Van még fejlődési lehetőség a 3D fémnyomtatásban

Az additív fémalkatrészgyártás egyik legelterjedtebb formája a tisztán poralapú nyomtatás. A technológia széles körben használatos az fogászattól az autóiparon át az űriparig. Lényege, hogy a nyomtató építő felületére szórt, vékony réteg fémport az alkatrész aktuálisan beprogramozott keresztmetszetének megfelelő területen egy kiválasztott technológiával megolvasztják, majd a megszilárdult rétegre jön a következő. A módszerrel bonyolult, másképp nem gyártható alkatrészek is elkészíthetők kiváló minőségben. Egyik hátránya azonban, hogy egyes formák kialakításához megerősítésekre, támasztó struktúrákra van szükség a nyomtatás során.

A támasztékok a 3D polimernyomtatással ellentétben valójában nem az alkatrész alátámasztására, sokkal inkább annak leszorítására szolgál, hogy az ne hajoljon el, ne deformálódjon a magas hőmérsékletek hatására a nyomtatás során, és hogy az elgörbülő alkatrészek ne tegyenek kárt a nyomtatóban.

A megerősítést igénylő elemek, mint a túllógások, lyukak és járatok számos termékben jelen vannak, így gyakran kell gondoskodni támasztékok kialakításáról. Tekintve, hogy az additív technológia egyik lényege a gyártás egyszerűsítése, a megerősítések okozta bonyodalmakat mielőbb el kellene hárítani. Polimernyomtatás esetén a támasztékok könnyen eltávolíthatók utólag, fémalkatrészekről azonban nehéz, ezáltal időigényes és gazdaságtalan, az alkatrészen pedig felületi hibák maradnak.

Tervezési kihívások

Támasztékok tervezése szempontjából az egyik problémás dizájnelem a túllógás. Ha egy vízszintes felülethez képest a felfelé álló túllógás vízszintessel bezárt szöge 45 foknál kisebb, az alkatrészt nem lehet megtámasztás nélkül nyomtatni. Lehetséges megoldás, ha más irányból építik fel az alkatrészt, vagy áttervezik azt. Az előbbi módszer nem jelent megoldást, ha a termék kör alakú, például egy turbina járókereke. Ezeket sokszor megpróbálják 45 fokban elfordított helyzetben nyomtatni, ám ilyenkor a legkisebb pontatlanság vagy deformálódás is a forgó alkatrészek oly fontos tulajdonságának, a tengelyes szimmetriának rovására mehet. A 45 fokban elforgatott gyártás továbbá azért sem szerencsés, mert a lézeres, poralapú 3D nyomtatás réteges jellege miatt az alkatrész mechanikai tulajdonságai a függőleges tengely mentén eltérhetnek az X és Y tengelyekéhez képest, így a termék strapabírósága a ferde kialakítással kevéssé kalkulálható. Felmerül a felületminőség kérdése, amit az alkatrész különböző mértékben elforgatott nyomtatása erősen befolyásol – vízszintben készített termék esetén ha vannak is eltérések, azok legalább szimmetrikusan futnak. Az ilyenkor szóba kerülő utólagos felületkezelés ötlete mindaddig releváns, amíg az additív technológia másik kulcsfontosságú tulajdonsága, az egyedülállóan bonyolult struktúrák kialakítása színre nem lép. A hozzáférhetetlen belső kialakítású alkatrészeknél tehát a felületkezelés nem opció. Zajlottak kísérletek abrazív folyadékos megoldással, ám ilyenkor a leválasztott anyag mennyisége nem szabályozható kellő pontossággal.

A lyukak és járatok esetén is szükség van támasztásra, ha azok átmérője meghaladja a 8-10 millimétert. Egyesek próbálkoztak alternatív tervezési megoldásokkal – csepp, ellipszis, vagy rombusz keresztmetszetű járatokkal kísérleteztek. Ugyan a gyártástechnológiai problémára ezek a módszerek hatásos választ adtak, a kör keresztmetszethez képest ezek a járatok sokkal kevésbé látták el feladatukat, ami a folyadékok és gázok áramlási hatékonyságának biztosítása. A rombusz és a csepp keresztmetszet további hátránya, hogy a sarokpont(ok)ra emelt él(ek) mentén nyomás alá helyezett közeget szállítva túl nagy lehet az anyag feszültsége.

Van megoldás

Az elengedhetetlennek látszó támasztások komplex problémájára az amerikai VELO3D vállalat kínál megoldást. A SupportFree névre hallgató, támasztásokat nélkülöző technológiájuk lényege, hogy a nyomtatás szöge egy fok töredékének pontosságával beállítható, így a túllógásokkal teletűzdelt alkatrészek is megerősítések nélkül gyárthatók. A lyukak és járatok esetén a támasztást nem igénylő maximális átmérő 100 milliméterre növekedhet. A technológia segítségével a tervezők ahelyett, hogy a kompromisszumokat tanulnák meg meghozni, élvezhetik az additív gyártás hozta tervezési szabadságot, a funkcionalitást szem előtt tartva a gyárthatósággal szemben.

A SupportFree haszna a gyakorlatban

A támasztások elhagyhatóságából leginkább azok a járatok húznak hasznot, melyekben folyadékok vagy gázok áramolnak, illetve amiken hőcsere megy végbe. Ilyenek például a mikroturbinák, járókerekek és leömlők. A Sierra Turbines cég a VELO3D technológiájával készítette el vezető nélküli légi járművekbe szerelt hibrid meghajtásokhoz használt mikroturbináját. A turbina karbantartás-igénye negyvenszer kisebb, energiasűrűsége tízszeresére nőtt, tömege pedig fele annyi lett támasztások nélkül nyomtatva. A korábban 61 alkatrészből álló egységet ma már additív módszerrel, egy darabként nyomtatják. Az elemzések során kiderült, a VELO3D technológiája az egyetlen, amivel anélkül voltak elérhetők ezek az előnyök, hogy az egységet át kellett volna tervezni — áll a MachineDesign írásában.