A 3D nyomtatás csak egy kis szelete az additív gyártásnak

Sokszor használják szinonimaként a 3D nyomtatást és az additív gyártást. Mi a különbség a két kifejezés között?

A 3D nyomtatás alapja az egyszerű tintasugaras nyomtató. A tintasugaras nyomtató két koordináta mentén juttatja fel a tintacseppeket a papírra, oda, ahová szükséges, ezért nevezik a folyamatot nyomtatásnak. Ennek mintájára különböző porokból, például gipszporból készítettek modelleket bemutató jelleggel, ahol a tinta helyett kötőanyagot juttattak a felvitt porrétegbe, ami megkötötte a porszemcséket, ahol kellett és újabb porréteg felterítése után az új rétegbe is a meghatározott testmodell adott rétegének követelményei alapján ismét kötőanyagot juttattak.

Az első 3D nyomtatással készült termékek akkor lényegében tervrajzok voltak?

Olyan tervek, amik esetében a tárgyakat kézbe lehetett venni. Például egy autó esetében egy hátsólámpaburát a már kész autóhoz illesztik, és 3D nyomtatással készített termékkel nézik meg, hogyan mutatna a lámpa a többi dizájnelemhez képest.

Az első 3D nyomtatással kapcsolatos élményem Münchenben volt, egy lézeres kiállításon. Az egyik egyetemi tanszék bemutatót szervezett a mobiltelefongyártásról: az ügyfél elmondta, milyen telefont szeretne, majd ezek alapján készítettek egy CAD-modellt, ez két órán belül elkészült. Az ügyfél még kért néhány módosítást, majd a kész tervek alapján kért egy prototípust. Ekkor kétféle eljárás létezett a gyorsprototípus-gyártásra: vagy műanyagporból készítették, vagy sztereolitográfiával.

A sztereolitográfia egy olyan technológia, amikor folyékony műanyag van egy edényben, amiben egy kis lift tartja a készítendő darabot, és ez úgy van kialakítva, hogy egy motor tudja süllyeszteni a tárolóedényben a tárgyasztalt. Ekkor a folyadék elárasztja az alaplap felszínét, ezt követően egy lézersugárral ott szilárdítják meg a polimert, ahol szükséges. Utána ezt meg lehet ismételni újra és újra (rétegről rétegre) addig, amíg a termék el nem készül. Utókezelés is szükséges, a teljes kikeményítés érdekében.

Egy ilyen demonstrációs eszköz volt kiállítva Münchenben, ezzel készítették el egy telefon prototípusát két óra alatt.

Ez mikor történt?

Ez több mint húsz éve történt, a „sztereolitográfiával” az 1990-es években már elkezdtek foglalkozni.

Milyen technológiái vannak még az additív gyártásnak?

A legelterjedtebb az úgynevezett FDM. Egy megolvasztott huzalt visznek fel a felületre, a kívánalmaknak megfelelő részekre, és ebből épül fel a test.

Egy másik eljárási mód az, amikor porból készítik a termékeket. Míg sztereolitográfiával készített termékeket utólag kellett festeni, addig a műanyagporból előállított eszközöknél később lehetségessé tették, hogy megfelelő színeket használjanak. A műanyagport leterítik, erre a ragasztóanyagot és a színező anyagot úgy fecskendezik be, mint a nyomtató a tintasugarat, adott helyekre. Erre újabb porréteget visznek fel, majd ismét ragasztót fecskendeznek be, és ezt addig ismétlik, amíg a darab el nem készül.

Innen ered a 3D nyomtatás elnevezés?

Igen, ez az eljárás mindenkinek nagyon tetszett, ez a sajtón keresztül a legfelsőbb szintekig eljutott, és elkezdték 3D nyomtatásnak nevezni, először az Egyesült Államokban, onnan ered a technológia. Amikor tényleg a tintasugaras nyomtató mintájára fecskendezik be a ragasztóanyagot, akkor találó a 3D nyomtatás elnevezés, azonban ez olyan gyorsan elterjedt, hogy más eljárásokra is ezt kezdték használni.

Például amikor fémporból készül a fődarab, ott nem erről van szó, azt nem ragasztóval, hanem lézerrel „olvasztják” össze. Erre a technológiára a terhelhetőség miatt volt szükség, a fent említett gipsz, vagy műanyag bemutató darabok csak szemléltetésre voltak jók, de nem terhelhetőek.

Ma a legkorszerűbb fémporral dolgozó berendezések tulajdonképpen fémporágyat, tetszőleges ötvözeteket, vagy akár rozsdamentes acélokat, titán-alumínium-vanádium ötvözeteket használnak, ami orvosi felhasználásra is alkalmas.

Nekünk az egyetemen egy EOS M100 lézersugaras direkt olvasztó berendezésünk van (ezt egy NVKP_16-1-2016-0022; NKFI Alap-ból megvalósuló projekt támogatásával szereztük be), ami húsz mikrométer vastag fémpor réteget terít, a porszemcsék átmérője 20-40 mikrométer körül van, a lézersugár fókuszfoltja pedig körülbelül ugyanakkora. Ez azért érdekes, mert a lézersugár a porszemcséket megolvasztja, és a sugár az adott síkban egymás mellé kis átfedéssel pásztázza a megolvadt sávokat, ezek a sávok pedig kis mikrohegesztési varratokként maradnak meg. Azért, hogy ne okozzon gondot a geometriai pontosságban a hőfeszültség miatti deformáció (a rétegek között sem a készített darabban), a különböző részterületeket egymástól elforgatott pásztázási iránnyal alakítja ki a lézersugár. A mi berendezésünk maximum száz milliméteres átmérővel 95 milliméter magas darabot tud készíteni, ez kisebb orvosi implantátumokhoz alkalmas, ilyeneket készítettünk is.

Hogyan jött az ötlet, hogy a járműmérnöki karon orvosi eszközöket készítsenek?

Úgy, hogy foglalkoztunk nagy energiasűrűségű eljárásokkal (például plazmaszórás, lézeres felületkezelés stb.), ami a járművek hidraulikus és nagy igénybevételű alkatrészeinél is fontos a kopásállóság miatt. Ez a tulajdonság az orvosi eszközöknél is követelmény. Kiderült, hogy a technológia összes elemét ismerjük annyira, hogy akár testre szabott implantátumokat is tudunk készíteni.

Az additív gyártás mai technológiái esetében tehát már nem beszélhetünk nyomtatásról?

A műanyagos területen is sokat fejlődött az additív technológia, ott is megjelent a lézeres eljárás, de maradt a nyomtatáshoz hasonló rendszer is. Utóbbi esetben megsokszorozták a tintasugarak számát, nem egy fej, hanem több nyomtat párhuzamosan. Ennek köszönhetően például a járművek kilincsei sorozatban is legyárthatóak. A nagyobb cégeknek olcsóbb így gyártani ezeket a termékeket, mint a fröccsöntött műanyagokat és azokhoz a drága szerszámokat, hosszú átfutási idővel elkészíteni.

Ebben az esetben már nemcsak gyorsprototípus-gyártásról, hanem gyorsgyártásról beszélhetünk. Ezért érdemes additív (felépítő) gyártásnak hívni a technológiát, mert szinte hulladékmentesen lehet termékeket előállítani, ellentétben a hagyományos, lebontó gyártással, mint amilyen a forgácsolás is. Azért additív gyártás a technológia neve, mert építésről van szó, porból felépítek egy testet valamilyen eljárás segítségével.

Mi a különbség az egyes eljárási módokkal készített termékek között?

Fontos, hogy az anyagtulajdonságoknak a homogenitása a tér minden irányában lehetőleg azonos legyen. Az egyes eljárásoknál nagy különbség van, például a huzalfelrakásos eljárás (FDM) esetében elég nagy a különbség az építési irányban a függőleges és a vízszintes síkbeli tulajdonságok között. A mikrohegesztéses eljárásoknál sokkal kisebb az eltérés, de kis különbség ezeknél is van.

A felület megtisztítása is fontos kérdés például az áramlástechnika miatt. A hegesztéses technológiának egyik jellemzője, hogy a hegesztőív az ívenergiából adódóan a megolvadt fémeken képes kicsi fémcseppeket fröcskölni. Ezek a cseppek kirepülnek a környezetre, igaz, lehet, hogy csak 5-10 mikrométeres gömböcskék, ám ekkor is el kell őket távolítani, ha letapadnak a termék felületére. Erre külső felületeken a szemcseszórás, belső felületeken a vegyi marás a megoldás.

Mitől függ, hogy mikor melyik eljárást érdemes használni?

A legfontosabb szempont, hogy milyen anyagot akarok előállítani, és annak milyen tulajdonságai érdekesek. Milyen szilárdságú anyagra, milyen hőtűrésre van szükségem? Ha például a hőállóság a fontos, akkor el lehet menni a kerámia irányába.

Fontos szempont lehet a költség is: melyik technológia mennyire költséges?

A fémporos eljárásoknál a berendezés a legköltségesebb része ennek a technológiának. Igaz, hogy az utóbbi időben már lehet kapni otthonra is FDM technológiás berendezéseket, akár néhány tízezer vagy százezer forintért is. A lézeres gépek száz vagy mérettől függően több százmillió forintba is kerülhetnek.