišením detailu a kvalitou povrchu. Povrch výrobku lze snadno dokončit tryskáním nebo může být velmi snadno vyleštěn. Tento materiál je ideální pro výrobu funkčních kovových prototypů, zároveň je vhodný pro výrobu prototypových či malosériových vstřikovacích forem. DIRECT STEEL 20 (DS 20): - velmi jemný multikomponentní prášek na bázi oceli, nabízí vysokou pevnost, tvrdost, otěruvzdornost a hustotu povrchu. Rychlost výroby v porovnání s DM 20 je nižší, vzhledem k nutnosti důkladného protavení povrchu dílu. Tento materiál nachází využití zejména při výrobě vstřikovacích forem a funkčních prototypů. NEREZOVÁ OCEL (EOS SS 17-4): - nerezová ocel ve formě jemného prášku. Složení odpovídá US klasifikaci 17-4, evropské normě 1.4542 a splňuje požadavky AMS 5643 pro Mn, Mo, Ni, Si, C, Cr a Cu. Tento typ oceli je charakteristický vysokou korozní odolností a mechanickými parametry. Výrobky mohou být dále opracovány tryskáním, obráběním, leštěním, mohou být svařovány či pokoveny. Tento materiál je ideální pro výrobu funkčních kovových prototypů, individualizovaných dílů či náhradních dílů. MARTENZITICKÁ OCEL 1.2709 (EOS MS 1): - martenzitická ocel ve formě jemného prášku. Složení odpovídá US klasifikaci 18 Maraging 300, evropské 1.2709 a německé X3NiCoMoTi 18-9-5. Tento typ oceli je charakteristický velmi vysokou pevností a tvrdostí povrchu. Je snadno obrobitelná a následně vytvrditelná až na 54 HRC. Materiál se běžně používá pro výrobu forem a nástrojů či vysoce zatěžovaných průmyslových součástí. KOBALT CHROM (EOS CC MP1): - EOS Cobalt Chrome MP1 je směs jemného prášku, ze kterého lze na zařízení EOSINT M270 získat díly z Cobalt Chrome Molybden superslitiny. Tato superslitina je charakteristická excelentními mechanickými parametry (pevnost, tvrdost …), korozní a teplotní odolností. Slitina se běžně používá pro medicínské aplikace (implantáty, zubní náhrady) a také pro výrobu vysoce tepelně zatěžovaných součástí (letecké motory). TITAN (EOS TI 64 / TI64ELI): - Ti6AlV4 slitina ve formě jemného prášku. Pro tuto lehkou slitinu jsou charakteristické excelentní mechanické vlastnosti a korozní odolnost v kombinaci s nízkou specifickou hmotností a biokompatibilitou. Materiál se používá zejména v letectví, při výrobě závodních automobilů a v medicínských aplikacích (implantáty). APLIKACE DMLS postupně získává pozici výrobní metody pro rychlou a zároveň přesnou výrobu plně funkčních prototypových dílů nebo finálních výrobků pro rozmanité aplikace. Proces vytváří vysoce odolné, ale přitom jemné komponenty, které nachází využití v mnoha odvětvích, včetně letectví, automobilového, elektronického či obalářského průmyslu a medicíny. Široké pole uplatnění získává v oblasti výroby forem a nástrojů pro výrobu plastových, keramických či kovových výrobků (prototypové formy, malosériové formy, tvarově složité vložky, jádra s chladicími kanály optimalizovanými dle tvaru a složitosti dutiny pro rychlejší odvod tepla). Zejména v plastikářství lze vhodnou aplikací DMLS dosáhnout redukcí odformovacích časů zvýšení produktivity procesu, zkrácení výrobní lhůty forem a lepší kvality dílů. Pole působnosti technologie DMLS je velice široké a neustále se rozrůstá, vzhledem k tomu, že technologie je relativně nová – zhruba 15 let – potenciál využití nebyl dosud dostatečně prozkoumán. S neustále rostoucí rychlostí zařízení a stále se rozšiřujícím počtem materiálů vzrůstá i rozsah aplikací této technologie. V České republice bylo zařízení EOSINT M270 instalováno poprvé v únoru 2007. Zařízení bylo pořízeno v rámci projektu „Založení a rozvoj Klastru OMNIPACK“, který je spolufinancovaný z prostředků státního rozpočtu a Strukturálních fondů EU. Odborné informace o zařízení EOSINT M270 lze získat na adrese www.innomia.cz.