Additív technológiák körkép

Oldalunkon már számos cikkben foglalkoztunk 3D nyomtatókkal, 3D gyártórendszerekkel és az additív technológiák különböző alkalmazási területeivel. Mostani cikkünkben azonban nem egy konkrét gépet vagy speciális alkalmazási példát szeretnénk bemutatni, hanem egy áttekintést kívánunk adni azokról a piacon jelenleg megtalálható technológiákról, amiket általában egy kalap alá véve additív technológiáknak neveznek.

Manapság öt különböző elven működő géptípus közül választhatunk az iparban.

Stereolithography (SLA)

Renault F1 fékhűtésének szélcsatorna modellje

Renault F1 fékhűtésének szélcsatorna modellje

Az első kereskedelmi forgalomban is elterjedt gyors prototípus gyártási technológia a sztereolitográfia volt, melyet már 1986-ban szabadalmaztattak. Máig ez a technológia számít a legelterjedtebbnek. Az SLA folyamat során az alkatrész egy olyan platformon jön létre, amit épphogy egy folyadékkal teli kád felszíne alá pozicionálnak. A felhasznált folyadék valamilyen fényérzékeny polimer, általában epoxy vagy akrilát gyanta. A kád fölött egy kisteljesítményű UV lézer kap helyet, ami a betáplált CAD modell 2D-s szeleteinek megfelelően pásztázza végig a folyadék felszínét egészen addig, amíg a kívánt területeken a polimer meg nem szilárdul. Ezt követően a platform egy rétegnyivel mélyebbre merül a kádban és a megszilárdult rétegre ismét folyékony polimer kerül. A gyártás során ez a folyamat ismétlődik egészen addig, amíg az alkatrész el nem készül. Az alkatrész geometriájától függően a folyadék réteg kialakulásához kiegészítő mechanikai támaszték is szükséges lehet, amit a gyártás után el lehet távolítani. A gyártás után az elkészült alkatrészek további UV kezelésen esnek át.

Egy SLA technológiával készült alkatrész tipikus tűrése 200 mm-es él mentén +/-0,1 mm, míg 500 mm-es él mentén +/-0,4 mm. 1988 óta a 3D Systems számít az SLA elven működő gyors prototípus gyártó gépek kizárólagos gyártójának. Elmondásuk szerint ezek a rendszerek a CNC megmunkálásokhoz hasonló felületi minőséget képesek kialakítani.

Fused Deposition Modeling (FDM)

FDM technológiás rendszereket először a Stratasys Inc. hozott kereskedelmi forgalomba 1990-ben, és ez a második leginkább elterjedt technológia az iparban. Az alkatrészek alapanyaga itt legtöbbször ABS, PLA vagy valamilyen hasonlóan szívós polimer. Az építés itt is rétegről rétegre történik. Az alapanyag szál formájában kerül a gépbe, ahol egy fűtött extruderbe jut. Itt a polimer megolvad és a fúvókát már szabályozott térfogatáramú olvadék formájában hagyja el. Maga az extruder mechanikus tengelyeken helyezkedik el, amik a CAD modell adott rétegének megfelelő pályán vezetik végig a fúvókát.

ABS alapanyaggal nagyjából 0,25 mm-es rétegvastagságot lehet elérni. A később extrudált rétegek hozzákötődnek az előző réteghez és azonnal meg is szilárdulnak. Az egész rendszer egy zárt kamrában helyezkedik el, melynek hőmérséklete valamivel a polimer olvadáspontja alá van szabályozva. Az elkészült alkatrészek nem igényelnek utólagos kezelést, de bizonyos eljárásokkal az alkatrészek felületi minősége alaktorzulás nélkül javítható.

Selective Laser Sintering (SLS)

EOSINT M 280 - Gázturbina üzemanyag befecskendezője

EOSINT M 280 - Gázturbina üzemanyag befecskendezője

A lézeres szinterezés technológiáját az 1980-as évek végén fejlesztette ki a DTM Corporation, amit 2001-ben a 3D Systems vásárolt meg tőlük. Ebből alakult ki a sztereolitográfiához hasonló 3D-s szelektív lézeres szinterezés, ami folyékony helyett már por formájú alapanyaggal dolgozik. Az építési platformra valamilyen mechanikus, általában görgős szerkezet viszi fel a port vékony réteg formájában, majd a felül elhelyezkedő CO2 lézer, a hozzá kapcsolódó tükörrendszer segítségével a CAD modellnek megfelelően végigpásztázza azt. A besugárzott por megolvad majd a szomszédos részecskékkel összekapcsolódva megszilárdul, aminek következtében kialakul a kívánt geometria. A platform ezután lejjebb ereszkedik és újabb porréteg kerül felhordásra. Az így elérhető rétegvastagság nagyjából 0,08 mm és 0,15 mm között mozog. Egy 100 mm-es él tűrése +/-0,1 mm, míg 500 mm-es él esetén +/-0,75 mm.

Az SLS technológia legfőbb előnye a gyártott alkatrészek tartóssága, valamint az a tény, hogy ehhez az eljáráshoz érhető el az alapanyagok legszélesebb skálája. Az építés során itt nincs szükség kiegészítő támasztékokra, mivel a fel nem használt por már önmagában elegendő. További extra, hogy ez a fel nem használt por ráadásul a rendszerbe visszaforgatható és újrafelhasználható.

A 3D Systems mellett még európai vonatkozásként érdemes kiemelni a német EOS GmbH (Electro Optical Systems) céget, akik ugyancsak SLS elven működő gépeket gyártanak. Ezek különlegessége, hogy bizonyos típusok nemcsak polimer alapanyagokkal, hanem fémporokkal – rozsdamentes acél, kobalt-króm, inconel 625/718, titán – is képesek dolgozni.

2011-ben a Renishaw is bemutatta az első fém alapanyagokkal működő szinterező gépét, így ezen a területen jelentős fejlődés tapasztalható.

Digital Light Processing (DLP)

A DLP technológiát eredetileg az amerikai Texas Instruments Inc. fejlesztette ki, és manapság a különféle projektorokban és TV-kben fordul elő a leggyakrabban. A 3D-s gyártórendszerekben történő alkalmazásuk a szintén amerikai EnvisionTEC nevéhez köthető. Gépeik a sztereolitográfiához hasonlóan fényérzékeny folyékony gyantákkal működnek, ám lézeres megvilágítás helyett itt egy vagy több DLP projektort használnak. Ezek igen apró voxelek (térfogati pixelek) formájában, egy folyamatos megoldással sugározzák be az alapanyagot, ami a sztereolitográfiánál gyorsabb, nagyjából 25 mm/óra építési időt tesz lehetővé. Leírásaik szerint egyetlen voxel akár 16 x 16 x 15 mikrométeres is lehet, ami a folyamatos építéssel kombinálva kiküszöböli a réteges eljárásoknál szabad szemmel is látható lépcsőzetességet. Ezért cserében azonban az elérhető maximális építési méret kisebb, mint más technológiák esetében.

EnvisionTEC DLP rendszerével gyártott műanyag burkolat

EnvisionTEC DLP rendszerével gyártott műanyag burkolat

3D Printing

Bár általában az additív technológiák szinonimájaként is használják a 3D nyomtatás kifejezést, ám szigorúan véve ez az előbbinek egy alcsoportja. Az első ilyen elven működő berendezést az Objet Geometries mutatta be 2007-ben, így ez számít az egyik legújabb technológiai megközelítésnek. Ez a technológia lényegében a jól ismert tintasugaras nyomtatók továbbfejlesztett változata, amelyben egy további tengellyel megtoldva, a nyomtatófejek egymás utáni rétegekben viszik fel az alapanyagot. Az újabb rendszerek már egyszerre több alapanyaggal és eltérő színekkel is képesek dolgozni, így a kialakuló kompozit végtermék mechanikai tulajdonságai jól szabályozhatók. Ennél a megoldásnál szükség van támaszanyagra, amit azonban igen egyszerűen, egy dedikált nyomtatófej visz fel a kívánt területekre. A támaszanyag a gyártás után vízben oldva könnyen eltávolítható.

Z Corporation többszínű megoldása

Z Corporation többszínű megoldása

Ezzel a technológiával valahol 12-20 mm közötti építési magasság érhető el óránként, egy réteg vastagsága pedig akár 16 mikrométer is lehet, ami nagyon finom felületet eredményez. Az elérhető minimális falvastagság 0,6 mm, míg a pontosság +/-0,1 és +/-0,3 mm között mozog. A DLP technológiás megoldásokhoz hasonlóan azonban ezek a gépek is viszonylag szerény építési méretekkel rendelkeznek.

Ezen a területen az Objet Geometries mellett nagy gyártónak számított még a Z Corporation, ám 2012. januárjában felvásárolta őket a 3D Systems, aki így már igen nagy szeletet tudhat magáénak a 3D gyártórendszerek piacán.

forrás: compositesworld.com