facebook LinkedIN LinkedIN - follow
IT SYSTEMS 4/2024 , CAD/CAM/CAE/PLM/3D tisk

3D tisk kovů je nová výzva a trend, ale především výrazná konkurenční výhoda

Ing. Matyáš Chaloupka


Ve světě průmyslu se technologie neustále vyvíjí a hledají se nové způsoby, jak zefektivnit výrobní procesy – mezi inovace, které se již do průmyslového sektoru neodmyslitelně zařadily, patří i 3D tisk kovů. Firmy začínají objevovat nové možnosti, které tato technologie nabízí, a to zejména v oblastech, kde konvenční výrobní procesy dosahují svých limitů. Vybírat mohou z širokého portfolia technologií, které se liší možnostmi využití a cílovou aplikací.


3D tisk kovů je jednou z nejnovějších oblastí 3D tisku a bývá považován za jeho dosavadní vrchol. Mezi jeho klíčové přednosti patří schopnost vytvářet díly s komplexními geometriemi a složitými vnitřními strukturami, které by nebylo možné vyrobit tradičními metodami. To otevírá nové možnosti v oblastech jako je letecký a automobilový průmysl nebo zdravotnictví. V současné době kovový 3D tisk prochází dynamickým vývojem a s rostoucím zájmem a investicemi do této oblasti se dá očekávat, že se postupně stane běžnou technologií v průmyslovém sektoru. Firmy, které budou schopny využít potenciál 3D tisku kovů, tak budou mít konkurenční výhodu a schopnost lépe reagovat na měnící se potřeby a požadavky zákazníků.


3D tištěný hydraulický rozvaděč do stroje značky John Deere, foto: autor

Není kov jako kov

Titan, hliník, měď, niklové slitiny, kobalt-chrom, nerezové a nástrojové oceli, wolfram, ale i drahé kovy jako je zlato nebo stříbro. Všechny tyto kovy je možné k 3D tisku využít. Některé z materiálů jsou však vhodnější než jiné. Například reaktivní materiály, jako je hliník nebo titan, může být kvůli jejich náchylnosti k oxidaci obtížnější zpracovat. Nejčastěji proto bývají využívány materiály jako jsou nerezové a nástrojové oceli, které se snáze zpracovávají a jsou cenově dostupné. Kromě kovů je navíc možné také tisknout keramické materiály nebo karbidy, které mají specifické vlastnosti a nacházejí uplatnění v různých odvětvích průmyslu.

Nespočet technologií a možností využití

Pro aditivní výrobu kovových součástí se využívají různé výrobní technologie, které se liší jednak typem použitého vstupního materiálu, ale také způsobem jeho tavení či spojování. Mezi zatím nejčastěji používané vstupní materiály patří kovový prášek. Od svých počátků v roce 2004 prošel 3D tisk kovu dynamickým vývojem a přichází stále nové technologie, které tento typ aditivní výroby posouvají kupředu. Právě volba té optimální technologie dokáže zvýšit ekonomiku provozu, produktivitu a tím i konkurenceschopnost výroby či zkrátit čas potřebný k vývoji nových produktů. Pokusíme se vám představit ty nejvíce používané a průlomové technologie, které pomalu ale jistě přepisují historii průmyslové výroby.

Binder Jetting cílí na sériovou výrobu menších kovových dílů, jeho výhodou je vysoká produktivita.

Trend ve světě 3D tisku s názvem Binder Jetting

Jednou z nejnovějších inovací v oblasti kovového 3D tisku je tech­no­lo­gie známá jako Binder Jetting. Tato metoda přináší revoluční přístup k vytváření složitých kovových dílů s vysokou přesností a pro­duk­ti­vi­tou. Binder Jetting vychází z technologie Metal Injection Molding (MIM), která je oblíbená především pro výrobu malých a komplexních dílů z těžko obrobitelných kovů. Hojně se používá při výrobě dílů elektroniky, medicínských produktů nebo střelných zbraní.

Binder Jetting je proces, který cílí na sériovou výrobu kovových součástí. Jednou z hlavních výhod této technologie je právě její produktivita. Tato metoda pracuje na principu spojování kovového prášku pojivem, pomocí kterého je schopna vytisknout tiskovou vrstvu na jediné přejetí tiskové hlavy. To zajišťuje rychlé a efektivní tiskové procesy. Díly vyrobené tímto způsobem mohou být volně loženy v kovovém prášku bez nutnosti tisku podpor, což dále zvyšuje produktivitu výroby. Součástí výrobního procesu je také následné slinování ve vysokoteplotní peci – dojde k vypálení pojiva a zbývající kovové částice se slinují dohromady. Technologie Binder Jetting se nejčastěji využívá pro výrobu menších a komplexních dílů vážících mezi 30 a 600 gramy, což odpovídá dílům přibližně do velikosti tenisového míčku. Prostřednictvím technologie lze vytisknout i větší díly, avšak z hlediska produktivity a ekonomičnosti provozu je uvedené rozmezí nejvhodnější.

Potenciál technologie Binder Jetting začíná rezonovat mezi předními hráči v oboru 3D tisku, kteří tímto směrem začínají upínat svou pozornost a vývojové kapacity. V současné době hovoříme celosvětově teprve o několika desítkách instalacích, ale technologie začíná udávat trend pro kovovou sériovou výrobu drobných dílů. Již v současnou chvíli ji používají firmy jako například John Deere a Schneider Electric a brzy bude dostupná i pro tuzemské výrobce. Technologii Binder Jetting od HP plánuje na český trh přivést v letošním roce společnost 3Dees Industries.


3D tištěný kovový díl technologií HP Metal Jet, která je příkladem aplikace Binder Jettingu, Foto: Autodesk

Vedoucí postavení si zatím drží laser

Světově nejrozšířenější a nejpoužívanější technologií v oblasti kovového 3D tisku je Laser Powder Bed Fusion (LPBF), která k tavení a spojování kovového prášku využívá laserového paprsku jakožto zdroje energie. Tenká vrstva prášku je rovnoměrně rozprostřena přes pracovní plochu, a zdroj energie poté selektivně roztaví nebo spéká materiál, který je potřebný pro danou vrstvu. Následně se tisková platforma posune dolů, aby uvolnila místo pro další vrstvu. Tento proces se následně opakuje až do vytisknutí celého dílu.

Jedná se o velmi variabilní metodu, která je schopna vytvářet tenkostěnné i tlustostěnné geometrie různorodých velikostí. Výsledkem je produkt s velmi jemným detailem a vysokou přesností. Tato metoda je aktivně používána například v leteckém a vesmírném průmyslu, kde topologická optimalizace dílů může ušetřit hmotnost a provozní náklady strojů. V posledních letech se začínají objevovat i cenově dostupnější zařízení, která cílí na tradičnější průmyslové oblasti jako je výroba prototypů, nástrojů či automatizaci.

Technologií Laser Powder Bed Fusion lze vyrábět vytvářet geometrie různorodých velikostí s velmi jemným detailem a vysokou přesností.

Řešení pro přísně certifikovaná odvětví

Další technologií je Electron Beam Melting, která je stejně jako předchozí zmiňovaná založená na spékání kovového prášku. Klíčovým rozdílem oproti technologii LPBF je použitý zdroj energie. Narozdíl od laseru k tavení využívá elektronového svazku, pomocí kterého spéká kovové částice a postupně vytváří požadovaný díl vrstvu po vrstvě.

Zařízení této technologie kovového 3D tisku jsou finančně i objemově náročnější než ty laserové. U spékání pomocí elektronového svazku však nedochází k takovému vnitřnímu pnutí v dílu, a nabízí tak v některých ohledech lepší vlastnosti koncového výrobku, které mohou být vyžadovány v odvětvích, kde je kladen velký důraz na certifikace. Tato technologie bývá nejčastěji aplikována například v medicíně při výrobě dílů do kloubních náhrad nebo také v oblasti leteckého průmyslu, kde v současnosti existují desítky certifikovaných dílů leteckých motorů.

Technologie Electron Beam Melting nabízí v některých ohledech lepší vlastnosti koncového výrobku a nachází uplatnění například v medicíně.

Levnější alternativa

Direct Energy Deposition (DED) je skupina technologií, která využívá zdroj energie zaměřený na konkrétní bod, kam je zároveň přiváděn vstupní materiál. Dle technologie může být vstupním materiálem kovový prášek, ale i obyčejný svařovací drát, který mnohdy představuje finančně nejpřívětivější variantu. Zařízení DED může využívat k vytvoření taveniny různé zdroje energie, včetně elektronového paprsku, laseru nebo elektrického oblouku. Tato technologie je vhodná pro hrubší a méně detailní díly a nachází uplatnění zejména v průmyslových aplikacích, kde je důležitá rychlost a efektivita výroby. Velmi častá bývá kombinace technologie DED a průmyslového robota, což je velmi efektivní a ekonomická varianta tisku velkých objektů.


Využití 3D tištěného kovového dílu v jističi Schneider Electric

Budoucnost kovového 3D tisku

Technologie kovového 3D tisku má potenciál výrazně zefektivnit procesy v kovovýrobě a snížit množství odpadů ve srovnání s tradičními metodami, jako je samotné CNC obrábění. Právě kombinace tradičních a nových technologií může přinést synergii, která bude pro udržitelnou výrobu naprosto nezbytná. Přestože neustále se posouvající oblast kovového 3D tisku stále provází výzvy, odborníci se shodují v názoru, že se v blízké budoucnosti několika následujících let stane nezbytnou součástí pro firmy, které s obráběním kovů pracují.

Technologie 3D tisku kovů se nepochybně stává nositelem ekonomičtější výroby malých sérií – ať již hovoříme o předprodukci či výrobě náhradních dílů. Umožňuje výrazné zkrácení dodacích termínů či času potřebného k vývoji nových produktů. Společnosti, které budou včas přijímat a investovat do této inovativní technologie, si mohou otevřít cestu k dosažení větší efektivity, konkurenceschopnosti a udržitelnosti ve svém odvětví.

Matyáš Chaloupka Ing. Matyáš Chaloupka
Autor článku je Sales & Application Engineer ve společnosti 3Dees Industries
Chcete získat časopis IT Systems s tímto a mnoha dalšími články z oblasti informačních systémů a řízení podnikové informatiky? Objednejte si předplatné nebo konkrétní vydání časopisu IT Systems z našeho archivu.