Technológia

3D fémnyomtatás alapismeretek – DMLS (Direct Metal Laser Sintering) technológia ismertetése

I. Tervezési dokumentációval kapcsolatos követelmények:

1. A modellnek meg kell felelnie a műszaki ábrázolás alapszabályainak, valamint az ezen az oldalon lentebb található VII. pontban leírtaknak,
2. A modellre minimum 0,5 mm-es ráhagyást kell rakni oda, ahol a rajzi előírások megkövetelik azt, mivel a nyomtatás felületi minősége általában elmarad az előírttól,
3. A modell (.step) mellé kérjük csatoljon egy (.pdf vagy .dwg formátumú) rajzot is,
4. A költséghatékonyság és a rövid határidő érdekében, ha lehetőség van rá, akkor küldjön nekünk egy .stl kiterjesztésű megfelelően behálózott modellt is.

II. Berendezés általános működése:

1. A porterítő minden nyomtatási ciklus elején egy körülbelül 0,02-0,04 mm vastag porréteget terít el egyenletesen az építési területen, amelyet ezután egy nagyenergiájú lézer az előre meghatározott területeken lokálisan megolvaszt.
2. A következő lépésben a porterítő visszamegy alaphelyzetbe, az alapanyagtároló tartály egy rétegvastagságnyival megemelkedik, míg az építési asztal egy rétegnyit lesüllyed. A porterítő csak ezután kezdi meg a következő réteg egyenletes felhordását.
Majd a lézer ezt a réteget is megolvasztja, hozzáköti az előző réteghez és egy így megy tovább rétegről-rétegre.
3. Ahogy a munkadarabunk rétegről rétegre épül fel, úgy süllyed egyre mélyebbre a munkaasztal szintje és emelkedik egyre magasabbra az alapanyagtartály alja..
4. Amikor az utolsó réteget is megolvasztotta a lézer, az építési folyamat végéhez értünk. Ezután óvatosan fel kell járatni a munkaasztalt valamint leereszteni a portartályt alsó pozícióba és óvatosan, egy szitán keresztül megszűrve, visszajuttatni a meg nem olvasztott port a tartályba.
5. Miután eltávolítottuk az összes fém port a munkaasztalról, láthatjuk az elkészült darabot, amely több vagy kevesebb támaszanyaggal, de kapcsolódik a munkaasztalunkhoz.

III. Alapanyagok

A.    Nálunk megtalálható anyagok

1. Maraging acél MS1

Eredetileg a repülőgép ipar számára fejlesztett anyag, amely megfelel az EN-1.2709 (-X3NiCoMoTi18-9-5) típusú vákuumindukciós olvasztással gyártott acélnak. Ideálisan használható szerszámgyártáshoz (DirectTooling), mivel nagyon jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, könnyen hőkezelhető, így kiváló keménységet és szilárdságot biztosít. Nyomtatást követően megmunkálható, szikraforgácsolható, hegeszthető, polírozható, bevonatolható a darab, illetve 6 órán át 490 °C-on tartva a darabot több, mint 50 HRC-s felületi keménység érhető el. A rétegről-rétegre történő építés következtében egy anizotróp szerkezetet kapunk, amely hőkezeléssel csökkenthető vagy akár teljes mértékben megszüntethető. A mai 3D fémnyomtatás alapanyag felhasználásának legnagyobb részét ez az anyag teszi ki.
Fröccsöntő szerszámok esetén lehetőség van formakövető belső 3D hűtőrendszer kialakítására. Kisebb (max ~80x80x80 mm) termékek esetén jellemzően ±20 μm-es pontosság érhető el az építés során, míg nagyobb daraboknál ez körülbelül ±50 μm.
Az épített alkatrészek főbb mechanikai tulajdonságai:

MaragingSteel MS1	Hőkezelés nélkül	Hőkezelt
Folyáshatás (Mpa)	1000	1900
Szakítószilárdás (Mpa)	1100	2000
Szakadási nyúlás (%)	8	2
Keménység (HRC)	33-41	50-56

2. Rozsdamentes acél 15-5PH (SS-PH1)

A PH1 rozsdamentes acél egy előkevert rozsdamentes acélból készült finom por. Ez az ötvözet megfelel a US 15-5PH és az európai 1.4540 osztályozásnak továbbá a kielégíti az AMS 5659 Mn,Mo,Ni,Si,C,Cr és Cu-re vonatkozó követelményeket. Ez a típusú acél nagyon jó korrózióálló és mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik különösképpen a kiválásos keményítés hatására. Széles körben alkalmazott anyag a PH1-es rozsdamentes acél, főleg prototípusgyártás, pótalkatrészek, különböző orvostechnikai és repülőgépészeti megoldásokban jellemző. Az optimális beállítási paraméterek alkalmazása mellet maximum ±20 μm-es pontosság érhető el vele. A standard paraméterek használatával az elkészült munkadarab mechanikai tulajdonságai minden irányban közel azonosak lesznek. A 3D fémnyomtatás végeztével igény szerint megmunkálható, szikraforgácsolható, hegeszthető, polírozható vagy akár bevonatolható a darab.
Az épített alkatrészek főbb mechanikai tulajdonságai:

Stainless Steel PH1	Hőkezelés nélkül	Hőkezelt
Folyáshatás (Mpa)	1050	1170
Szakítószilárdás (Mpa)	1150	1310
Szakadási nyúlás (%)	16	12
Keménység (HRC)	30-35	min. 40

3. Kobalt-króm MP1

A Cobalt Chrome MP1-es fémporból készült alkatrészek kémiai összetétele megfelel a magas szén-dioxid tartalmú CoCrMo ötvözeteknek.  Nikkelmentesek (<0,1% nikkeltartalom) és finom, egyenletes kristályszemcsés szerkezettel jellemezhetők. Az EOS CobaltChrome MP1 megfelel az ISO 5832-4 és az ASTM F75  öntött implantátum ötvözetek, valamint az ISO 5832-12 és az ASTM F1537 szabványoknak megfelelő kovácsolt implantátumok kémiai és mechanikai specifikációinak, kivéve a  maradó nyúlás értéket. Ez azonban növelhető magas hőmérsékleten történő feszültségmentesítéssel vagy izosztatikus préselés révén (HIP).
Fontosabb mechanikai és kémiai tulajdonságai:

• CoCrMo szuperözvözet prototípus gyártásra és különleges alkalmazásokhoz,
• építés utáni szakító szilárdság: 1400 Mpa,
• nagy szilárdságú, hő és korrózió álló,
• biokompatibilis (Ni max. 0,1%),
• legfőbb alkalmazási területek:
  • magas hőmérsékletű mérnöki alkalmazások
  • orvosi implantátumok
  • fogorvosi eszközök, implantátumok

B.    Kereskedelmi forgalomban megtalálható fontosabb anyagok:

4. Aluminium AlSi10Mg

EOS Alumínium AlSi10Mg egy tipikus öntvény ötvözet, jó öntési tulajdonságokkal és tipikusan vékony falú, összetett geometriák öntéséhez alkalmazzák. Jó szilárdságot, keménységet és dinamikus tulajdonságokat kínál ezért nagy terheléseknek kitett alkatrészekhez is használható. Az EOS Alumínium ideális anyagválasztás lehet az olyan alkalmazások esetén, ahol a jó termikus tulajdonságok mellett kritériumként szerepel a minél kisebb tömeg is. Az ebből az anyagból készült darabok a nyomtatást követően megmunkálhatók, szikraforgácsolhatók, hegeszthetők, polírózhatók és bevonatolhatók, ha szükséges.

5. In718 (718 ötvözet)

A 718-as ötvözet egy nikkel alapú hőálló ötvözet por formájában. Összetétele megfelel az UNS N07718, AMS 5662, AMS 5664, W.Nr 2.4668, DIN NiCr19Fe19NbMo3. Az ebben megtalálható kivált króm-nikkel ötvözet biztosítja az anyag jó szakítószilárdsági-, fáradási-, kúszási- és szakadási tulajdonságait egészen 700 °C-ig. A 718-as ötvözetnek kiváló a korrózióval szembeni ellenállóképessége a különféle korrodáló környezetekben. Ez az anyag ideális választás lehet számos magas hőmérsékletű alkalmazásban, mint például gázturbina alkatrészei, műszeralkatrészek, energia- és feldolgozóipari alkatrészek…stb.

6. Titán Ti64 ötvözet

A titán Ti64-es egy előötvözött Ti6AlV4 ötvözetből készített fémpor. Ez a jól ismert ötvözet a jó mechanikai tulajdonságok, korrózióállóság és kis tömege mellett biokompatibilis is. Ideális választás lehet nagy teljesítményű műszaki megoldásokhoz, mint például repülőgép ipar, motorsportok és természetesen gyógyászati célú eszközök tervezéséhez is. A Ti64 ötvözetből készült eszközök megfelelnek az ASTM F1472 maximális szennyeződés-koncentrációjára vonatkozó követelményeknek. A standard feldolgozási paraméterek során a teljes geometria mentén megolvad az alapanyag. A Ti64-ből készült alkatrészek a nyomtatást követően megmunkálhatók, szikraforgácsolhatók, hegeszthetők, polírozhatók és bevonatolhatók. A megmaradt por a nyomtatást követően újra felhasználható.

További alapanyagtípusokért kérem keresse fel a forgalmazót!

Link: https://www.eos.info/material-m

 

IV. Építési terület

Az építési platform egy standard 250 mm x 250 mm-es acél lap. A darabok vertikálisan kerülnek felépítésre a bázistól felfelé. Nyomtatott darabok egymás tetejére történő nyomtatására csak akkor van lehetőség, ha a két darab egyértelműen elválasztható egymástól támaszanyaggal, illetve ha a folyamat végén el tudjuk távolítani a darabokat és a támaszanyagokat egymásról.

 

 

 

 

Az építési alapterület 250 mm x 250 mm, az építési magasság pedig maximum 215 mm.

Mielőtt a darabokat eltávolítanánk, az egész alaplapot a rajta lévő munkadarabokkal együtt érdemes egy pár órára kemencébe rakni, hogy a darabba befagyott mechanikai feszültségeket csökkentsük. Ezt követőn már eltávolíthatók a darabok az alaplapról. A munkadarabon és az alaplapon maradt támaszanyagot további megmunkálással könnyedén el lehet távolítani (ez jellemzően csak pár milliméter). Ezután a síkra munkált alaplapot újra vissza lehet tenni a gépbe a következő nyomtatáshoz.

Fontos: a munkalapot mindig mind a 4 sarkán rögzíteni kell, ugyanis a keletkező feszültségek képesek akár a 10-15 mm-es acéllapot is elhúzni, amely a termék geometriájának torzulásához vezet.

 

V. A DMLS 3D fémnyomtatás technológia előnyei:

Elsődleges és legjelentősebb előnyök a hagyományos gyártástechnológiai eljárásokkal szemben, hogy:

• megengedett a belső és külső komplex geometria használata,
• több darabban gyártott termékek egyben, egy alkatrészként kinyomtathatók,
• mivel szerszámozás nélküli gyártásról beszélünk, így komplex, összetett élek, felületek alkalmazhatók,
• lehetőség van változó keresztmetszetű geometriák, falvastagságok alkalmazására az optimális teherbírás elérése érdekében

VI. Utómunkálás

A fém alkatrészeket gyártásuk során a végleges felületi minőség és geometriai követelmények elérése érdekében utómunkálni szokás. A munkadarab anyagától függően különböző finomfelületi megmunkálások közül válogathatunk. A hagyományosan előállított alkatrészekhez hasonlóan a különböző additív gyártástechnológiákkal készített darabok esetén is széles a technológia tárháza.

Esetünkben a 3D fémnyomtatás DMLS technológiája releváns, így a következőkben az ehhez tartozó utómunkálási lehetőségeket taglaljuk részletesebben.

A DMLS additív gyártástechnológia ebből a szempontból is egy jó lehetőség a hagyományos megmunkálással nem gyártható darabok előállítására, ugyanis minden olyan utómunkálási technológia alkalmazható rá, mint ami a hagyományos darabokra.

Ezek közül felsoroltunk néhány jellemző technológiát:

• esztergálás
• marás
• fúrás
• köszörülés
• üregelés
• szikraforgácsolás
• szemcseszórás
• polírozás
• bevonatolás
• elektrokémiai bontás
• különböző hőkezelési eljárások

VII. DMLS 3D fémnyomtatás és a környezetvédelem

Napjainkban egyre hangsúlyosabb egy termék életútja, környezetkárósító hatása az előállítástól egészen a megsemmisüléséig. Maga a DMLS technológia nem környezetszennyező eljárás, nem keletkezik hulladék, jelentősebb energiafelvétele villamosenergia. A fémpor alapanyag előállítása már inkább környezetszennyező hatású. Azonban ha a mérleg egyik karján az alapanyag előállításával járó szennyezés és DMLS nyomtatással létrehozott súlycsökkentett, optimalizált darab áll, a másikon pedig a hagyományos, sok munkaórával előállított nagyobb, nehezebb darab, amely egy járműbe beépítve sokkal több energiát emészt fel, akkor könnyű belátni, hogy környezetvédelmi szempontból is indokolt ezekben az esetekben az additív gyártástechnológia alkalmazása.

VIII. 3D fémnyomtatás tervezési alapismeretek

Az alap tervezési ismeretek bemutatása előtt érdemes megjegyezni, hogy a gép koordinátarendszere a munkaasztal felső síkjában helyezkedik el, annak élei mentén található az X és az Y tengely, a Z pedig az asztal síkjából kifelé, felfelé az építés irányába mutat.

A. Vertikálisan kihúzott, egyenes termékek nyomtatása

A legtöbb z-irányban egyenes geometriát követő termék nyomtatása nem okoz problémát, ilyenkor csak arra kell figyelni, hogy a kinyomtatandó réteg, mindig az alatta létrehozott és összeolvasztott rétegre épít rá, ha ez teljesen hiányzik (több réteget ki kell hagyni), akkor a nyomtatás problémás lehet.

B. Munkaasztallal szöget bezáró felületek és furatok nyomtatása

A nyomtatás során az össze nem olvasztott por nem szolgál támaszként, tehát a ferde felületek ideális esetben önmagukat kell, hogy megtartsák.Amennyiben ez a szög túl éles, abban az esetben számolni kell valamekkora támasztékkal, amely a modell részét fogja képezni nyomtatáskor. Ez az utómunka során könnyedén eltávolítható.A minimális szögérték, amelynél még önmegtámasztásról beszélhetünk az az egyes anyagtípusoknál a következő lehet:

• Rozsdamentes acélnál ~ 30°
• Inconel nikkel-króm ötvözetnél: ~ 45°
• Titánnál ~20-30°
• Alumíniumnál ~45°
• Kobalt-króm esetében ~30°

Az egyes anyagoknál minél jobban próbáljuk megközelíteni ezeket a határszög értékeket, a ferde felületeken annál durvább felületi minőségre lehet számítani.

Z-tengellyel párhuzamos síkokon elhelyezett kis átmérőjű (> 6mm) furatok nem jelentenek problémát nyomtathatósági szempontból.A hasonló orientáltságú, ám nagyobb átmérőjű furatok nyomtatásánál számítani kell rá, hogy a furat felső felén, a korábbiakhoz hasonlóan egy durva, érdes felület képződik a nyomtatás során.A nagyméretű furatok esetében sokszor alkalmazni kell támasztékot, amely az eredeti modellel együtt kerül kinyomtatásra megelőzve ezzel, hogy a termék összeessen, esetleg eltorzuljon a nyomtatás során. Ezt az építést követően könnyedén eltávolíthatjuk.Amennyiben a furat felső része rendelkezik egy ívesebb, csúcsosabb kialakítással, akkor a támaszanyag alkalmazása nélkülözhető. Ez az egyik olyan jellemző, amely jelentős hatással lehet a DMLS-helyes tervezési folyamatra.

C. Alátámasztás nélküli felületek

 

 

 

 

Alátámasztás nélküli felületeknél (bal oldali ábra) minden esetben szükség van támasztékra. Ez akár jelentős mértékben megnövelheti a darab nyomtatási és utómunkálási költségeit.

A legkézenfekvőbb támaszték, ha az így keletkezett lyukat teljes egészében kitöltjük (középső ábra).

A támaszték könnyebb eltávolítása érdekében szokás azt egy minimális értékkel eltolni a furat síkjából. (jobb oldali ábra)

Egy alternatív megközelítése a fenti problémának, ha a munkadarabot elforgatjuk mondjuk 45°-kal, így az összes felület szöget fog bezárni a munkaasztallal és elkerülhető a támaszték használata. Az alkatrész orientációja az egyik legmeghatározóbb kérdés az eredményes és költséghatékony nyomtatás tervezése során.Ha a felső része a furatnak több, ismétlődő, szögben álló felületből áll, akkor a támaszanyag mértéke minimalizálható (bal oldali ábra).

Ha a furatok csak súlycsökkentést vagy a hűtést segítik elő, akkor például lóversenypálya alakú furatok segítségével kiküszöbölhető a támaszanyag használata (jobb oldali ábra).

D. A termék keresztmetszetének orientációja a porterítés irányához képest

Amikor a porterítő elhalad a részben kinyomtatott darab fölött, hogy elterítsen egy újabb réteg port, akkor előfordulhat, hogy az alsóbb rétegekkel érintkezik, ütközik, így erőt fejtve ki azokra. Ebből is következik, hogy a modell orientációja kardinális kérdés. Az ideális geometria ebben az esetben egy henger, amelynek kör keresztmetszete ideális átmenetet képez a porterítőnek a porózus és a tömör részek között. Az átmenetnél először egy pontban érintkezik a porterítő a munkadarabbal (minimális elakadásveszély), majd ez egyre csak nő, egészen a henger átmérőjéig.
Egy állandó ˝U˝ keresztmetszet szintén ideálisnak bizonyul, mivel a bevezető szakasz itt is egy ív, kezdetben egy ponton történő érintkezéssel, továbbá a modell eléggé stabil ahhoz, hogy ellenálljon a porterítő okozta erőbehatásoknak.

 

 

 

 

 

 

A legrosszabb geometria, ami előfordulhat az az, ha egy vékony lapot állítva nyomtatunk ki úgy, hogy annak hosszabbik éle párhuzamos a porterítő kerámia lapjával. Ebben az esetben ugyanis a porterítő egy hosszú él mentén, hirtelen ütésszerű átmenettel lép tovább a modell aktuális keresztmetszete fölé, amely egyrészt egyenetlen porrétegvastagságot, másrészt komoly deformációt okozhat az addig kinyomtatott munkadarabban.DMLS tervezési ökölszabály, hogy minden lapos felületnek a porterítővel minimum 5°-os szöget kell bezárnia annak érdekében, hogy a két szilárd test ne egy él mentén, hanem egyetlen egy pontban találkozzon.Amellett, hogy az érintkezés szögben történik, egy jól megtervezett geometria önmagában is biztosíthat akkora merevséget, amely ellenáll a porterítő által kifejtett hajlítóerőnek.Hosszú és vékony darabok nyomtatása esetén célszerű lekerekítést tenni a darab két végére, így biztosítva a porterítő számára a sima be és kilépési pontokat. Természetesen ezek mellett figyelembe kell venni az egyéb tervezési szabályokat is (munkaasztallal szöget bezáró felületek, furatok és kivágások elhelyezése…stb).

E. Alkatrész nyomtatáshelyes megtámasztása, stabilizálása

Ahogy a porterítő elhalad a darab felett, az arra kifejtett hajlítóigénybevétel egyre nagyobb lesz, ahogy a munkadarab magassága nő. Egy újabb ökölszabály, hogy a keresztmetszet és a munkadarab magasságának aránya nem lehet több, mint 8:1.A pontos arányok mindig az adott geometriától függenek, mindenesetre, ha tervező mégis eltekint az ökölszabálytól, akkor fennáll annak a veszélye, hogy a porterítő elakad a darabban, elhajlítja azt, megsérti a porterítő kerámia lapját és a munkadarabot is, amely a nyomtatás végét jelenti kész termék nélkül.

Az ilyen jellegű hibák megelőzése érdekében, bizonyos szakaszonként egy átkötő hidat kell berakni a darabok közé. Ahhoz, hogy ez ne okozzon további problémákat, ajánlatos boltívet használni, így elkerülhetjük a VII/C pontban ismertetett alátámasztatlan felületek okozta nehézségeket.

Az olyan daraboknál, amelyek a nyomtatás végeztével megfelelő merevségűek lesznek, azoknál is előfordulhat, hogy kell valamilyen támasztékot alkalmazni, mivel az építés közben még könnyen deformálódhatnak. Erre jó példa az alább látható háromszög, amely késztermékként megfelelő merevségű, de a síkkal elmetszett keresztmetszetben, építéskor könnyedén megsérülhet, elhajolhat.

Ha az üreges szerkezet célja csak a súlycsökkentés, akkor az alábbi geometria nyomtathatósági szempontból előnyösebb. Tény, hogy ebben az esetben nem akkora mértékű a súlycsökkenés, mint az előző esetben és, hogy a nyomtatási idő hosszabb lesz (nő a termék ára), cserébe viszont a végtermék biztos használható, funkcionáló darab lesz. Bonyolultabb, drágább darabok esetében ez a biztonsági tényező mindenféleképpen megfontolandó.

F. Egyedi tervezési sajátosságok

Minden esetben törekedjünk a nagyon éles élek elkerülésére, mivel ezek DMLS technológiával nem nyomtathatók ki maradéktalanul. Tervezés során használjunk egy minimális, általános lekerekítést (kb. 0,5 mm). Továbbá az éles, lekerekítés nélküli sarkok feszültséggyűjtő helyként is szolgálnak, amely a jelentős hőbevitel miatt a DMLS technológiánál fokozottan jelentkezik, ezért itt is javasolt ezeket akár egy minimális lekerekítéssel ellátni.

Kerüljük a nagy, egybefüggő felületű keresztmetszeteket, mivel az építési folyamat komoly hőbevitellel jár, amely torzíthatja a geometriát. Kiemelten igaz ez titán alkatrészek nyomtatásánál. Ezen probléma kiküszöbölésére megoldást jelenthet, ha a terméket pár fokkal megdöntjük a nyomtatás során.

A tervezés során figyeljünk arra is, hogy a szögben elhelyezett darabokban könnyebben elakadhat a porterítő, megszakítva és akár tönkretéve vele az addigi nyomtatást.

A DMLS technológia sajátosságaiból fakadóan lehetőség van több darabból álló szerkezetek nyomtatására is, ezzel jelentős mennyiségű időt és összeszerelési költséget spórolva meg.