5 najważniejszych zastosowań druku 3D z metalu

W ciągu ostatnich lat branża produkcji addytywnej odnotowała znaczny postęp w zakresie materiałów metalowych, nowych technologii i tańszych drukarek do metalu. Czynniki te, wraz z zaawansowanymi technikami projektowania cyfrowego, sprawiają, że widzimy coraz więcej zastosowań druku 3D z metalu w wielu branżach, od produkcji po opiekę zdrowotną i lotnictwo.

Przyjrzyjmy się, dlaczego firmy zwracają się ku produkcji addytywnej z metalu, a następnie przyjrzyjmy się temu, co drukują

Konstrukcja, czynnik różnicujący w technologii metalowego druku 3D

Obecnie większość nowych produktów – od deskorolek po wtryskiwacze paliwa – jest projektowana cyfrowo. Wszystkie projekty uwzględniają metodę produkcji. Inżynierowie projektujący dla druku 3D mogą jednak zignorować większość ograniczeń związanych z tradycyjnym wytwarzaniem części metalowych i projektowaniem w celu optymalizacji funkcjonalności części przy jednoczesnym zmniejszeniu ilości materiału, czasu i kosztów.

Weźmy na przykład części mechaniczne, takie jak ramiona robotów lub konstrukcje wsporcze, takie jak ściany samolotu; inżynierowie używają oprogramowania do symulacji naprężeń mechanicznych i projektowania części o wytrzymałości dokładnie tam, gdzie jest to potrzebne. Części te często mają obco wyglądające struktury kratowe lub puste przestrzenie, ale mogą działać lepiej niż tradycyjnie produkowane elementy, które wydają się bardziej solidne. Części drukowane w 3D zmniejszają ilość wymaganego metalu, obniżając koszty i wagę.

W tym studium przypadku przeprowadzonym przez Materialize, dostawcę usług druku 3D i oprogramowania, firma przeprojektowała zrobotyzowany chwytak ssący tak, aby kosztował mniej niż jedną trzecią i ważył jedną czwartą oryginału i nie wymagał montażu.

Ponieważ druk 3D z metalu może tworzyć części w częściach, inżynierowie mogą zaprojektować złożony zespół w jednym kawałku. Taka konsolidacja części oszczędza czas i nakłady pracy związane z montażem części lub wykonywaniem procesów takich jak spawanie. Może to znacznie zwiększyć wydajność końcowej części.

Na przykład, we współpracy z niemieckim producentem niestandardowych systemów wytwarzania przyrostowego AMCM, amerykańska firma kosmiczna Launcher zbudowała komorę spalania dla silników rakietowych na ciecz, wraz z wtryskiwaczami i wewnętrznymi regeneracyjnymi kanałami chłodzenia jako jedną część. Dodatkowo, część o wysokości 850 mm wykonana jest ze specjalnego materiału miedzianego CuCrZr, co jest wyczynem inżynieryjnym możliwym dzięki zaawansowanym technologiom druku 3D z metalu.

Odkładając na chwilę design na bok, przyjrzyjmy się metalom

Zaawansowane metale motorem innowacji

Do druku 3D dostępne są dziesiątki metali i wysokowydajnych stopów, a niektóre z nich są dostępne wyłącznie do druku 3D. Od szerokiej gamy stali nierdzewnych zapewniających twardość i wytrzymałość po tytan, który jest biokompatybilny i lekki, lista obejmuje kobalty, aluminium, stopy na bazie niklu, złoto, srebro, platynę, miedź i wiele innych. Liczba dostawców metali oferujących linie zastrzeżonych stopów metali do produkcji addytywnej rośnie, co z kolei rozszerza możliwości zastosowań. Metal do druku 3D ma zazwyczaj postać proszku i jako taki może być droższy niż podobne materiały w postaci stałej stosowane w obróbce skrawaniem. Ponieważ jednak druk 3D jest technologią addytywną, a nie subtraktywną, jak frezowanie, potrzeba mniej materiału i mniej się go marnuje.

Dawne wątpliwości dotyczące wytrzymałości, integralności i trwałości metali wytwarzanych metodą przyrostową zostały rozwiane, ponieważ coraz więcej części jest testowanych w przemyśle lotniczym, produkcyjnym, implantach chirurgicznych i praktycznie wszędzie tam, gdzie używa się metalu.

Teraz, gdy omówiliśmy niektóre z powodów, dla których firmy decydują się na druk 3D z metalu, przyjrzyjmy się temu, co drukują.

Części niskoseryjne i specjalne

Unikatowe części o ograniczonej objętości stanowią największą i najszerszą kategorię zastosowań druku 3D z metalu. Obejmuje ona wszystko, od sprzętu produkcyjnego po wysokiej klasy ramy rowerowe i specjalistyczne części do robotów.

Firmy wybierają druk 3D, gdy zaawansowane oprogramowanie inżynieryjne odkryło lepszy, bardziej wydajny projekt części, który można wyprodukować tylko za pomocą druku 3D. W przypadku złożonych projektów, takich jak ten kolektor hydrauliczny pokazany powyżej, często jedyną metodą jest druk 3D.

Podobnie, gdy specjalistyczna część metalowa wymaga dodatkowych narzędzi metalowych do jej stworzenia, takich jak forma, wraz z dodatkowymi procesami, takimi jak spawanie lub montaż, druk 3D jest często szybszym i bardziej wydajnym rozwiązaniem. Jednak wraz ze wzrostem produkcji seryjnej części, koszty i korzyści związane z drukiem 3D z metalu maleją, co stanowi podstawę tej kategorii. Niektórzy producenci, tacy jak BMW, zwrócili się w stronę druku 3D części produkowanych masowo, ale pozostaje to niszą dla druku 3D z metalu.

Warto przyjrzeć się firmom, które zdecydowały się na druk 3D z metalu w przypadku części niskonakładowych i specjalistycznych:

1. NASA wyprodukowała metalową pompę paliwową do silnika rakietowego wydrukowaną w 3D, zużywając o 45% mniej części niż w przypadku pomp produkowanych w konwencjonalny sposób.
2. Firma Grohe, produkująca armaturę łazienkową, oferuje konsumentom kochającym design kran drukowany w 3D, który zużywa o połowę mniej materiału niż tradycyjnie wytwarzane produkty.
3. Chcąc przedłużyć żywotność krytycznych części, Ulterra, producent części dla przemysłu naftowego i gazowego, wykorzystał wytwarzanie addytywne z ExOne do produkcji większej ilości części odpornych na zużycie przy niższych kosztach niż tradycyjne metody.
4. GE Aviation drukuje 3D eleganckie łopatki turbiny dla GE9X, największego na świecie silnika odrzutowego dla nowej generacji odrzutowców Boeinga 777X.
5. Porsche zakończyło test wytrzymałości tłoków drukowanych w 3D w silniku 911 GT2 RS i stwierdziło, że wydrukowane tłoki ze stopu aluminium dorównują (a nawet przewyższają) porównywalne części odlewane lub kute. Lżejsze tłoki przekładają się na wzrost mocy o około 30 KM.
6. Nik Huber Guitars oferuje metalowy mostek do gitary elektrycznej drukowany w 3D, który zapewnia jakość dźwięku nieosiągalną dla tradycyjnych części.
7. Bugatti, część Grupy Volkswagen, opracowała drukowany w 3D zacisk hamulcowy wykorzystujący stop, który pojawia się głównie w zastosowaniach lotniczych i charakteryzuje się szczególnie wysoką wytrzymałością i wydajnością.
8. Dzięki zastosowaniu druku 3D z metalu od Voestalpine, producent narzędzi Eisenhuth odnotował znaczną poprawę zarówno czasu cyklu, jak i jakości produktu oraz zmniejszył całkowitą masę narzędzia.
9. Thales Alenia Space i 3D Systems produkują tytanowe wsporniki do satelitów, które są o 25% lżejsze i charakteryzują się lepszym stosunkiem sztywności do masy niż te wytwarzane tradycyjnymi metodami.

Funkcjonalne prototypy metalowe

Od kijów golfowych po zawiasy drzwiowe, drukowanie metalowych prototypów, które działają dokładnie tak, jak końcowa obrobiona metalowa część, jest kolejnym ważnym zastosowaniem druku 3D z metalu.

Mocne metalowe prototypy wydrukowane w 3D z końcowego materiału metalowego zapewniają inżynierom i projektantom dowód koncepcji, który wykracza poza wygląd i dotyk. Można przetestować użyteczność, ergonomię i możliwości produkcyjne produktu. Wysoki koszt i długi czas realizacji frezowania lub formowania zaledwie kilku metalowych części stanowi powszechną barierę dla metalowych prototypów. Druk 3D z metalu nie wymaga jednak oprzyrządowania ani dużej konfiguracji maszyny, a produkcja jest zazwyczaj szybsza (kilka dni w porównaniu do kilku tygodni w przypadku frezowania). To umożliwia inżynierom zbadanie większej liczby projektów w krótszym czasie i skrócenie cyklu rozwoju produktu. Projektanci mogą tworzyć iteracje w ułamku czasu w porównaniu z tradycyjnymi metodami.

Warto przyjrzeć się firmom, które zdecydowały się na druk 3D prototypów z metalu:

1. Lumenium, firma z siedzibą w Wirginii opracowująca innowacyjne silniki spalinowe, skróciła czas rozwoju swoich produktów o 25% dzięki drukowi 3D z metalu od Digital Metal.
2. Globalny producent armatury kuchennej i łazienkowej odkrywa ekonomię szybkiej produkcji, aby przyspieszyć tworzenie prototypów o unikalnych cechach, zredukować etapy opracowywania odlewów i prowadzić produkcję małoseryjną przy jednoczesnym obniżeniu kosztów.
3. Shukla Medical wykorzystuje swój system Markforged Metal X do tworzenia prototypów narzędzi chirurgicznych dla chirurgów w celu przetestowania ich przed rozpoczęciem produkcji

Części zamienne i wycofane

Niezależnie od tego, czy chodzi o tymczasowe zamienniki, czy stałe części zamienne, możliwość drukowania krytycznych części na miejscu i na żądanie sprawia, że drukarki 3D do metalu są inteligentną inwestycją dla wielu organizacji. Globalna pandemia tylko wzmocniła argumenty za skróceniem łańcucha dostaw i posiadaniem niezbędnych części dostępnych lokalnie.

Dla producentów oryginalnego sprzętu szykuje się wirtualna rewolucja w zarządzaniu częściami zamiennymi. Zamiast magazynować tysiące części zamiennych, producenci mogą hostować cyfrowe zapasy drukowane na żądanie, oszczędzając miejsce i nakład pracy. Druk 3D w metalu może produkować fizyczne części z plików cyfrowych w ciągu kilku godzin lub dni w przypadku większych części.

Oprócz części zamiennych do dzisiejszego sprzętu, druk 3D w metalu wydłuża żywotność wycofanego sprzętu i rozszerza możliwości naprawy wielu przestarzałych maszyn. W połączeniu ze skanowaniem 3D w celu inżynierii odwrotnej części i tworzenia modeli cyfrowych, dzisiejsza technologia może nie tylko wyprodukować część zamienną, gdy jej nie ma, ale nawet ją ulepszyć, często zmniejszając wagę i ilość użytego materiału.

Warto przyjrzeć się firmom, które wykorzystują druk 3D w produkcji części zamiennych:

1. Porsche wykorzystuje druk 3D do produkcji części zamiennych do swoich rzadkich i klasycznych samochodów, udostępniając swoim klientom szeroki wybór wysokiej jakości rzadkich części za ułamek kosztów.
2. Deutsche Bahn stworzyło szablony konstrukcyjne do druku 3D w metalu na podstawie istniejących rysunków i zeskanowanych obiektów, aby produkować części zamienne do starszych pociągów za naciśnięciem jednego przycisku.
3. Korpus Piechoty Morskiej Stanów Zjednoczonych zatwierdził proces drukowania 3D części zamiennych do czołgów, gdy oryginalna część zużywa się lub przestaje działać, a nowej części obrabianej maszynowo nie można szybko otrzymać.
4. Dzięki drukowi 3D z metalu, ArcelorMittal, międzynarodowa korporacja produkująca stal z siedzibą w Luksemburgu, była w stanie drukować na żądanie gotowe do użycia części zamienne, zmniejszając zapotrzebowanie na zapasy.
5. Po pomyślnym wdrożeniu druku 3D z tworzyw sztucznych do produkcji części zamiennych, Mercedes-Benz Trucks i Daimler Buses oferują teraz drukowane w 3D metalowe części zamienne do swoich pojazdów, nawet długo po zakończeniu produkcji seryjnej

Implanty chirurgiczne i stomatologiczne

Druk 3D z metalu to fascynująca technologia, która znajduje coraz szersze zastosowanie w medycynie. Pozwala na tworzenie spersonalizowanych implantów, dostosowanych do indywidualnych potrzeb pacjentów. Oto kilka ważnych aspektów związanych z drukiem 3D metalowych implantów medycznych:

1. Precyzja i personalizacja: Druk 3D umożliwia tworzenie implantów o dokładnych kształtach i wymiarach, co pozwala na lepszą integrację z ciałem pacjenta. Implanty są projektowane na podstawie obrazowania rentgenowskiego tomografu komputerowego lub rezonansu magnetycznego, a następnie są drukowane.
2. Trwałość: Technologia druku 3D z proszków metalicznych jest stosunkowo nową metodą, ale implanty wykonane tą techniką są coraz bardziej trwałe. Choć trudno porównać ją do tradycyjnych technik produkcyjnych (np. odlewnictwa czy frezowania), to już teraz stanowi ona obiecującą alternatywę.
3. Zastosowanie w medycynie: Druk 3D wypiera stopniowo tradycyjne metody wytwarzania komponentów kostnych. Obecnie już około 20% implantów jest wytwarzanych tą metodą. Najczęściej stosuje się nylon lub tytan, z których wykonuje się sztuczne kości, zęby oraz stawy kolanowe. Te materiały cechują się dobrą biokompatybilnością.
4. Implantacja nawigowana: Współczesne technologie pozwalają na planowanie i realizację zabiegów wszczepiania implantów z wykorzystaniem programów komputerowych i technologii druku 3D. Dzięki temu można precyzyjnie wyznaczyć umiejscowienie implantu w kości, co przyspiesza zabieg i minimalizuje ryzyko powikłań.

Warto podkreślić, że druk 3D metalowych implantów stanowi obiecujący kierunek rozwoju medycyny, umożliwiając coraz bardziej spersonalizowane i trwałe rozwiązania dla pacjentów.

Biżuteria i sztuka dekoracyjna

Artyści poszerzają granice projektowania z myślą o druku 3D, zwłaszcza jubilerzy, którzy wykorzystują tę technologię do drukowania końcowych elementów z metali szlachetnych. Złożone i delikatne projekty geometryczne, niemożliwe do wykonania tradycyjnymi metodami, umożliwiają jubilerom oferowanie unikalnych i szytych na miarę kreacji.

Jubilerzy zaczęli wykorzystywać druk 3D z tworzyw sztucznych do odlewania wzorów, które są tańsze i szybsze w produkcji niż tradycyjne metody, podczas gdy druk 3D z metali szlachetnych jest mniej popularny, ale rośnie.

Przyjrzyjmy się firmom, które zdecydowały się na druk 3D biżuterii z metali:

• Arlid Links, najnowocześniejsza butikowa firma jubilerska, drukuje wykwintną biżuterię 3D z proszku metalowego wykonanego ze zniszczonej nielegalnej broni palnej przejętej w strefach konfliktu.
• Brazylijska projektantka biżuterii, Veronica Nunes, połączyła siły z biurem usług druku 3D Star Rapid, aby stworzyć oszałamiająco skomplikowane projekty.
• Cloud Factory oferuje usługę druku 3D biżuterii z metalu na zamówienie w tempie i kosztach nieosiągalnych dla tradycyjnych metod tworzenia biżuterii

Żródło: https://all3dp.com