Drukowanie 3D metali

Druk 3D metali przekształcił się z niszowej metody badawczej w solidne rozwiązanie przemysłowe. Umożliwia produkcję w pełni funkcjonalnych, wysokowydajnych komponentów z materiałów takich jak stal nierdzewna, tytan, aluminium i kobalt-chrom – bez konieczności stosowania form, narzędzi lub obróbki subtraktywnej. Jest on obecnie wykorzystywany w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, medycznym i narzędziowym do dostarczania wytrzymałych, lekkich i złożonych geometrycznie części.

Czy można drukować metal w 3D?

Tak – i jest bardziej zaawansowana niż kiedykolwiek. Druk 3D z metalu nie jest teoretyczną możliwością; jest to uznana technologia już wykorzystywana w krytycznych zastosowaniach. Czy drukarka 3D może drukować metal? Oczywiście – ale wymaga to specjalnego sprzętu i materiałów dostosowanych do wysokich temperatur, kontrolowanej atmosfery i zarządzania drobnym proszkiem.

Jak działa drukowanie 3D z metalu

Druk 3D z metalu opiera się na technikach fuzji złoża proszku lub bezpośredniego osadzania energii. W najpopularniejszej metodzie – laserowej fuzji proszkowej (LPBF) – cienka warstwa proszku do druku 3D z metalu jest rozprowadzana na płycie roboczej. Laser o dużej mocy selektywnie topi proszek w określonych obszarach, warstwa po warstwie, tworząc ostateczną geometrię. Po każdej warstwie platforma lekko się obniża i nakładana jest nowa warstwa proszku.

Proces ten trwa do momentu, aż część zostanie w pełni uformowana i zamknięta w niewykorzystanym proszku. Następnie obiekt poddawany jest spiekaniu w procesie druku 3D lub obróbce cieplnej w celu zmniejszenia naprężeń wewnętrznych i poprawy właściwości mechanicznych.

Metody druku 3D z metalu

Istnieje kilka głównych technologii druku 3D z metalu:

Fabuła / Technologia	LPBF (Laser)	EBM (wiązka elektronów)	DED (bezpośrednie osadzanie)	Binder Jetting
Źródło ciepła	Laser	Wiązka elektronów	Laser lub łuk plazmowy	Brak (spoiwo + piec)
Forma materiału	Proszek	Proszek	Proszek lub drut	Proszek
Atmosfera	Gaz obojętny (argon)	Próżnia	Powietrze obojętne lub otwarte	Otoczenie
Wykończenie powierzchni	Fine (wysoka szczegółowość)	Umiarkowany	Gruboziarnisty	Drobne po spiekaniu
Szybkość budowania	Średni	Szybko	Szybko	Bardzo szybko
Najlepsze dla	Części precyzyjne	Stopy wysokotemperaturowe	Duże naprawy lub budowy	Tanie części seryjne
Przetwarzanie końcowe	Części precyzyjne	Wymagane	Opcjonalnie (obróbka)	Obowiązkowe (spiekanie)

Materiały metalowe do druku 3D

Drukarki 3D do metalu mogą przetwarzać szeroką gamę stopów, w tym:

stale nierdzewne (np. 316L) – odporne na korozję i niedrogie,
stopy tytanu (np. Ti-6Al-4V) – wytrzymałe, lekkie i biokompatybilne,
stopy aluminium – dobry stosunek wytrzymałości do masy i przewodność cieplna,
kobalt-chrom – dla wysokiej odporności na zużycie i zastosowań dentystycznych/medycznych,
stale narzędziowe – do produkcji hartowanych płytek, matryc i narzędzi skrawających.

Każdy metal do drukarek 3D jest formułowany jako drobny proszek, zwykle o średnicy 15-45 mikronów, zapewniający optymalny przepływ i stapianie.

Zastosowania druku 3D w metalu

Druk 3D z metalu jest szeroko stosowany w:

lotnictwo i kosmonautyka – lekkie wsporniki, elementy konstrukcyjne, części turbin,
medyczne – implanty dla pacjentów, urządzenia ortopedyczne, korony dentystyczne,
motoryzacja i sporty motorowe – komponenty wyczynowe, wymienniki ciepła, obudowy,
oprzyrządowanie – wkładki do form wtryskowych z chłodzeniem konformalnym, przyrządy, osprzęt,
obrona i energia – złożone geometrie nieosiągalne przy odlewaniu lub obróbce skrawaniem.

Jego największa siła leży w produkcji części o małej i średniej objętości z dużą personalizacją, zwłaszcza gdy kluczowe znaczenie ma oszczędność masy lub swoboda projektowania.

Zastosowania druku 3D w metalu

Koszt druku 3D z metalu pozostaje wyższy niż druku z polimerów ze względu na złożoność maszyny, wymagania dotyczące gazu obojętnego, ceny proszków i przetwarzanie końcowe. Systemy przemysłowe kosztują zazwyczaj od 200 000 do ponad 1 miliona dolarów, podczas gdy proszki mogą kosztować 300-700 dolarów za kilogram. Zwrot z inwestycji jest jednak wyraźny w zastosowaniach, w których tradycyjna produkcja wymagałaby kosztownego oprzyrządowania, długiego czasu realizacji lub konsolidacji części.

Istnieją projekty open source drukarek 3D do metalu, ale mają one głównie charakter eksperymentalny. Prawdziwie przemysłowa jakość druku z metalu wymaga ścisłej kontroli nad ciepłem, tlenem i precyzją – obecnie jest to osiągalne tylko przy użyciu maszyn klasy komercyjnej.

Jak wytrzymały jest metal drukowany w 3D?

Części metalowe drukowane w 3D mogą być równie wytrzymałe – a w niektórych przypadkach nawet mocniejsze – jak te wytwarzane w procesie odlewania lub obróbki skrawaniem. Po obróbce cieplnej wytrzymałość na rozciąganie i zmęczenie często dorównują standardom materiałów kutych. Przy odpowiedniej kontroli parametrów, tolerancje druku 3D z metalu i integralność mechaniczna spełniają wymagania krytycznych certyfikatów lotniczych i medycznych.

Wnioski

Druk 3D metali nie jest już tylko wschodzącą technologią – to sprawdzona strategia produkcyjna. Oferuje niezrównaną swobodę projektowania, doskonałe właściwości materiału i możliwość tworzenia złożonych geometrii, które są niemożliwe do obróbki maszynowej.

W miarę dojrzewania produkcji dodatków metalowych, pytanie nie brzmi już, czy można drukować metal w 3D, ale w jaki sposób można go wykorzystać do zmiany sposobu wytwarzania rzeczy?

← Poprzedni

Polimery w druku 3D

Następny →

Biokompatybilne materiały do druku 3D

Zobacz także