Dimenzióváltás mérnökszemmel

„Mindenki, aki valaha élt a Földön, átélt már dimenzióváltást.” Drunvalo Melchizedek

2016. január 24., vasárnap, 18:46

Címkék: 3d fémnyomtatás 3D nyomtatás additív gyártás alapanyag Fehér Zoltán PolyJet Stratasys Varinex Zrt.

Több mint három év telt már el az aktuális (a maja naptárból kiolvasott) világvége óta. Bár a kataklizma ezúttal is elmaradt, a gyártástechnológiában évek óta tanúi lehetünk a sokak által várva várt dimenzióváltásnak. Az ipari 3D nyomtatás térhódításáról Fehér Zoltán, a Varinex Zrt. 3D nyomtatás üzletágának értékesítési vezetője beszélt a TechMonitornak.

Hogyan foglalható össze pár mondatban a 3D nyomtatás elve?

Akrilbázisú műgyantáktól a műanyagokon át egészen a fémekig terjed a 3D nyomtatásra alkalmas anyagok skálája. Nagyon fontos, hogy a 3D nyomtatás nem egy technológia, hanem egy eljárás, amely során rétegről rétegre építünk fel egy modellt, szerszámozás nélkül, közvetlenül a 3D-s CAD-fájlból. A nyomtatók adott anyagcsoportot tudnak befogadni, gyakran szembesülünk például azzal a kérdéssel, hogy a műgyantából készült modellt előállító nyomtató tud-e fém alapanyaggal is dolgozni. Nem tud, mert a 3D fémnyomtatónak teljesen más a működése. A fémport lézerrel olvasztjuk össze, míg az akrilbázisú műgyanta modellek, szintén rétegről rétegre, de UV fényre térhálósodva épülnek fel.

A 3D nyomtatás az additív gyártási technológia egy eljárása, és vannak olyan berendezéseink – tipikusan ilyenek a fémporos vagy a poliamidporos SLS nyomtatók, de a magasabb rendű mérnöki műanyagokkal dolgozó FDM berendezések és a Connex technológiás PolyJet nyomtatók is –, amelyeket additív gyártóberendezésként kell definiálnunk, mert szerszám nélküli közvetlen gyártást tesznek lehetővé. Tehát a prototípusok készítésén túl végfelhasználókhoz kerülő termékek kis és közepes szériában történő gyártására vagy gyártósori ülékek és befogókészülékek elkészítésére is alkalmasak, ez utóbbi felhasználás keresett alapanyaga az ABS ESD (elektrosztatikus feltöltődéstől védett) tulajdonságú alapanyagunk. A 3D nyomtatás egy elv, és nem határozza meg, hogy milyen módon építjük fel rétegről rétegre a modellt. 1998-ban papírt használtunk a modellek létrehozásához, az is 3D eljárás volt, de a rétegről rétegre történő felépítés elve a fémporos nyomtatóknál sem változott.

Milyen jelenleg a 3D nyomtatás ipari elterjedtsége idehaza?

Nagyon fontos az ipari szó. Sokan próbálkoznak azzal, hogy otthoni nyomtatókkal vállalnak professzionális munkát. Rossz esetben ilyenkor az ügyfél hónapokra-évekre le is mond a 3D nyomtatásról. A 3D nyomtatás ipari rendszerként történő alkalmazásával azonban gyors megtérüléssel számolhatunk. Ha egy termékfejlesztésnél összeadjuk a hagyományos lebontó technológiával készült prototípusok és a prototípusszerszámok költségét, az átfutási időket, a fejlesztés során szükséges szerszám- és termékmódosítások idejét és költségét a végleges termék elkészüléséig, akkor 1-2 éves megtérüléssel számolhatunk egy több tíz vagy akár százmillióba kerülő gép esetében is. Emellett komoly versenyelőny a termékfejlesztés folyamatának drasztikus lerövidítése, és a termék terveinek házon belül tartása a fejlesztés biztonságát is garantálja. A 3D nyomtatás bevezetésének fontos előnye még a mérnöki kreativitás kibontakoztatása, egy új ötlet órákon belül kézzel fogható tárggyá válik, és megfelelő berendezés vásárlása esetén azonnal tesztelhető.

Ezzel együtt még van hova fejlődnünk, de a magyar piac szerencsére nyitott a megoldásainkra, megtérülésszámításokkal a döntéshozók is gyorsan átlátják a beszerzés előnyeit és létjogosultságát. Ez azért is fontos szolgáltatásunk, mert a mérnökök részéről az igények megvannak, de a tömegmédiában olvasható hírek miatt sokan hiszik azt, hogy pár százezer forintból megoldható a 3D nyomtatási igény a vállalaton belül, és mérnöki feladatokra alkalmas berendezést kapnak. Éppen ezért nagyon meg kell indokolnunk a jelentős árkülönbséget, így a beruházások átfutási ideje is hosszabb. Házon belül öt nyomtatóval és négy különféle technológiával dolgozunk, így néhány modell megtekintése, tesztnyomtatás után minden ügyfél meg tudja mondani, hogy neki milyen megoldásra van szüksége. Az adott modell falvastagsága, geometriája, valamint a felhasználás célja és az elvárt darabszám alapján természetesen mi is tudunk javaslatot adni a megfelelő technológiára. Az idei év a pályázatok elhúzódása miatt vált nehezebbé, de így is jobbak az üzleti eredményeink, mint 2014-ben voltak.

Az üzletág forgalmának több mint negyedét teszik már ki a szolgáltatások. Évente mintegy 5 000 különféle terméket gyártunk, esetenként háromezres szériában. Az alapanyag-ellátás is jelentős tétel, van ügyfél, aki egy tonna alapanyagot is elhasznál egy évben. Százas nagyságrendű gép esetében már fontos a képzett kollégákat foglalkoztató szerviztevékenységünk is, de az üzletet az új nyomtatók értékesítése viszi előre.

Fehér Zoltán, a Varinex Zrt. 3D nyomtatás üzletágának értékesítési vezetője

Hogyan rendszerezhetnénk a 3D nyomtatásban felhasznált anyagokat?

A papírkorszak után a huzalolvasztásos FDM technológia kezdett terjedni, ennek alapszabadalma már lejárt. Ahhoz azonban, hogy olyan modelleket készítsünk, amelyek méretében, mechanikai tulajdonságaiban több darab legyártása esetében sincs eltérés, olyan extra szolgáltatások szükségesek a gépen belül – megfelelő hőmérséklet, levegőkeringetés stb. –, amelyeket csak a professzionális gépek tudnak. Ennek köszönhetően tudunk nyomtatni polikarbonátot, PC/ABS-t, de vannak magasabb rendű alapanyagaink is, például a Nylon 12 vagy az ULTEM 9085, ami egy nem éghető anyag, nem bocsát ki mérgező füstöt és gázt, 186 °C a hőállósága. Az ULTEM 9085 Fortus 400-as berendezéssel gyártva repülőgépipari és FST minősítéssel rendelkezik, az ebből gyártott alkatrész tehát közvetlenül beépíthető a repülőgépekbe. Az Airbus A350 típus már közel ezer alkatrésze készül ezzel az eljárással.

Egy gyengébb kivitelezésű nyomtatónál, még ha fűtjük is az alaplapot, nem tudjuk a teljes munkateret nyomtatáshoz ideális, egyenletes és kellően magas hőmérsékletűre hevíteni, mert ez már a modell összerogyását okozná. Így viszont bizonyos magasságban már a rideg anyaghoz próbálják hozzáépíteni a megolvasztott következő rétegeket, és ebből származik az, hogy nem lesz méretpontos a modell, és a mechanikai tulajdonságai is sérülnek. Az időtényező sem elhanyagolható. A Stratasys berendezések a szabadalmi jogok tulajdonosaként képesek egyszerre több tucat alkatrész gyártására, és mindegyik ugyanazokkal a tulajdonságokkal és méretekkel rendelkezik a gyártás végén. A 3D nyomtatás elvéből adódik, hogy minél magasabb a modell, annál hosszabb a gyártás. Az otthoni nyomtatók egyenként gyártják le az alkatrészeket. Stratasys géppel 63 alkatrész 10-12 óra alatt készül el párhuzamosan, míg egy otthoni nyomtatóval minimum 63×6 óra kell ehhez.

A huzalok minősége sem mellékes. Egy otthoni nyomtatónál gyakori probléma, hogy ha a huzal túl vékony, akkor nem tudja behúzni a nyomtató, ha meg túl vastag, akkor megakad. Az alapanyagként szolgáló huzal a legkisebb nyomtatónkban nyomtatófejjel együtt zárt kazettában érkezik hozzánk a gyártótól, így alapanyagcsere esetén semmilyen szennyeződés, korábbi megolvadt műanyag nem maradhat a berendezésben. A nagyobb kapacitású nyomtatók esetében a kopó alkatrészek egyszerűen cserélhetők, extra kapacitású alapanyag-kazetták is elérhetők, így biztosítva a folyamatos gyártás és rendelkezésre állás lehetőségét. A berendezések felügyelet nélkül működnek, így az éjszakai gyártásokon túl akár az egész hétvégét is kihasználhatjuk a gyártásra munkaerő bevonása nélkül, ahogy azt mi is tesszük a meglévő berendezéseinkkel.

Milyen sűrűség érhető el 3D nyomtatással egy referenciatermékhez képest?

Ez technológiák szerint változik. Ha a legismertebb huzalolvasztásos módszerrel kezdjük, a modell ugyanabból az alapanyagból (ABS vagy PC) épül fel, mint a fröccsöntött változat esetén, de nem lesz teljesen vízzáró a felület, hiszen az egyes huzalok lerakása közben maradhatnak apró rések, így a sűrűség sem 100%-os, de az nem fordulhat elő, hogy nem olvad meg a huzal. Elméletileg lehetséges, hogy a huzal egy részének meg nem olvadása is sűrűségbeli eltéréseket okoz, de egy jól beállított berendezés esetében garantálni tudjuk a minőséget. A szoftveres támogatás lehetővé teszi annak előrejelzését, hogy hol érdemes megerősíteni az adott modellt ahhoz, hogy a fröccsöntött termékkel egyenértékű legyen. Léteznek olyan felületkezelési eljárások, amellyel a fröccsöntött darabokhoz hasonló felület érhető el automatizált módon (csiszolás, polírozás nélkül) az ABS alapanyagok esetében.

Fémporos 3D nyomtatás esetében – ahol 20–40 mikron vastagságú fémporrétegeket terítünk le, és szelektív lézerszinterezéssel a modell adott keresztmetszetét összeolvasztjuk – a szakértők szerint sokszor az öntött terméknél nagyobb sűrűséget érünk el, hiszen az alkatrészt folyamatosan nitrogén vagy argon védőgáz veszi körül, és egyetlen összetevője sem tud elillanni, elégni. Fémporból a rozsdamentes acéltól kezdve az alumíniumon át a titánig gyakorlatilag bármilyen alapanyag elérhető. A korábbi 200 W lézerforrásokkal szemben a mai gépekben már inkább 400 W-os fiber lézer kerül beépítésre, de inconel vagy alumínium gyártásához elérhető az 1 kW teljesítményű lézerrel felszerelt berendezés is. Fémporos eljárással olyan fröccsöntő szerszámbetétek hozhatók létre, amelyek például spirálisan veszik körbe az adott geometriát, így nagyon jól megoldható a fröccsszerszám hűtése, ami jelentős ciklusidő-csökkenést és a szerszám élettartamának növekedését eredményezi.

Fontos megjegyezni, hogy a gépeket jellemzően egy-két alapanyag használatára készítik fel. Amennyiben például orvosi implantátumot gyártunk titánból, és abba egyetlen porszem szerszámacél is belekerül, akkor a használat során korrodálódni fog, ami orvosi alkalmazás esetén végzetes lehet. Ennek elkerülésére vannak alapanyagcsoportok, amelyeket használhatunk egy-egy gépen, de a berendezéseket jellemzően adott alapanyaghoz tartozó paraméterekkel lehet megvásárolni.

Milyen egyéb 3D nyomtatási technológia létezik?

A világ legpontosabb 3D nyomtatási eljárása a nálunk is elérhető PolyJet eljárás, amely során akrilbázisú műgyantacseppeket – másodpercenként mintegy hétmilliót – teszünk le a megadott helyre, ami UV fényre térhálósodik. Nagyon finom (16–30 mikronos) rétegvastagság érhető el a módszerrel, gyakorlatilag bármilyen geometria esetében. Ennek továbbfejlesztett változata a többkomponensű Connex eljárás, ahol kettő vagy három alapanyagot keverünk össze, például egy gumiszerű anyagot egy merev alapanyaggal, így hozva létre a polipropilén vagy a POM műanyagok tulajdonságaival rendelkező anyagkeverékeket. Két komponens esetén több mint 100, három komponensnél már több mint 1 200-féle lehetséges variáció létezik, amelyek mind eltérő anyagtulajdonságokkal rendelkeznek.

Merre halad az iparág?

Fontos megjegyezni, hogy a technológiák nem egymás versenytársai, egy PolyJet modellnek teljesen más tulajdonságai vannak, mint egy SLS összeolvasztásos modellnek, más a felhasználási területe is. Mindig a CAD-modell dönti el, hogy adott esetben milyen eljárást ajánlunk, de nem mellékesek az alkalmazási körülmények, például az üzemi hőmérséklet sem. A 3D nyomtatás fejlődési iránya a direkt gyártás, a prototípusoktól és kis szériáktól a sorozatgyártás irányába történő elmozdulás. A General Electric az USA-ban nyolcvan EOS fémporos nyomtatót vásárolt egyszerre, és olyan repülőgépipari alkatrészeket gyárt egyetlen alkatrésszé összeállítva spirálfuratokkal vagy éppen topológiailag optimalizált belső rácsszerkezettel, amelyek korábban több tucat komponensből lettek összeállítva. Ezzel a biztonság növelése mellett jelentős súlycsökkenés is elérhető.

Molnár László


A 3D nyomtatásban használt legfontosabb alapanyagok

EOS műanyag alapanyagok

Termékosztály Terméknév Szín lézerszinterezés után Fő tulajdonságok Jellemző felhasználási területek
Poliamid 12 PA 2200 fehér • Több célra felhasználható Funkcionális alkatrészek
• Kiegyensúlyozott tulajdonságprofil
PrimePart® PLUS (PA 2221) naturális • Gazdaságos, több célra felhasználható anyag Funkcionális alkatrészek
• Kiegyensúlyozott tulajdonságprofil
• Számos tanúsítvánnyal (biokompatibilis, élelmiszerrel érinthezhet stb.) rendelkezik
PA 2202 black antracit fekete • Kiegyensúlyozott tulajdonságprofil Funkcionális alkatrészek antracit fekete színben
• 100% pigmentált
Poliamid 12 üveggyöngy töltőanyaggal PA 3200 GF fehéres • Nagy merevség • Merev tokok
• Kopásállóság • Kopásálló alkatrészek
• Javított termikus tulajdonságok • Magas termikus követelményeknek kitett alkatrészek
Poliamid 12 alumínium töltőanyaggal Alumide® metálszürke • Könnyű megmunkálhatóság • Forgácsolással járó alkalmazások
• Javított termikus tulajdonságok • Megmunkálást igénylő alkaltrészek
• Hővezetés (korlátozott) • Hőterhelésnek kitett alkatrészek
• Nagy merevség  
Szénszálas erősítésű Poliamid 12 CarbonMide® antracit fekete • Extrém szilárdság és merevség •Könnyű és merev funkcionális alkatrészek
• Termikus és korlátozott elektromos vezetőképesség • Fém helyettesítése
• A legjobb szilárdság/súly arány  
Poliamid 11 PA 1101 naturális • Képlékeny és ütésálló • Ütésálló funkcionális alkatrészek
• Kiegyensúlyozott tulajdonságprofil (hasonlóan a PA 2200-hoz) • Alkatrészek funkcionális elemekkel, például zsanérokkal
• Megújuló forrásokból
PA 1102 black fekete • A PA 1101 alkalmazásaihoz hasonló • A PA 1101 alkalmazásaihoz hasonló
• Ezenkívül: fekete, tömegszínű alkalmazásokhoz, amelyek kopás/karcolódás esetén is feketék maradnak • Ezenkívül: 100 % fekete tömegszín

 

Speciális alkalmazásokhoz

Termékosztály Terméknév Szín lézerszinterezés után Fő tulajdonságok Jellemző felhasználási területek
Poliamid 12 PA 2201 naturális • Több célra felhasználható Funkcionális alkatrészek
• Leginkább Észak-Amerikában történő használathoz
PA 2105 világos bézs • Kiváló méretpontosság Fogászat
• Kiváló felületminőség és részletpontosság
Égésgátló Poliamid 12 PA 2210 FR fehér • Lángállóság • Légiipar
• Halogénmentes anyag • Elektronikai ipar
PrimePart® FR
(PA 2241 FR)
fehér • Gazdaságos lángálló anyag Légiipar
• Tanúsítványok (lángállóság)
TPE-A poliéterimid blokk-kopolimer PrimePart® ST
(PEBA 2301)
fehér • Gumiszerű rugalmasság (Shore D ≈ 35) Csillapító berendezések, lökhárítók, párnák, tömítések, cipőtalpelemek
• Nem szükséges az inflitráció
Polisztirol PrimeCast® 101 szürke • Kiváló méretpontosság • Öntészetben használt mesterminták
• Égéskor alacsony maradékanyag-tartalom • Vákuum  öntészetben használt mesterminták
  • Gazdaságos prototípusgyártás
Poliarileterketon EOS PEEK HP3 bézs • Magas teljesítmény • Fémek helyettesítése
• Kiváló termikus tuljadonságok, szilárdság, merevség és vegyi ellenálló képesség • Légiipar
• Kiváló kopásállóság • Autó- és motorsport
• Eredendően égésgátló • Elektronikai ipar
• Potencionálisan biokompatibilis (komponensteszt szükséges) és sterilizálható • Orvosi ipar
• Általános ipar

 

EOS fém alapanyagok

Termékosztály Terméknév Anyagtípus* Jellemző felhasználási területek
Martenzites acél EOS MaragingSteel MS1 18 Mar 300 / 1.2709 Fröccsöntő szerszámok, mechanikus alkatrészek
Rozsdamentes acél EOS StainlessSteel GP1 Rozsdametnes acél Funkcionális prototípusok és sorozatgyártású alkatrészek, gépipar és orvosi ipar
17-4 / 1.4542
EOS StainlessSteel PH1 Edzett rozsdamentes Funkcionális prototípusok és sorozatgyártású alkatrészek, gépipar és orvosi ipar
acél 15-5 / 1.4540
EOS StainlessSteel 316L 1.4404/UNS S31673 Luxusipar: ékszerek, yachtalaktrészek, szemüvegkeretek stb.
Légiipar: biztonsági elemek, konzolok stb.
Orvosi ipar: funkcionális prototípusok és sorozatgyártású alkatrészek,  endoszkópia és ortopédia
Nikkelötvözet EOS NickelAlloy IN718 Inconel™ 718, UNS Funkcionális prototípusok és sorozatgyártású alkatrészek, magas hőmérsékleten működő turbinaelemek
N07718, AMS 5662,
mat. # 2.4668
EOS NickelAlloy IN625 Inconel™ 625, UNS Funkcionális prototípusok és sorozatgyártású alkatrészek, magas hőmérsékleten működő turbinaelemek
N06625, AMS 5666F,
mat. # 2.4856 etc.
  UNS N06002 Magas termikus és oxidációs körülmények között működő alkatrészek, például égésterek, ventilátorok, kandallók, ipari kemencék tartóelemei
EOS NickelAlloy HX
 
Kobalt-króm EOS CobaltChrome MP1 CoCrMo szuperötvözet, Funkcionális prototípusok és sorozatgyártású alkatrészek, gépipar, orvosi ipar, fogászat
UNS R31538, ASTM F75
EOS CobaltChrome SP2 CoCrMo szuperötvözet Fogpótlások (sorozatgyártás)
Titán EOS Titanium Ti64 Ti6Al4V könnyűfém Funkcionális prototípusok és sorozatgyártású alkatrészek, légiipar, autó- és motorsport stb.
EOS Titanium Ti64ELI Ti6Al4V ELI Funkcionális prototípusok és sorozatgyártású alkatrészek az orvosi iparban
Alumínium EOS Aluminium AlSi10Mg AlSi10Mg könnyűfém Funkcionális prototípusok és sorozatgyártású alkatrészek, gépipar, autó- és motorsport stb.

* A megfelelő szabvány szerinti anyag

Stratasys PolyJet alapanyagok

Alapanyag Rétegvastagság Felhasználás
Fehér - VeroWhitePlus RGD835 16, 28, 30 vagy 36 mikron választható Általános felhasználású, műanyag-tulajdonságokkal rendelkező, nem átlátszó, merev alapanyag
Kék - VeroBlue RGD840 16, 28, 30 vagy 36 mikron választható Általános felhasználású, műanyag-tulajdonságokkal rendelkező, nem átlátszó, merev alapanyag
Szürke - VeroGray RGD850 16, 28, 30 vagy 36 mikron választható Általános felhasználású, műanyag-tulajdonságokkal rendelkező, nem átlátszó, merev alapanyag
Fekete - VeroBlackPlus RGD875 16, 28, 30 vagy 36 mikron választható Általános felhasználású, műanyag-tulajdonságokkal rendelkező, nem átlátszó, merev alapanyag
Sárgás, áttetsző - RGD720 16, 28, 30 vagy 36 mikron választható Általános felhasználású, műanyag-tulajdonságokkal rendelkező, sárgás színben áttetsző merev alapanyag
Átlátszó - VeroClear - RGD810  16, 28, 30 vagy 36 mikron választható Általános felhasználású, műanyag-tulajdonságokkal rendelkező, átlátszó, merev alapanyag
Hőálló - RGD525 16, 28, 30 vagy 36 mikron választható Általános felhasználású, műanyag-tulajdonságokkal rendelkező, nem átlátszó, merev alapanyag, emelt hőtűréssel
Gumiszerű, egykomponensű - Rubber-like gray (TangoGray FLX950) 16, 28, 30 vagy 36 mikron választható Általános felhasználású, műanyag-tulajdonságokkal rendelkező, átlátszó, gumiszerű alapanyag
Gumiszerű, egykomponensű - Rubber-like black (TangoBlack FLX973) 16, 28, 30 vagy 36 mikron választható Általános felhasználású, műanyag-tulajdonságokkal rendelkező, átlátszó, gumiszerű alapanyag
Gumiszerű,egy komponensű - Rubber-like translucent (TangoPlus FLX930) 16, 28, 30 vagy 36 mikron választható Általános felhasználású, műanyag-tulajdonságokkal rendelkező, átlátszó, gumiszerű alapanyag
Gumiszerű, egykomponensű - Rubber-like advanced black (TangoBlackPlus FLX980) 16, 28, 30 vagy 36 mikron választható Általános felhasználású, műanyag-tulajdonságokkal rendelkező, átlátszó, gumiszerű alapanyag
Polipropilén hatású - Rigur RGD450 16, 28, 30 vagy 36 mikron választható Általános felhasználású, polipropilén műanyag-tulajdonságokkal rendelkező, nem átlátszó alapanyag
Polipropilén hatású - Durus - RGD430 16, 28, 30 vagy 36 mikron választható Általános felhasználású, polipropilén műanyag-tulajdonságokkal rendelkező, nem átlátszó alapanyag
Digitális alapanyagok - Connex2 esetén 120-féle anyagtulajdonság, egy alkatrészen belül 27-féle anyagtulajdonság
Connex3 rendszer esetén közel 1200-féle anyagtulajdonság és egy adott alkatrészen belül 82-féle anyagtulajdonság lehetséges
16, 28, 30 vagy 36 mikron választható Több komponensből a berendezés által kikevert kompozit alapanyag, megadott ShoreA keménységgel, színnel, akár adott ShoreA vagy ShoreD keménységű, színes, gumiszerű, átlátszó tulajdonságokkal
Digitális ABS 16, 28, 30 vagy 36 mikron választható Az ABS műanyagok tulajdonságait szimuláló alapanyag, közvetlen digitális gyártásra is alkalmas
Fogászati alapanyag - VeroDent (MED670) 16, 28, 30 vagy 36 mikron választható Fogászati alapanyag
Fogászati alapanyag - VeroDentPlus (MED690) 16, 28, 30 vagy 36 mikron választható Fogászati alapanyag
Fogászati alapanyag - VeroGlaze (MED620) 16, 28, 30 vagy 36 mikron választható Fogászati alapanyag
Átlátszó biokompatibilis - MED610 16, 28, 30 vagy 36 mikron választható Átlátszó, biokompatibilis alapanyag

Stratasys fém alapanyagok >>>

Keresés
Bejelentkezés / Regisztráció
Média Partnerek