EN
Jak tisk vodičem zvyšuje účinnost kovového 3D tisku
Aerospace výrobce vyrábějící titanové konstrukční závěsy porovnal dva přístupy přídavné výroby pro součástku z Ti-6Al-4V o hmotnosti 45 kg. Systém laserového DED založený na prášku usazoval materiál rychlostí 0,6 kg/hod s využitím materiálu 60 % – k výrobě 45kg součástky bylo spotřebováno přibližně 75 kg prášku, z toho 30 kg nepřetaveného prášku vyžadovalo prosévání a recyklaci. A tisk drátu Systém DED uložil stejnou geometrii rychlostí 1,0 kg/hodinu s téměř 100% využitím materiálu – 45,5 kg drátu vyprodukovalo dokončenou součást o hmotnosti 45 kg. Přístup s použitím drátu dodal součást za 45 hodin tvorby oproti 75 hodinám, přičemž náklady na výchozí materiál byly nižší o 40 % na kilogram uloženého kovu.
Tisk drátu v metalurgickém aditivním výrobku – ať už založeném na oblouku (WAAM), laseru nebo plazmě – mění základní ekonomiku procesu. Rozdíly mezi drátem a práškem sahají daleko za fyzický tvar výchozího materiálu.
Drát versus prášek – rozdíl v účinnosti
Rychlost depozice
Rozdíl v rychlosti uložení mezi drátem a práškem má fyzikální kořeny. U systému s přívodem prášku tisk drátu alternativní metoda musí částice prášku přenášet proudem plynu do tavícího bazénku, kde se zachytí pouze částice, které protínají povrch tavícího bazénku – zbývající částice jsou proudem plynu odnášeny nebo se odrazí od pevného materiálu okolo bazénku. Účinnost usazování u systémů s přívodem prášku se obvykle pohybuje v rozmezí 50–70 %, což znamená, že 30–50 % zakoupeného prášku se stane přepráškem, který je nutné shromažďovat, prosít a případně znovu použít.
Systémy s přívodem drátu zavádějí nepřetržitý tuhý filament přímo do tavícího bazénku. Každý milimetr drátu se přemění na usazený kov. Účinnost usazování se blíží 100 % – ztráty mohou nastat pouze u malého úseku drátu mezi výživovým tryskou a tavícím bazénkem, a moderní systémy s drátem tisk drátu s synchronizovaným přívodem tyto ztráty snižují na zanedbatelnou úroveň.
Rozdíl v rychlosti je významný. Laserové přivádění drátu dosahuje rychlostí nanesení ≥1,0 kg/hod při ekvivalentních podmínkách laserového výkonu, kdy přivádění prášku poskytuje přibližně 0,6 kg/hod – což je výhoda produktivity o 40 %. Obloukové systémy s přiváděním drátu využívající technologie Cold Metal Transfer (CMT) dosahují rychlostí nanesení 2–5 kg/hod pro ocel a niklové slitiny a u konfigurací s vysokou rychlostí nanesení na velkých součástech až 10 kg/hod. Nejvyšší rychlosti u systémů s fúzí vrstvy prášku jsou naopak 0,01–0,1 kg/hod.
Využití materiálu
Rozdíl v využití materiálu je ještě rozhodující než rozdíl v rychlosti nanesení. Systém založený na prášku obvykle dosahuje využití 60 % – tedy z 100 kg zakoupeného prášku se naneseného kovu získá 60 kg. Zbývajících 40 kg tvoří kombinace přepráškování (obnovitelného prostřednictvím síťování, avšak degradovaného částečným roztavením a oxidací), rozstřikování (neobnovitelného) a kondenzátu na stěnách komory.
Tisk drátu dosahuje téměř 100% využití materiálu. Výchozí materiál ve formě drátu je hotový průmyslový výrobek – tažený s přesnou tolerancí průměru (±0,01 mm), se řízeným složením, čistotou povrchu a specifikacemi odlitku a šroubovice, které zajišťují konzistentní podávání. Cena drátu za kilogram je obvykle o 40–60 % nižší než cena ekvivalentního prášku, protože atomizace kovu na sférický prášek s úzkým rozdělením velikosti částic je energeticky náročný proces, který zvyšuje náklady na výchozí materiál o 15–50 USD za kilogram ve srovnání s tažením drátu.
Proč drát umožňuje větší a rychlejší výstavbu
Fyzikální zákony týkající se přívodu prášku stanovují praktický limit velikosti u aditivní výroby založené na prášku. S rostoucí plochou tavní lázně, která umožňuje vyšší rychlosti depozice, musí proud prášku rovnoměrně pokrývat stále větší plochu. Dynamika proudění plynu se stává čím dál těžší na ovládání – práškové částice, které dopadnou na okraji tavní lázně, se nemusí zcela roztavit, čímž vznikají defekty způsobené nedostatečným svařením. Tento problém řeší přívod drátu, protože drát vstupuje do tavní lázně v jediném bodě bez ohledu na její velikost a dynamika tavní lázně zajistí rovnoměrné rozptýlení materiálu.
Právě proto se u velkorozměrové aditivní výroby – tedy u součástí, jejichž jakýkoli rozměr přesahuje jeden metr – převážně používají procesy založené na drátu. Šestimetrový hliníkový lodní vrtulový vrtule vyrobený technologií tisk drátu WAAM je komerčně realizovatelný; stejná součást by při použití systému s práškovým ložem nebo s přímou depozicí prášku (DED) vyžadovala zařízení nepřiměřeně velkých rozměrů a nákladů, přičemž doba depozice by činila týdny místo dnů.
Náklady na kilogram
Kombinovaný účinek vyšší rychlosti usazování, vyšší využitelnosti materiálu a nižších nákladů na suroviny vede k výhodě nákladů na kilogram pro tisk drátu což činí velké kovové aditivní díly ekonomicky životaschopnými. U titanových slitin činí náklady na usazování z drátu 150–300 USD za kilogram hotového dílu oproti 400–800 USD za kilogram u laserového přímého energetického usazování (DED) z prášku a 800–2 000+ USD za kilogram u fúze vrstvy prášku. U ocelových a niklových slitin jsou poměry podobné, i když absolutní náklady jsou nižší.
Nejčastější dotazy
O kolik je tisk z drátu rychlejší než kovové 3D tiskování z prášku?
Laserové přivádění drátu usazuje rychlostí ≥1,0 kg/hod, zatímco ekvivalentní laserové přivádění prášku dosahuje rychlosti 0,6 kg/hod – což je výhoda produktivity o 40 %. Systémy založené na oblouku (WAAM) dosahují rychlosti 2–5 kg/hod u ocelových a niklových slitin a až 10 kg/hod u konfigurací s vysokou rychlostí usazování. Nejrychlejší systémy fúze vrstvy prášku pracují rychlostí 0,01–0,1 kg/hod, čímž je tisk z drátu 10 až 500krát rychlejší v závislosti na konkrétním srovnání.
Proč dosahuje tisk z drátu 100% využití materiálu?
Drát je přiváděn jako nepřerušovaný pevný filament přímo do tavícího bazénu. Každý milimetr drátu se stane naneseným kovem. Systémy s přívodem prášku ztrácejí 30–50 % výchozího materiálu ve formě přepršku – částic, které minou tavící bazén a jsou odneseny proudem plynu. Téměř dokonalá účinnost přenosu u tisku z drátu eliminuje ztráty materiálu, které jsou nevyhnutelné u procesů založených na prášku.
Je kov tištěný z drátu stejně pevný jako kov tištěný z prášku nebo tradičně vyráběný?
Ano. Tisk z drátu vytváří plně hutné nánosy s mechanickými vlastnostmi splňujícími nebo překračujícími specifikace tvářených materiálů. U slitiny Inconel 625 dosahují součásti vyrobené metodou DED (Direct Energy Deposition) mezí kluzu 401 MPa, mezí pevnosti v tahu 724 MPa a prodloužení 57 %. Rychlé tuhnutí v procesech DED vytváří jemnozrnné mikrostruktury, které jsou často lepší než u litých materiálů a srovnatelné s kovanými materiály.
Jaké kovy lze použít pro tisk z drátu?
Titaniové slitiny (Ti-6Al-4V), niklové superlitiny (Inconel 625, 718), nerezové oceli (316L, 17-4PH), hliníkové slitiny (2319, 4043, 5356), uhlíkové oceli a slitiny kobaltu a chromu jsou komerčně dostupné ve formě drátu vhodného pro metodu DED. Výrobci drátu stále častěji nabízejí slitiny optimalizované speciálně pro tepelné cykly přidané výroby místo pro svařovací aplikace.
Jaká jsou omezení povrchové úpravy při tisku drátem?
Povrchy vytisknuté drátem v původním stavu mají charakteristickou vrstvenou strukturu s povrchovou drsností typicky Ra 10–25 μm – drsnější než u metody fúze vrstvy prášku (Ra 5–15 μm), avšak srovnatelné se litím do písku. Funkční povrchy (ložiskové čepy, těsnicí plochy, stykové plochy) jsou dokončovány frézováním CNC na požadovanou toleranci a povrchovou specifikaci. Hybridní systémy kombinující aditivní a subtraktivní techniky provádějí depozici i obrábění v jediném nastavení, čímž se vyhne nutnosti opětovného upínání.
Jak metoda tisku drátem zpracovává reaktivní kovy, jako je titan?
Tisk drátem z titanu vyžaduje ochranu inertní atmosférou – obvykle argonem vysoké čistoty – v uzavřené komoře nebo prostřednictvím lokalizovaného systému dodávky ochranného plynu. Výchozí materiál ve formě drátu není pyroforický, na rozdíl od titanového prášku, který představuje riziko požáru a výbuchu. Tato výhoda z hlediska bezpečnosti, spojená s vyšší využitelností materiálu, činí drát preferovaným výchozím materiálem pro aditivní výrobu z titanu v průmyslovém měřítku.