Čeští a rakouští vědci spojili síly při zpracování hořčíkových slitin pro 3D tisk odlehčených dílů i biomedicínských implantátů. Využili k tomu technologie Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) a Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Nově vyvinuté slitiny dosahují lepších vlastností než momentálně známé komerční produkty a vědci věří, že v budoucnu mohou být také cenově konkurenceschopné.
Zatímco zpracování hliníkových či titanových slitin aditivní výrobou je již etablováno v nejrůznějších průmyslových aplikacích, použití hořčíkových slitin je zatím omezeno na výzkumné studie. Větší rozšíření omezuje řada problémů specifická pro hořčíkové materiály. Zpracování hořčíkových sl it in pomocí LPBF je výzvou kvůli nízké teplotě vypařování hořčíku, vytváření velkého objemu rozstřiku a rychlé oxidaci. Manipulace s Mg prášky je však bezpečnostním rizikem kvůli jeho reaktivní povaze, zejména při malých velikostech částic prášku používaných při LPBF procesu. Technologie WAAM tuto nevýhodu nemá, neboť pracuje s materiálem ve formě drátu. Nicméně je omezena minimální velikostí součásti, protože tloušťka stěny závisí na použitém průměru drátu a v současné době je omezena na přibližně 3 mm při použití drátu o průměru 0,8 mm. Menší části pak vyžadují dodatečné následné obrobení. Nastavení procesu WAAM však vyžaduje přesnou kontrolu vnášeného tepla a současně dosahované mechanické vlastnosti vykazují sníženou mez kluzu.
Nové, lepší slitiny
V průběhu řešení projektu bylo zkoumáno šest hořčíkových slitin, čtyři na bázi Mg-Al legované Ca a Mn pro vysokopevnostní aplikace a dvě na bázi Mg-Zn a Mg-Mn, které neobsahují hliník a vyznačují se vysokou tažností a odolností proti korozi. Zajímavých výsledků se podařilo dosáhnout u slitiny AX13 (Al-Zn-Ca-Mn) zpracované WAAM technologií, která díky jemné disperzi fází Mg-Al-(Ca) (viz obr. 1) a vysokému podílu hliníku obsaženého v tuhém roztoku dosahuje meze kluzu (Rp0,2) přes 190 MPa. To překonává pevnostní parametry některých hliníkových slitin při současné o 33 % nižší hustotě materiálu. Rovněž slitina AZ91D zpracovaná technologií LPBF dosáhla velmi dobrých pevnostních vlastností Rp0,2 > 180 MPa při tažnosti A5,65 > 5,2 % a poréznosti (< 0,5 %), a překonává tedy hodnoty běžně dosahované u tohoto materiálu odléváním.
Vylepšené procesy
Kromě vývoje slitin se projekt ReMaP věnoval zlepšení celého procesního řetězce aditivní výroby. Zde se podařilo vylepšit jak proces výroby drátu, tak zpracování prášku. Kromě nově implementované navíječky pro výrobu drátů stojí za zmínku především atomizér pro výrobu prášku z drátů (obr. 2a). Jeho pořízení a zprovoznění v laboratořích NETME Centre na Fakultě strojního inženýrství VUT v Brně bylo jedním z prvních důležitých kroků v projektu. Atomizér umí, laicky řečeno, udělat z kovového drátu malé kulové částice o velikosti mikrometru (obr. 2b). Vznikne tak jemný prášek použitelný do 3D tiskárny. Výzvou pro výzkumníky bylo využití atomizéru pro hořčíkové slitiny. Výrobce měl atomizér vyzkoušený pouze na hliníkových či titanových slitinách, na hořčíkové jej ale dosud nikdo nepoužíval. Dráty z nově vyvíjených slitin dodávali rakouští partneři, tým z brněnské strojní fakulty se staral o atomizaci a ověření vhodnosti materiálu pro 3D tisk. Celý proces byl prověřen výrobou demonstračních vzorků oběma technologiemi (obr. 3). Další kroky se budou soustředit na charakterizaci vyrobených vzorků z pohledu korozní odolnosti a navazující vývoj pro průmyslové partnery. /doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D. bit.ly/projectReMaP/
