Lehetőségek és korlátok az additív gyártásban

Nem látjuk őket, de ott vannak: ipari gázok a 21. század digitális gyártási eljárásaiban

2018. december 04., kedd, 06:00

Címkék: 3d fémnyomtatás 3D nyomtatás additív additív gyártás fémnyomtatás gázipar ipari gáz Messer Hungarogáz

A 3D nyomtatás hőskorában – ami mindössze 20 éve volt – még papírt használtak a modellek létrehozásához. Az eljárást a prototípus-készítés felgyorsítására fejlesztették ki. A koncepció életképesnek bizonyult, és bár az eredeti rendeltetése mára alapjaiban változott meg, az additív gyártás (AM) alapelve, a termék rétegről rétegre történő felépítésének eljárása mit sem változott az idők folyamán.

A gyors prototípusgyártás tehát már nem kihívás, a valódi cél a digitális gyártás (amelyben CAD- vagy más adatok felhasználásával vezéreljük az additív gyártógépet) tökéletesítése és a 3D nyomtatott tömeggyártás megvalósítása. Az additív gyártás úttörői, a vezető gépgyártók és technológiafejlesztők milliárdos befektetései ehhez egy meredeken felfelé ívelő új fejlődési szakaszba lendítették az additív gyártást.

Az additív gyártás előnyei és felhasználási területei

Az AM térhódítása azon iparágakban a legmagasabb, ahol az eljárás nagyobb hozzáadott értéke meghaladja a vele járó magasabb termelési költségeket. Ilyen hozzáadott érték a jobb termékfunkcionalitás, nagyobb gyártási hatékonyság, könnyebb testreszabhatóság, rövidebb piacra kerülési idő és a kitolódott elavulás. A tudásintenzív ágazatokban – például az űrkutatásban, az autóiparban és az orvosi iparban – felgyorsul a prototípus-készítés, lehetővé válik teljesen új tervezési jellemzők kiaknázása, és felesleges költségek nélkül teljesen egyedi termékek hozhatók létre. A nagy értékű termékeket alacsonyabb volumenben előállító vállalkozások rugalmasabb gyártási folyamatokat hozhatnak létre kevesebb alkatrésszel, kisebb anyagfelhasználással és még a komplex termékekhez is rövidebb összeszerelési idővel. A karbantartással és javítással foglalkozó alkatrészintenzív szektorok számára a rövidebb piacra kerülési idő, a lokális és igény szerinti gyártás, valamint a hagyományos beszállítóktól való függetlenség a legvonzóbb lehetőségek.

               1. ábra: Forgácsolással készült*                              2. ábra: 3D nyomtatással készült*

3D nyomtatással, a bionikus tervezésnek, topológiaoptimalizálásnak köszönhetően, különleges geometriák valósíthatók meg, akár olyanok, amelyek a hagyományos eljárásokkal gyárthatatlanok lennének. Egy szemléletes példa: Hagyományos forgácsolással készült monoblokk hidraulikus szelep (1. ábra) 3D nyomtatásra áttervezett, azonos alapanyagból (AlSi10MG) készült optimalizált szerkezete látható a nyomtatási alaplemezen (2. ábra). [1] A térfogat és súlycsökkentés adatait az 1. táblázat tartalmazza, amelyben egy harmadik változat is szerepel, nagyobb szakítószilárdsággal rendelkező saválló alapanyagból (SS316L) legyártva/nyomtatva, amely lehetővé tette a kisebb falvastagságú vezetékek alkalmazását. [2]

1. táblázat*

Anyag

AlSi10Mg

AlSi10Mg

SS316L

Térfogat (m3)

9,6

4,65 (–52%)

2,04 (–79%)

Tömeg (kg)

25,6

12,3 (–52%)

16,3 (–37%)

* Forrás: Renishaw

A fémnyomtatás nagy előnye, hogy a gyártás során csak a szükséges anyagmennyiség kerül felhasználásra. Alacsonyabb energiafelhasználással készülnek el az egyes munkadarabok, kevesebb a hulladék, kisebb a szállítási költség. Az additív eljárásoknál az alkatrész teljes térfogatában egységes mikrostruktúra és egyenletesebb kémiai összetétel alakul ki a gyors megszilárdulás következtében. A fémnyomtatás másik kiemelt előnye, hogy lehetővé teszi az egyedi alkatrészek, protézisek, szenzorokkal integrált komplex darabok gyors elkészítését.

Folyamatosan bővül azonban az additív gyártásban felhasználható anyagok köre. A már kifejlesztett és még fejlesztés alatt álló polimerek széles választéka mellett léteznek már kerámia, üveg, papír, fa, cement, grafén, sőt még élő sejtek nyomtatására szolgáló folyamatok és gépek is. A 21. század gyártási metódusa már napjainkban is olyan szektorok számára nyújt segítséget, mint az autó- és légiipar, a fogyasztási cikkek előállítása (beleértve az élelmiszereket is), illetve az egészségügy (ahol a mesterséges emberi szöveteket additív gyártással állítják elő).

A légi- és autóiparban a súlycsökkentés az igazi hajtóerő. A légi közlekedésben 0,5 kg súlycsökkentés mintegy 53 000 liter üzemanyag-csökkentést eredményezhet évente. [3] Az energetikai szektorban a turbinalapátok, komplex üzemanyag-befecskendezők létrehozásában hatalmas szerep jut a nyomtatásnak. Egyre több termék gyártásánál kísérleteznek azzal, hogy a hagyományos eljárásokat innovatív technológiára cseréljék, csökkentve ezzel a CO2-kibocsátást.

Az additív gyártás napjainkban

Míg korábban a fémnyomtatási technológiákkal készült darabok a prototípusgyártást forradalmasították, 70-75 százalékkal csökkentve a prototípusok előállításának idejét, addig napjainkban a szériatermelés kerül előtérbe. Az alkatrészgyártás területén a hagyományos eljárásokhoz képest az additív fémnyomtatás 40–85 százalékkal gyorsabban képes előállítani bonyolult geometriájú alkatrészeket. [4] Az így elkészült darabok közül egyre több fémnyomtatott alkatrész felel meg a szigorú ellenőrzéseken és kapja meg a gyártástechnológiai jóváhagyást.

Az alapanyaggyártás újdonságai

A repülőgépiparban tapasztalt rohamos és töretlen fejlődés visszahat a 3D nyomtatás technológiai megújulására is. Számos új nyomtatható alapanyagot, pl. SCALMALLOY (szkadmium, alumínium, magnézium ötvözetet), köszönhetünk annak, hogy ebben az iparágban felkapott gyártási eljárássá váltak az additív megmunkálások. [5] Az alapanyaggyártók is egyre jobb minőségű és egyre kisebb (15–50 µm) szemcseátmérőjű porokat kínálnak a gyártóknak (3. ábra). Ezeknek köszönhetően a nyomtatott termékek felületi érdessége csökken, finomabb részletek nyomtatását teszik lehetővé. Az alapanyaggyártásban jelentős szerepet kapnak a plazma-, gáz- és konfigurációs atomizációs technológiák, amelyek kiváló minőségű fémporok előállítására alkalmasak.

 3. ábra (Forrás: Metal Additive Manufacturing)

Az additív gyártás láthatatlan szereplői

A gázok láthatatlanok, szerepük mégis lényeges az additív gyártás során. Az eljárás, illetve az alapanyag függvényében különböző tisztaságú gázokat alkalmaznak védő, szállító vagy hűtési feladatokra. Az atomizációs gyártás során a titánötvözetekhez argont, míg egyéb fémekhez nitrogént alkalmaznak. A Messer az additív eljárások számára Addline néven új termékcsoportot hozott létre (4. ábra).

4. ábra

A gázoknak fontos szerep jut az alapanyagok, minőségi porok gyártásánál, valamint a 3D nyomtatási környezetben a nedvesség és az oxigén távol tartásában, továbbá hatással vannak a gyors olvasztási és szilárdulási folyamatra. A megfelelő gázáram eltávolítja a keletkező fémgőzöket, részecskéket, amelyek a lézersugár energiájának részbeni elnyelésével instabillá tehetik a nyomtatási folyamatot. Tekintettel arra, hogy a jelenlegi berendezéseknél a lézerteljesítményt a munkatér tetején mérik, a gázmennyiség megfelelő szabályozásának fontos szerepe van az állandó minőség biztosításában. Nagyon fontos a munkatér tisztán tartásában a gyors és folyamatos gázcsere. Ezen a területen folyamatosan fejlesztenek a gépgyártók, egyre nagyobb teljesítményű gázkeringtetőket építenek be a gépekbe.

Az oxigén jelenléte nem kívánatos, ezért az additív gyártási környezetben a cél a 100 ppm (0,01%) alatti oxigénszint biztosítása volna. Az ehhez alkalmazott gázok 5.0 tisztaságúak (99,999%), amelyek 2 ppm alatti O2 és 3 ppm H2O szennyezőt tartalmazhatnak. A saválló acéloknál, pl. inconel 625 vagy maraging acélok, a tényleges megmunkálás során az oxigénszint 100 és 200 ppm között van. A titánötvözetek esetében annak nagy reaktivitása, illetve gázelnyelő képessége miatt ezt lehetetlen betartani. Ezeknél az oxigén jóval nagyobb arányban van jelen a nyomtatási folyamatnál. Az alapanyagfajtától, a csomagolástól, raktározástól függően az első nyomtatás alkalmával 500 és 1 000 ppm között található a porokban az oxigén mennyisége. A Ti6Al4V alapanyag specifikációjában maximális O2 értékként 0,13% szerepel. Egy átlagos 30 µm TiAl4V porszemcse oxigéntartalmának eloszlását mutatja az 5. ábra. Amíg a szemcse felületén kialakuló oxidréteg közel 5 nm vastagságban 40% O2-mennyiséget tartalmaz, addig a belseje 0,08% O2-tartalommal rendelkezik. Minél finomabb szemcsés az alapanyag, annál nagyobb a felszín térfogata, amelyből a folyamat során felszabadul az oxigén. [6]

5. ábra (Forrás: Renishaw)

6. ábra (Forrás: Renishaw)

Az olvasztás alkalmával felszabaduló oxigén egy része az olvadékban marad, másik részét a hőhatást ért porok és a szétfröccsenő részecskék veszik fel (6. ábra). A porszemcsék felülete jóval nagyobb, mint a keletkezett varrat felülete, ezért a felszabaduló oxigén egy része hizlalni fogja a porszemcséket. A nyomtatási folyamat alatt a gázvédelem ellenére a porok fokozatosan oxigént vesznek fel. Többszöri felhasználás alkalmával a gömbök átmérője egyre nagyobb a felületen képződő oxidréteg miatt. Ezt mutatja be a 7. ábra, ahol a „szűz” porról, majd a 19 nyomtatásban és 38 nyomtatásban felhasznált porokról készült felvétel látható. Ezért korlátozzák a már használt porok újrafelhasználását, és kiemelt fejlesztési irány a porok felhasználás előtti osztályozása és az elhasznált porok válogatása. [7]

7. ábra (Forrás: Renishaw)

A 3D nyomtatás kihívásai

  • Az egyik nagy probléma a nyomtatott darab anizotrópiája. A termék mechanikai tulajdonságai erősen függenek a rétegek elhelyezkedésétől. A rétegekre merőleges irányban a szakítószilárdság rosszabb, mint a rétegek hosszában.
  • Az alapanyag porok hővezető képessége sokkal rosszabb, mint a tömör anyagé, ezért µm nagyságrendben túlmelegedésekkel, illetve szinterhatásokkal kell számolni, a már elkészült kontúrhoz hozzátapad a részben megolvadt alapanyag (8. ábra).
  • A hőfeszültségek miatt repedések, illetve elhúzódások, deformációk keletkezhetnek.

A fent említett problémák nagyrészt megoldhatók a darab megfelelő orientációjával kombinálva a feszültségállapot meghatározását követő deformációkompenzációval. A módszer lényege, hogy a nyomtatásnál figyelembe veszik a kinyomtatott darab eltéréseit. A nyomtatási szoftverben a deformációkkal ellentétes irányba módosítják a nyomtatási programot. Ezzel az eljárással tízszer kisebbek lesznek az eltérések. [8]

8. ábra (Forrás: Additiveworks)

Piaci potenciál

Számos elemző vélekedik úgy, hogy az AM közvetlen piaca 2020-ra 20 milliárd dollár fölé bővül majd – ez azonban a teljes gépipari piacnak még mindig csak a töredékét jelentené. Vannak azonban olyan számítások, miszerint az additív gyártás által létrehozott általános gazdasági hatás ennél jóval magasabb, 2025-re 100 és 250 milliárd dollár közé eső szintet érhet el, amennyiben térhódítása a jelenlegi ütemben folytatódik. Ez a potenciál nagyrészt az autó-, a légi-, az orvosi, illetve a hadiiparból, valamint a fogyasztási cikkek gyártásából adódik.

Az additív gyártás megannyi előnye ellenére az iparnak továbbra is komoly kihívásokkal kell megküzdenie az eljárás teljes potenciáljának kihasználásához:

Tervezés

  • A tervezési ismeretek – például az anyagok hosszú távú viselkedésével kapcsolatos tapasztalat, vagy az additív gyártásra optimalizált konstrukciók létrehozásához szükséges tudás – hiánya
  • A konstrukciós innovációk iparjogával kapcsolatos magas kockázatok

Gyártás

  • Magas gyártási költségek (anyagköltség, a ciklusidőre vonatkozó határok)
  • Méretbeli korlátok
  • Termékminőségre (a felhasznált anyagokra, azok kombinálhatóságára, rugalmasságára és felületminőségére) vonatkozó korlátok
  • A minőségi gépgyártók limitált számából adódó függőség

Szolgáltatások

  • Az iparág-specifikus (például a gyártási műveletre vonatkozó) teszteljárások szűkössége
  • A beszállítói hálózat szerkezeti hiányosságai
  • Az ellátási lánc esetleges megszakadása

Halász Gábor

EWE/IWE

Messer Hungarogáz

hegesztés-vágás szaktanácsadó

Szakirodalom:

  1. www.renishaw.com – Metal additive manufacturing brochure (H-5800-3031-01-B_EN-Brochure-Metal-Additive-Manufacturing-Screen.pdf)
  2. Tomas Kellner – Mind Meld: How GE And A 3D-Printing Visionary Joined Forces; 2017. július 10. (https://www.ge.com/reports/mind-meld-ge-3d-printing-visionary-joined-forces/)
  3. www.stratasysdirect.com – Flightplan_Infographic Stratasys.pdf
  4. Siemens infografika – Additive manufacturing (infografic_additive_manufacturing_english.pdf)
  5. www.apworks.de – Scalmalloy@ State of the art high-strength alloy (1707711_AIRBUS-APWORKS-SCALMALLOY_Overview.pdf)
  6. Marc Saunders – Oxygen algebra – when it stops adding up; 2017. január 4.(https://www.linkedin.com/pulse/oxygen-algebra-when-stops-adding-up-marc-saunders)
  7. Marc Saunders – AM’ s dirty little secret; 2016. július 6. (www. linkedin.com/pulse/ams-dirty-little secret-marc-saunders)
  8. Niels Keller – Simulation Aided Additive Manufacturing; Additiveworks – 10. Laser
    Anwendungforum Bias Bremen, 2016. november 23–24.
Keresés
Bejelentkezés / Regisztráció
Média Partnerek