Giełda wynalazków i projektów. Gładkie 3D i diament w kompozycie


01-06-2018 17:09:01

W ciągu kilku lat druk 3D stał się nową, dynamiczną branżą techniczną. Widać, jak rośnie grono firm i jednostek badawczych wnoszących nowe rozwiązania w tej technologii. Jedną z czołowych jest Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania w Krakowie (dawny Instytut Obróbki Skrawaniem). Już kilka lat temu odnotowaliśmy jego obiecujące osiągnięcia w 3D.

Na targach przemysłowych w latach 2016-2018 tryumfy święciło nowe rozwiązanie „Sposób wygładzania powierzchni elementów wykonywanych metodami przyrostowymi”. Zarówno na targach STOM - TOOL w kwietniu 2018 r. w Kielcach, jak i na X edycji Dni Druku 3D, na targach INNOFORM 2018 w Bydgoszczy, a wcześniej na targach obrabiarek TOOLEX w Sosnowcu to właśnie rozwiązanie zdobywało główne nagrody.

Wydruk nagniatany

Technologia ta pozwala uzyskać bardzo wysoki poziom gładkości powierzchni, jej jednolitą strukturę geometryczną, niską porowatość oraz utwardzenie powierzchniowe wpływające dodatnio na właściwości użytkowe wytworzonych wyrobów. Powierzchnia detali otrzymywanych metodą druku 3D była dotąd słabą stroną tej metody. Drukowanie warstwami, nawet o bardzo małej grubości, pozostawiało powierzchnię nie tylko nieciągłą, ale także podatną na rozwarstwienia i często niedostatecznie utwardzoną. Ta metoda pozwala na szybkie eliminowanie takich mankamentów. Powierzchnię elementów zbudowanych w temperaturze 70%-100% temperatury przetopienia używanego materiału – proszków metali i ich stopów – poddaje się procesowi nagniatania dla zmiennych parametrów, tj. siły nagniatania w zakresie 80-200N, posuwu 0,02 - 0,04 mm/obr., w celu poprawienia gładkości powierzchni i ujednolicenia struktury geometrycznej. Ma to istotny wpływ na jakość np. form odlewniczych otrzymywanych w druku 3D.

Swego czasu opisywaliśmy stosowaną przez Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania metodę SLS (selektywnego spiekania laserowego). Obecnie stosuje się ją łącznie z metodą SLM (topienia laserowego). Zaletą metod SLS/SLM jest możliwość uzyskania modelu o dowolnych kształtach, bez konieczności przygotowywania skomplikowanych i kosztownych form. Proces spiekania laserowego odbywa się w komorze roboczej maszyny wyposażonej w komputer sterujący procesem wytwarzania danego elementu na podstawie modelu CAD 3D. Pierwsze drukarki wytworzyła firma 3D Systems, która stworzyła metodę drukowania przestrzennego – stereolitografię (SLA). Początkowo natryskiwano wosk przy użyciu głowic typowych dla druku atramentowego. 

Obecnie trwa wyścig w spełnianiu wymagań w uzyskiwaniu coraz lepszych właściwości mechanicznych wytwarzanych części oraz jakości powierzchni na poziomie, który eliminuje bądź redukuje spore nakłady na obróbkę wykończeniową. I to był główny motyw dla opracowania nowej technologii wygładzania powierzchni elementów drukowanych przez Instytut. Technologia SLS/SLM stosowana jest zwłaszcza w przemyśle narzędziowym do wytwarzania form wtryskowych o skomplikowanym kształcie, lotniczym (np. łopatki turbin, podzespoły mechaniczne) czy w sprzęcie medycznym. Obróbka wiórowa i ścierna stosowana na etapie operacji wykończeniowych jest kosztowna, tym bardziej na uwagę zasługuje nowy patent Instytutu. W IZTW wykonywano dotąd m.in. próby spiekania materiałów proszkowych ceramicznych, metalowo-ceramicznych, kompozytowych przy różnych parametrach technologicznych. Prowadzone w Instytucie badania mają na celu dobór i optymalizację parametrów procesów SLS/SLM w zależności od założonych cech produktu finalnego, np. wytrzymałości, porowatości, która może być precyzyjnie określona, co ma znaczenie zwłaszcza podczas produkcji implantów kostnych, by ułatwiać osteointegrację. Stosowane materiały to proszki stali narzędziowych, stali nierdzewnej, stopy aluminium i tytanu.

Diament skomponowany

Kolejnym osiągnięciem jest technologia otrzymywania kompozytów metaliczno-diamentowych przeznaczonych na narzędzia do cięcia i szlifowania materiałów ceramicznych i kompozytowych. Kompozyt ten, otrzymany nową metodą spiekania iskrą elektryczną (Spark Plasma Sintering SPS) otrzymał główną nagrodę w kategorii narzędzi na targach EUROTOOL® w Krakowie, medal EXPO SILESIA, a wcześniej medale na TOOLEX 2016 oraz KOMPOZYT-EXPO 2016.

Metoda Spark Plasma Sintering  bazuje na równoczesnym zastosowaniu ciśnienia oraz impulsów prądowych, które mogą przepływać dwiema drogami – przez stemple i matrycę grafitową oraz przez sprasowane ziarna proszku. W porównaniu z metodą izostatycznego prasowania na gorąco zapotrzebowanie na energię elektryczną dla procesu SPS jest o ok. 20-30% mniejsze. Tlenkowe powierzchnie cząstek proszków są znacznie łatwiej redukowane, głównie na skutek występującej punktowo wysokiej temperatury, która powoduje ich odparowanie. W niższych temperaturach (o 200-500°C) następuje zjawisko aktywacji spiekania. Nagrzewanie materiału wraz ze spiekaniem zawiera się w przypadku tej metody zwykle w zakresie 5-20 minut. Można też stosować znaczne szybkości nagrzewania sięgające nawet 1000ºC/min, dzięki czemu możliwe jest spiekanie proszków nanokrystalicznych bez efektu rozrostu ziarna. Materiał uzyskany w wyniku zastosowania nowej technologii charakteryzuje się lepszymi właściwościami fizyko-mechanicznymi, a wykonane z niego narzędzia ścierne osiągają wyższą wydajność w procesach szlifowania i przecinania. Koszt wytwarzania jest mniejszy o prawie 1/3 w porównaniu do obecnie stosowanych technologii. To rozwiązanie już weszło do obiegu gospodarczego, znajdując znalazło spore grono odbiorców w Polsce. jaz

 

 

 

 

 

Tarcze z kompozytu metaliczno-diamentowego

Forma wydrukowana  z proszków metali

Komentuje Waldemar Rukść

eNOT.pl - Portal Naczelnej Organizacji Technicznej | eNOT.pl