Wytwarzanie przyrostowe z metali, a obróbka cieplna

Wytwarzanie przyrostowe wymaga od firm obróbki cieplnej innego podejścia - technologia drukowania 3D ewoluuje, a urządzenia do obróbki cieplnej muszą za nią nadążać. 

Wytwarzanie przyrostowe z metali, które Gartner definiuje jako „możliwość wytworzenia fizycznego obiektu z cyfrowo zakodowanego projektu, poprzez nakładanie materiału w procesie drukowania 3D”, stało się jednym z 10 strategicznych trendów technologicznych w branżach produkcyjnych.

Druk 3d niezbędnych części jest szybszy i łatwiejszy, niż tradycyjna metoda odlewania elementów metalowych lub obróbki skrawaniem, zwłaszcza przy jednostkowej produkcji. Koncepcja druku 3D ma już około 30 lat, a branże obronna i lotnicza należały do pierwszych gałęzi przemysłu, które zainteresowały się potencjałem tej technologii. Do wspomnianego grona dołączył przemysł medyczny, wraz z nim, branże obronna i lotnicza są najbardziej obiecującymi obszarami rozwoju technologii wytwarzania przyrostowego z metali.

Druku 3D, a przemysł motoryzacyjny

Potencjał druku 3D docenił również przemysł motoryzacyjny. Według Forbesa, w 2019 roku aż 51% przedsiębiorstw wykorzystywało drukowanie 3D w procesie produkcyjnym, zaś 80% mówi, że technologia ta umożliwia im szybszy rozwój innowacji. Dane pochodzące z Markets & Markets potwierdzają ten trend podając, iż globalny rynek drukowania 3D osiągnie wartość około 35 mld USD w 2024 roku. Dla porównania, w 2018 roku jego wartość wynosiła „zaledwie” 9,9 miliarda USD. I chociaż perspektywy są bez wątpienia obiecujące, należałoby rozważyć przyszłe potrzeby przemysłu, tj. najwyższą możliwą jakość i trwałość, ponieważ drukowanie metalowych części to dopiero pierwszy krok w całym procesie produkcyjnym.

Wraz z rozwojem technologii drukowania 3D, przedsiębiorstwa produkcyjne poszukują innowacyjnych możliwości technologicznych, te zaś pozwalają osiągnąć wyższą jakość drukowanego produktu – szczególnie ze względu na charakter branż zainteresowanych produkcją skomplikowanych części metalowych o doskonałych właściwościach mechanicznych. Dopiero od niedawna zaczęto rozważać procesy obróbki cieplnej w branży druku 3D. W odniesieniu do sprawności, szybkości i kosztów produkcji, coraz więcej danych potwierdza znaczenie, potencjał i wpływ wykorzystania pieca przemysłowego do obróbki cieplnej w wytwarzaniu przyrostowym. Statystyki te rzucają również światło na większe, niż kiedykolwiek wcześniej, znaczenie procesów obróbki cieplnej.

Kilka lat temu posiadanie jednej drukarki 3D do metalu było wielkim osiągnięciem. Według danych z ankiety o obróbce części po drukowaniu metodą przyrostową opublikowanej przez Post Process, obecnie ponad 50% użytkowników drukarek 3D dysponuje dwoma lub trzema rodzajami technologii. 33% wykorzystuje w swoich zakładach od czterech (i więcej) typów drukarek. Jednak, poza dostępnością finansową, technologia musi również dostarczać produkty wysokiej jakości, zarówno przy szybkim tworzeniu prototypów, jak i w produkcji masowej. Dlatego też wady jednej technologii muszą być kompensowane przez zalety innej. Piece do obróbki cieplnej znajdują się gdzieś pomiędzy.

Łańcuch tak wytrzymały, jak jego najsłabsze ogniwo

Mówi się, wytwarzanie przyrostowe z metali może usprawnić rozwój produktów dosłownie w każdej istniejącej gałęzi przemysłu. Pamiętając, że prosty piec jest niewystarczający do zaspokojenia potrzeb oraz wymagań współczesnego druku 3D, rodzi się pytanie: jaki piec pomyślnie stawia czoła takiemu wyzwaniu?

Firma SECO/WARWICK, kilka lat temu podjęła kwestię rozwiązań dla wytwarzania przyrostowego z metali. Jak mówi Sławomir Woźniak, CEO SECO/WARWICK: „Jako przedsiębiorstwo, stale poszukujemy rozwiązań, które będą odpowiadały na obecne i przyszłe potrzeby klientów – wytwarzanie przyrostowe z metali nie jest wyjątkiem. Świat druku 3D przez długi czas przyćmiewał obróbkę cieplną, obecnie jednak coraz więcej użytkowników zdaje sobie sprawę z wpływu rozwiązań obróbki cieplnej na kwestię czasu i kosztów procesu”.

Druk 3D, zarówno laserowy jak i metodą binder jetting, ma cechy potrzebne w przemyśle. Rozwiązanie laserowe jest bardziej powszechne, ale zauważalne jest rosnące zainteresowanie częściami drukowanymi poprzez połączenie proszku i lepiszcza (zielona część). Mimo wszystko, efekt końcowy nadal jest daleki od jednorodnej części metalowej.

Jakie zatem miejsce zajmuje piec do obróbki cieplnej w powyższych technologiach?

Niezależnie od tego, czy producent wykorzystuje drukarkę laserową o wysokiej rozdzielczości, czy szybkie i dokładne rozwiązanie typu binder jetting, procesy obróbki cieplnej mają wpływ na końcowe parametry części. Na przykład; skoro technologia binder jetting wymaga procesu spiekania, konieczne jest usunięcie lepiszcza (bindera). Po jego wyeliminowaniu, część umieszczana jest w piecu, a następująca obróbka cieplna odbywa się dzięki odpowiedniej recepturze procesu spiekania. Jeżeli jednak zawartość spoiwa w części drukowanej wynosi około 2%, usuwanie go staje się zbędne – właśnie dzięki innowacyjnym rozwiązaniom. Piece wykorzystujące odpowiednią technologię i receptury, potrafią niezwłocznie wykonać proces eliminacji zielonej części już przy rozpoczynaniu spiekania. W przypadku części drukowanych laserowo, piece do obróbki cieplnej wykorzystuje się do procesów odprężania i wyżarzania w celu osiągnięcia najwyższej możliwej jakości i jednorodności materiału. Rozwiązania pozwalają uzyskać pełną część metalową porównywalną do części odlewanej.

Różne potrzeby. Jedno wyzwanie.

Biorąc pod uwagę wielkość pieców laboratoryjnych, idealnie nadają się one do małych części i celów badawczo-rozwojowych, jednak kolejną potrzebą są piece do średnich i wysokich wolumenów produkcji przemysłowej. S. Woźniak precyzuje: „W niektórych dziedzinach, druk zajmuje mniej czasu niż obróbka cieplna, dlatego też piec musi być odpowiednio wymierzony w celu osiągnięcia zakładanej wydajności produkcyjnej. Czasem, w celu uzyskania właściwości zgodnych z wymogami użytkownika końcowego, części drukowane wymagają dalszej obróbki. Obsługa „części zielonych” jest zaledwie wierzchołkiem góry lodowej. Obecnie dyskusje skupiają się szczególnie na certyfikacji i standaryzacji części drukowanych, a możliwość przeprowadzania różnych procesów wewnątrz firmy jest zawsze cenną korzyścią.”

Branże lotnicza, medyczna i motoryzacyjna są głównym celem producentów drukarek 3D, ponieważ wykorzystują one głównie stale specjalne i superstopy. Znane już są korzyści wynikające z obróbki cieplnej tego typu materiałów w piecach próżniowych do obróbki cieplnej. Piece te zapewniają pełną kontrolę nad procesem, co bezpośrednio wpływa na kwestie związane z odkształceniami i kurczeniem się części. Stanowią zatem doskonałe uzupełnienie wszystkich technologii opartych na lepiszczu.

Być o krok do przodu

Obecnie piece próżniowe do obróbki cieplnej zdają się być najbardziej kompletnym rozwiązaniem odpowiadającym na potrzeby druku 3D, a potrzeby te mogą się różnić, np. jedna technologia wymagać będzie procesu spiekania, a inna odprężania. Dlatego też, biorąc pod uwagę przyszłe cele producentów (takie jak standaryzacja pieca, produkcja masowa lub stały przepływ zamówień), inwestycja we właściwy piec przemysłowy pozwoli uniknąć większości przeszkód – jeszcze zanim wystąpią. 

W rzeczywistości, przedsiębiorstwa nieustannie poszukują rozwiązań odpowiadających na ich konkretne potrzeby, dlatego też coraz więcej klientów ze świata druku 3D metalu skłania się ku rozwiązaniom w zakresie obróbki cieplnej.


Źródło: SECO/WARWICK