3D štampa postaje precizna

Ne samo što mnoge automobilske kompanije već godinama za svoja vozila koriste prednosti 3D štampanja metalnih delova, već je takvu praksu preuzela i NASA. Postoji ipak ograničenje u preciznosti, pa se konvencionalno 3D štampanje ne može koristiti za neke visokospecijalizovane delove automobila, aviona, raketa… Sada sa univerziteta Saarland stiže nova, potencijalno revolucionarna ideja.

Proces materijalizovanja predmeta u tehnici 3D štampe počinje od kreiranja njegovog 3D modela (CAD). Zatim se on deli na horizontalne poprečne preseke – tanke slojeve čija debljina određuje kvalitet i tačnost izrade objekta. Na osnovu tih dvodimenzionalnih slika preseka nanose se slojevi materijala od koga se predmet izrađuje (najčešće plastika ili metal). Slojevi se nanose jedan za drugim, stvarajući tako materijalizovan oblik zamišljenog predmeta.

Od prototipa do proizvoda

U postupku štampanja u početku je korišćena metoda za brzu izradu prototipa (RPT – Rapid Prototyping), a kasnije aditivni proizvodni procesi štampanja završnih, finalnih proizvoda (Additive Manufacturing) ili finalnih alata (Rapid Tooling). Aditivni proces prvi put je primenjen 1987. godine, kada je kompanija 3D Systems proizvela i komercijalizovala prvi stereolitografski uređaj u kome se tečni polimer nanesen u tankom sloju očvršćava pomoću UV lasera. Nakon toga usledio je i razvoj ostalih postupaka 3D štampe: vezivna 3D štampa 1989. godine (MIT), deponovanje istopljenog filamenta 1991. (Stratasys), laminacija folija 1991. (Helisys), selektivno lasersko sinterovanje (DTM) 1992. godine.

Sve te i slične tehnologije, po standardima ISO i ASTM, svrstavaju se u sedam osnovnih grupa: fotopolimerizacija u kadi – Vat Photopolymerization (komercijalno poznata kao stereolitografija – SLA), fuzija praškastog supstrata – Bed Powder Fusion (SLS, SLM, EBM, DMLS), laminacija folija – Sheet Lamination (LOM; PSL), vezivna 3D štampa – Binder Jetting (3DP), ekstrudiranje materijala – Material Extrusion (FDM), direktna 3D štampa – Material Jetting (PJ) i nanošenje materijala primenom usmerene energije ‑ Direct Energy Deposition (DED).

Osnovna razlika, na osnovu koje je i napravljena klasifikacija, jeste u načinu generisanja sloja. Ona zavisi od vrste materijala koji se koristi u procesu štampe (u tečnom, praškastom ili čvrstom stanju). Poslednjih godina obavljena su brojna istraživanja na razvoju novih i unapređenju postojećih materijala. Najviše se koriste plastični materijali na bazi polimera, ali se sve veći akcenat stavlja na metalne materijale, keramiku i kompozite.

3D štampanje metala

3D štampanje metala daleko je složenije i skuplje od štampanja drugih vrsta materijala. Za štampanje se koriste čisti metali u praškastom obliku, ali i njihove legure. To su najčešće nerđajući čelici, legure aluminijuma, hroma, nikla, kobalta… Tako se kreiraju metalni elementi s geometrijom koju je nemoguće napraviti tradicionalnim metodama. Najkorišćenije tehnologija za 3D štampanje metala jeste direktno lasersko sinterovanje (Direct Metal Laser Sintering – DMLS) ili selektivno lasersko sinterovanje (Selective Laser Melting – SLM), a za njom slede Binder Jetting i Metal Extrusion.

DMLS i SLM su slični procesi, vrlo pogodni jer nude veliku slobodu dizajna i napredna svojstva materijala. To su tehnologije za štampanje praškastog materijala, pri čemu se za povezivanje čestica koristi snažan laser. Kod SLM tehnologije spajanje čestica se ostvaruje topljenjem materijala, dok je kod DMLS‑a ono ostvareno na molekularnom nivou pri vrlo visokim temperaturama. SLM je pogodan za štampanje čistih metala, dok je sa većinom legura kompatibilna DMLS tehnologija.

Tehnologija se zasniva na mehaničkom otklanjanju čestica metala kratkotrajnim strujnim impulsom. Pod dejstvom struje atomi metala napuštaju površinu i ulaze u elektrolit kao pozitivni joni. Na taj način se impulsom struje sićušne metalne čestice otklanjaju s površine objekta

Binder Jetting tehnologija koristi se za izradu jeftinijih serija metalnih proizvoda. Primenjuju se praškasti metali, a čestice se povezuju u čvrst sloj ubrizgavanjem vezujućeg sredstva mlaznicama. Nakon štampanja obično je potrebna naknadna obrada metalnih proizvoda, dakle sinterovanje ili neki drugi oblik termičke obrade.

Metal Extrusion je postupak 3D štampanja metala koji se koristi od 2018. godine. To je varijanta FDM procesa gde se slojevi formiraju istiskivanjem materijala kroz mlaznicu. Materijal je metalni prah koji se drži pomoću polimernog veziva. Nakon štampanja polimer se otklanja sinterovanjem kako bi se dobio čist metal.

Postprocesiranje 3D štampe

Dobijeni predmeti tehnologijom 3D štampe obično zahtevaju dodatnu obradu (postprocesiranje), osim u slučajevima kada štampani deo neće biti podvrgnut opterećenju. Oni su obično porozni, sa slabim mehaničkim karakteristikama („zeleni“), pa je obrada neophodna da bi se dobile finalne mehaničke karakteristike ili postigle verodostojne boje, kao i radi poboljšanja izgleda (geometrije).

Postprocesiranje obuhvata hlađenje štampanog predmeta u radnom prostoru mašine, zatim oslobađanje i čišćenje predmeta od praška, infiltraciju primenom različitih tipova infiltranata i, na kraju, ručnu ili mašinsku obradu.

3D štampanje metala daleko je složenije i skuplje od štampanja drugih materijala. Koriste se čisti metali u praškastom obliku, ali i njihove legure: nerđajući čelici, legure aluminijuma, hroma, nikla, kobalta…

U kontekstu ove priče bitno je postprocesiranje ručnom ili mašinskom obradom. Završna mašinska obrada treba da unapredi tehnologiju 3D štampe, što je od posebnog značaja za visokoprofesionalnu primenu 3D štampanih elemenata izuzetno složene geometrije, kao i u slučajevima kada su zadate vrlo zahtevne tolerancije. Rešenje dolazi iz Nemačke, a umesto mašinske, zasniva se na elektrohemijskoj obradi.

3D i elektrohemijska obrada

Za specijalizovane primene, svaki deo uređaja mora biti izuzetno precizno oblikovan kako bi se po funkcionalnosti savršeno uklopio i kako bi mogao da izdrži najveća opterećenja. Za takve namene istraživački tim sa Univerziteta Saarland u Nemačkoj osmislio je nadogradnju 3D štampanja metalnih delova kombinujući 3D štampanje metala sa završnom elektrohemijskom obradom (Electrochemical Machining ‑ ECM) odmah po završetku procesa.

Tim istraživača predvodi profesor Dirk Bahre uz uključenje više partnera iz oblasti nauke i industrije, a finansirala ga je fondacija European Regional Development Fund. Osim jednostavnosti obrade, tehnologija je i vrlo ekonomična, jer zahteva samo dodatni električni priključak (izvor električne energije) i elektrolit.

Efikasno i ekonomično

Tehnologija se zasniva na mehaničkom otklanjanju čestica metala kratkotrajnim strujnim impulsom. Uređaj se sastoji od vibrirajućeg alata okrenutog ka sondi koja ispušta vodeni rastvor soli (elektrolit). Alat se tako postavlja da tečnost bude u kontaktu s površinom 3D štampanog metalnog objekta tačno na onoj poziciji na kojoj je potrebna dodatna obrada. Zatim se propušta električna struja visokog napona kroz elektrolit, od alata (katoda) do metalnog objekta (anoda).

Pod dejstvom te struje atomi metala napuštaju metalnu površinu i ulaze u elektrolit kao pozitivni joni. Na taj način se impulsom struje sićušne metalne čestice otklanjaju s površine objekta. Podešavanjem trajanja impulsa i učestanosti vibracije alata može se precizno kontrolisati količina materijala (metala) koja se otklanja.

Da bi se na odgovarajući način realizovala elektrohemijska obrada 3D štampanih metalnih objekata, mora se dobro poznavati prethodni postupak formiranja strukture stvorenog 3D elementa. Do sada su na Univerzitetu Saarland izvršena testiranja za precizno oblikovanje predmeta i od lakih i od teških metala (aluminijum, titanijum, legure čelika). Rezultati obrade su izuzetno dobri, ostvarene su i najsloženije geometrije na vrlo čvrstom materijalu, uz vrlo povoljan ekonomski faktor primenjene tehnologije. Sve to ukazuje na sasvim izvesnu buduću primenu ove tehnologije.

Autor: Nadežda Veljković